Новый физический фейерверк - Джирл Уокер

Обычно в волнующейся воде отражения меняются так быстро, что глазом их различить нельзя, но их можно «поймать» с помощью фотоаппарата с короткой выдержкой. Предположим, вы фотографируете отражение корабельной мачты. На фотографии часть мачты будет выглядеть как волнистая линия, а другие — как отдельные замкнутые петли. Объяснить, почему изображение мачты получилось волнистым, не составит труда, но откуда взялись петли? Могут ли получаться изолированные незамкнутые петли? Отражения других объектов тоже могут быть искажены до неузнаваемости, в частности, прямые линии могут превращаться в овалы.

ОТВЕТ • Искажения отражений, будь то волнистые линии или петли, обусловлены кривизной поверхности воды при волнении. Если участок мачты, отражающийся в воде, достаточно длинный, то в вогнутой части поверхности воды он может отразиться в виде овала. Когда изображение мачты представляет собой замкнутую петлю, это означает, что небо по одну сторону от мачты отображается внутрь петли, а по другую — наружу. Петли, образующиеся при отражении вытянутых объектов, таких как мачта, всегда замкнутые. Однако на снимке отражения в воде точечного источника света могут присутствовать петли со «свободными концами». Они соответствуют моментам открытия и закрытия затвора камеры.

Почему свою тень можно увидеть на поверхности мутного пруда или чистой лужи, но она не видна, если пруд глубокий и чистый? Почему тени других людей можно увидеть, только если вода в пруду очень грязная?

Глядя на свою тень на поверхности воды с рябью из небольших случайно ориентированных волн, обратите внимание на область вблизи тени головы. Кажется, что от нее во все стороны расходятся яркие лучи-спицы, описанные Уолтом Уитменом в стихотворении «На Бруклинском перевозе»[68].

Пусть чистую воду глубиной около метра освещают солнечные лучи, пробивающиеся через листву дерева. Обратите внимание на края пятен света на дне. Если солнце позади вас, пятна белые, если же солнце светит вам в лицо, края у пятен цветные: ближе к вам они красные, а на дальнем краю — голубые. Почему края цветные и отчего их вид зависит от направления взгляда?

ОТВЕТ • Тень видна только в том случае, когда она освещена гораздо меньше, чем окружающая ее поверхность. Например, на тротуаре ваша тень видна. Но если на тротуар налить чистой воды, тень станет менее четкой, так как от поверхности воды отражаются небо и окружающие вас предметы. Поскольку какие-то из этих отражений накладываются на вашу тень, она не будет такой же темной, как на сухом асфальте.

Если же вода существенно глубже, чем лужа на тротуаре, контраст тени с окружающей ее поверхностью будет еще слабее: в окрестности тени интенсивность отраженного от дна света уменьшается. Однако, если вода не слишком прозрачная, тень различима лучше, поскольку взвешенные в воде частицы, окружающие тень, рассеивают свет в направлении наблюдателя. В этом случае тень не плоская, как на дороге, а скорее трехмерная. Именно поэтому увидеть тень кого-то другого бывает сложно: вы смотрите на нее вдоль наклонной линии и видите в воде как освещенные, так и затененные области. По мере увеличения загрязненности воды тень другого человека постепенно «поднимается» к поверхности. А если вода совсем уж грязная, вы эту чужую тень легко различите.

При волнении волны в сравнительно чистом водоеме фокусируют свет в воде, где затем лучи света рассеиваются на взвеси и выходят из воды обратно. Вы видите этот рассеянный свет как яркие линии там, где свет фокусируется, и как темные — там, где фокусировки нет. Направление этих линий зависит от структуры волн, и часть из них параллельна линии, направленной от ваших глаз к солнцу. Следовательно, вам кажется, что они сходятся в точке прямо напротив солнца, то есть в области тени от вашей головы, подобно тому, как «сходятся» убегающие вдаль прямые рельсы. Иногда создается впечатление, что эти «спицы» вращаются, но это лишь иллюзия, попытка мозга разобраться со случайно меняющимися изображениями.

Если солнце светит вам в спину, пятна света в мелкой чистой воде выглядят белыми, несмотря на то что при входе в воду каждый солнечный луч расщепляется на лучи разных цветов. При этом красные и синие лучи, входящие в состав каждого белого солнечного луча, достигают дна в разных точках и рассеиваются в большом числе разных направлений. Однако, чтобы вы их увидели, лучи должны вернуться по первоначальному пути, то есть обратно в направлении солнца. Таким образом, цветные лучи, выходя из воды, вновь собираются, и свет, который вы видите, белый, как и пятна на дне. Именно поэтому плоская стеклянная пластина (например, оконное стекло) не разделяет лучи частей спектра, как призма.

Если стоять лицом к солнцу, вы видите цветные лучи, исходящие из разных точек на дне водоема (рис. 6.14). Пусть поверхность водоема освещает узкий луч света. Тогда светлое пятно на дне в основном белое, поскольку от точек внутри него до вас доходят лучи всех цветов. Но лучи, идущие от точек на дальнем и ближнем краях пятна света, окрашены. При входе в воду каждый белый солнечный луч преломляется, и лучи разных цветов расходятся. Синие лучи отклоняются на самый большой угол по сравнению с лучами других цветов, поэтому самые дальние отраженные от дна лучи, которые видит наблюдатель, синего цвета. Точно так же в результате преломления лучи красного цвета меняют свое направление меньше всего и заканчиваются на дне ближе всего к наблюдателю. Это означает, что от дальнего края пятна в направлении наблюдателя рассеиваются синие лучи, а от ближнего — красные.

Рис. 6.14 / Задача 6.41. Наблюдатель, стоящий лицом к солнцу, видит окрашенные края пятен света на дне водоема.

Посмотрев на свою тень на снегу, можно заметить, что она слегка окрашена. С чем это связано? Может ли цвет тени меняться?

ОТВЕТ • Тень должна быть темной, но, если небо голубое, идущий от него свет освещает затененный снег, придавая ему слабый голубой оттенок. На остальной поверхности тень имеет оттенок, соответствующий цвету этой поверхности. Если поверхность вокруг тени ярко окрашена, может показаться, что цвет тени соответствует дополнительному цвету поверхности, но это только оптическая иллюзия, создаваемая зрительной системой[69]. Подобный эффект легко увидеть, если обратить внимание на тень артиста, которого на сцене освещают разноцветные прожекторы.