Новый физический фейерверк - Джирл Уокер

Нальем в чашку немного молока и наклоним ее так, чтобы молоко покрывало только часть донышка. Почему молоко на дне как бы очерчено бесцветной полосой?

Когда зрители видят отраженное в зеркале лицо актера (в театре, во время телепередачи или в кино), что в зеркале видит сам актер?

ОТВЕТ • Обычно отражение в воде отличается от того, что вы видите непосредственно вокруг себя, поскольку предметы на переднем плане несколько иначе загораживают предметы сзади. Дело в том, что, когда вы смотрите на предмет, а не на его отражение в воде, исходящие от предмета лучи, скорее всего, почти горизонтальны, тогда как отраженные лучи сначала отклоняются вниз к поверхности воды (рис. 6.18).

Рис. 6.18 / Задача 6.61. Прямые и отраженные лучи доходят до наблюдателя разными путями.

Поверхность жидкости в чашке с чаем вблизи стенок чуть искривлена: из-за взаимодействия молекул воды друг с другом и сцепления воды со стенками жидкость слегка поднимается по стенкам вверх. Этот эффект вызван так называемым поверхностным натяжением. Поверхность жидкости действует как зеркало, отражая все, что находится над ней. Плоская поверхность жидкости при отражении не искажает изображение, тогда как при отражении от вогнутой поверхности изображение сжимается. Если, когда солнце высоко, стать к нему спиной и посмотреть в стоящую перед вами чашку с чаем, можно заметить два сжатых изображения солнца. Одно из них — результат отражения от искривленной поверхности вблизи стенок чашки, а при формировании другого изображения свет от искривленной поверхности сначала падает на плоскую поверхность, а уже затем отражается от нее в направлении наблюдателя.

Когда чашка переполнена, жидкость вблизи ее края немного выступает наружу и ее поверхность оказывается выпуклой около краев. И опять изображение сжимается, напоминая изображение в выпуклых зеркалах, например зеркалах заднего вида в автомобилях.

Молоко в чашке белое, поскольку свет сначала проходит через поверхность молока, а затем рассеивается в направлении наблюдателя содержащимися в молоке взвешенными частицами, например капельками жира. Рассеянный свет достаточно яркий, и из-за него мы не видим свет, отраженный от поверхности молока зеркально. Однако там, где на дне наклоненной чашки отчетливо видна полоса, взвешенных в молоке частичек мало, и поэтому свет слабо рассеивается в направлении наблюдателя. Кроме того, искривленная поверхность концентрирует отраженный от нее свет. В результате мы видим яркую бесцветную полосу.

Если режиссер требует от актера держать зеркало так, чтобы отражение его лица видели зрители или его можно было заснять на камеру, сам актер видит в зеркале не свое лицо, а камеру или зрителей. Эта иллюзия часто используется на живописных полотнах: персонаж явно смотрится в зеркало, а мы видим в зеркале его отражение.

В 1863 году Джон Генри Пеппер, профессор Политехнического института Центрального Лондона[72], придумал фокус: над сценой парит в воздухе говорящее привидение. Подобные иллюзии потом долгое время использовались в качестве интермедий на представлениях. Зритель входил в плохо освещенный шатер и видел на столе голову человека. Голова произносила слова, но под столом ничего не было. В чем секрет этих фокусов?

ОТВЕТ • Призрак Пеппера — отражение актера в установленном на сцене зеркале или большом куске стекла (рис. 6.19a). Сцена освещена тускло, а актер скрыт от глаз публики занавесом и освещен, наоборот, ярко. Зрители смотрят на сцену и видят не актера, а его отражение. Отражающую поверхность они не замечают.

Рис. 6.19 / Задача 6.62. Схема фокусов: призрак Пеппера (a) и голова без тела (б).

Тело говорящей головы спрятано за зеркалом под столом. Если смотреть под стол, видно отраженное изображение его передней ножки, но кажется, что это настоящая задняя ножка стола (рис. 6.19б). Поэтому и создается впечатление, что под столом ничего нет.

Почему в аэропортах окна диспетчерских башен пунктов управления полетом делают наклонными примерно на 15°, причем их верхний край выступает наружу? Ветровое стекло машины тоже наклонное, но, чтобы улучшить обтекаемость автомобиля, оно наклонено в противоположную сторону. Как наклон стекла влияет на обзор дороги водителем?

ОТВЕТ • Если бы окна диспетчерской башни были вертикальными, диспетчеры видели бы в них и свое отражение, и отражение пульта управления. Поскольку ничто не должно мешать их обзору того, что происходит в воздухе и на взлетно-посадочной полосе, наклоненное окно направляет ненужное отражение на черный, поглощающий свет потолок.

Поскольку ветровое стекло автомобиля наклонено внутрь, водитель видит отражение передней панели, которое накладывается на то, что он видит перед собой. Если сама эта панель или что-то на ней выглядит ярко, водитель может не заметить идущую ему навстречу темную машину.

Сколько своих отражений вы увидите, если встанете между двумя расположенными под углом друг к другу зеркалами (такие бывают в магазинах одежды, см. рис. 6.20a)? Как число отражений зависит от угла между зеркалами и места, где вы стоите? Сколько получится отражений, если добавить третье зеркало и вы окажетесь внутри треугольника, окруженные со всех сторон зеркалами? Что вы увидите, стоя между двумя параллельными (или почти параллельными) зеркалами и глядя в одно из них?

Рис. 6.20 / Задача 6.64. a) Человек, стоящий между двумя зеркалами. б) Схема расположения отражений. в) Отражения, которые вы увидите.

ОТВЕТ • Чтобы определить число ваших отражений в двух зеркалах, расположенных под углом, нарисуйте сначала вид сверху этих зеркал, а затем, двигаясь и по часовой, и против часовой стрелки к обратной стороне зеркал, постройте воображаемые зеркала так, чтобы они, как на рис. 6.20б, образовывали тот же угол, что и истинные зеркала. Каждый новый добавленный сектор содержит добавочное отражение. Затруднение может возникнуть в том случае, если добавленные за истинными зеркалами сектора пересекаются. В зависимости от того, насколько они пересекутся, и от того, где вы стоите между зеркалами, вклад этих секторов может составлять от одного до четырех изображений.