Optica fizică modernă consideră lumina ca un fel de unde electromagnetice percepute de ochiul uman. Cu alte cuvinte, putem spune că lumina este radiație electromagnetică vizibilă.

lumina vizibila

După cum știți, undele electromagnetice diferă ca frecvență și lungime de undă. Și în funcție de aceste valori, radiația electromagnetică este împărțită în intervale de frecvență.

În afara opticii fizice, conceptul de „lumină” include și unde electromagnetice, nu vizibil pentru ochi uman, în domeniul infraroșu cu o lungime de undă de 1 mm - 780 nm și o frecvență de 300 GHz - 429 THz și în domeniul ultraviolet cu o lungime de undă de 380 - 10 nm și o frecvență de 7,5 10 14 Hz - 3 10 16 Hz .

Se numesc radiații infraroșii, vizibile și ultraviolete regiunea optică a spectrului. Limita superioară a domeniului optic este limita de undă lungă a radiației infraroșii, iar limita inferioară este limita de undă scurtă a radiației ultraviolete. Astfel, gama de radiații optice este de la 1 mm la 10 nm.

Cum apare lumina? Se pare că se formează ca urmare a proceselor care au loc în interiorul atomilor atunci când starea acestora se schimbă. Acest lucru creează un flux de particule numite fotoni. Nu au masă, dar au energie.

Se pare că lumina are simultan proprietățile unei unde electromagnetice și proprietățile particulelor discrete - fotoni.

Surse de lumină

Orice corp care emite unde electromagnetice cu o frecvență situată în interval lumina vizibila, poate fi numită sursă de lumină. Toate sursele de lumină sunt împărțite în naturale, create de natură însăși, și artificiale, create de oameni.

Cea mai importantă sursă naturală de lumină de pe Pământ este, desigur, Soarele. Ne oferă nu numai lumină, ci și căldură. Datorită energiei luminii solare, viața există pe planeta noastră. Lumina este emisă de Lună, stele, comete și alte corpuri cosmice. Sursele de lumină naturală pot fi nu numai corpuri, ci și fenomene naturale. În timpul unei furtuni, vedem cât de puternică lumina luminează totul în jurul unui fulger. Lumini polare, organisme vii luminoase, minerale etc. - și asta izvoare naturale Sveta.

Prima și cea mai veche sursă artificială de lumină poate fi numită focul unui foc. Ulterior, oamenii au învățat să folosească alte tipuri de combustibil și să creeze surse de lumină portabile: lumânări, torțe, lămpi cu ulei, felinare cu gaz etc. Toate aceste surse se bazau pe ardere și, împreună cu lumina, emanau o cantitate mare de căldură.

Odată cu inventarea electricității au apărut becurile electrice, care sunt încă folosite de oameni ca surse de lumină.

optică geometrică

Propagarea luminii într-un mediu transparent, reflectarea acesteia de la suprafețele reflectorizante, refracția la limita a două medii transparente are loc în conformitate cu anumite legi, al căror studiu este implicat în optica geometrică.

Pentru a studia diferite fenomene luminoase în optica geometrică, se folosesc concepte precum o sursă punctiformă de lumină și un fascicul de lumină.

Conceptul de bază al opticii geometrice este raza de lumina .

O lampă obișnuită răspândește lumina uniform în toate direcțiile. Să acoperim această lampă cu un material opac în așa fel încât lumina emisă de ea să poată trece doar printr-un mic orificiu îngust. Un flux luminos îngust va trece prin el, îndreptat de-a lungul unei linii drepte. Această linie de-a lungul căreia se propagă fasciculul de lumină se numește fascicul de lumină. Direcția acestui fascicul nu depinde de dimensiunile sale transversale.

Lumânările, felinarele, lămpile și alte surse de lumină sunt destul de bune dimensiuni mari comparativ cu distanța pe care parcurge lumina lor. Ei sunt numiti, cunoscuti surse de lumină extinse . Sursă de lumină punctuală o sursă este considerată a cărei dimensiune poate fi neglijată în comparație cu distanța la care ajunge această lumină. De exemplu, o stea cosmică, care este de fapt uriașă, poate fi considerată o sursă punctuală de lumină, deoarece distanța pe care se propagă această lumină este uriașă în comparație cu dimensiunea stelei în sine.

Luați în considerare legile de bază ale opticii geometrice.

Legea propagării rectilinie a luminii

Într-un mediu transparent omogen, lumina se propagă în linie dreaptă. Dovada acestei legi este un experiment în care lumina dintr-o sursă punctuală trece printr-o mică gaură din ecran. Ca urmare, se formează un fascicul de lumină îngust, iar într-un plan situat în spatele ecranului paralel cu acesta, apare un cerc luminos regulat centrat pe linia dreaptă de-a lungul căreia se propagă lumina.

Așezați un obiect mic între sursa de lumină și ecran. Pe ecran vom vedea umbra acestui obiect. Umbră este zona unde fasciculul luminos nu ajunge. Aspectul său se explică prin propagarea rectilinie a luminii. Dacă sursa de lumină este un punct, atunci se formează doar o umbră. Dacă dimensiunile sale sunt destul de mari în comparație cu distanța până la obiect, atunci se creează o umbră și o penumbră. La urma urmei, în acest caz, razele de lumină vin din fiecare punct al sursei. Unele dintre ele, care se încadrează în zona de umbră, evidențiază marginile acesteia și, prin urmare, creează penumbră - zona în care cad parțial razele de lumină.

Legea propagării rectilinie explică natura solarului și eclipsa de lună. Eclipsă de soare apare atunci când luna se află între soare și pământ, iar umbra lunii cade pe pământ.

Legea propagării rectilinie a luminii a fost folosită de grecii antici la instalarea coloanelor. Dacă coloanele sunt plasate strict în linie dreaptă, atunci cea mai apropiată dintre ele le va acoperi vizual pe toate celelalte.

Legea reflexiei luminii

Dacă se întâlnește o suprafață reflectorizantă pe calea fasciculului de lumină, atunci fasciculul de lumină își schimbă direcția. Razele incidente si reflectate si normala (perpendiculara) pe suprafata reflectanta, reconstituite in punctul de incidenta, se afla in acelasi plan. Unghiul dintre raze este împărțit de această normală în două părți egale. Cea mai comună formulare a legii reflexiei este: Unghiul de incidență este egal cu unghiul de reflexie". Dar această definiție nu indică direcția fasciculului reflectat. Între timp, fasciculul reflectat va merge în direcția opusă fasciculului incident.

Dacă dimensiunile neregularităților de suprafață sunt mai mici decât lungimea de undă a luminii, atunci razele incidente într-un flux paralel vor fi reflectate specular și vor merge, de asemenea, în fluxuri paralele.

Dacă dimensiunile neregulilor depășesc lungimea de undă, atunci fasciculul îngust va fi împrăștiat, iar razele reflectate vor merge în direcții diferite. Această reflecție se numește difuz, sau risipite. Dar, în ciuda împrăștierii aleatorii, legea reflexiei este îndeplinită și în acest caz. Pentru orice rază, unghiul de incidență și unghiul de reflexie vor fi egale.

Legea refracției luminii

Scufundați creionul într-o cană cu apă. Vizual, ni se pare că părea să se fi rupt în două la suprafața apei. De fapt, nu s-a întâmplat nimic cu creionul. Motivul este că un fascicul de lumină cade pe suprafața apei la un unghi și intră mai adânc în apă într-un altul. Din această cauză, dimensiunea și locația corpurilor fizice sunt distorsionate.

Schimbarea direcției unui fascicul de lumină la interfața dintre două medii transparente la unde de lumină numit refracţie Sveta.

Legea care descrie refracția undelor luminoase se numește legea lui Snell(Snell sau Snell) poartă numele autorului său, matematicianul olandez Willebrord Snell, care l-a descoperit în 1621.

Conform acestei legi, unghiul de incidență al luminii pe interfață și unghiul de refracție sunt legate prin relația:

n 1 sinƟ 1 = n 2 sinƟ 2 ,

sau păcat Ɵ 1 / păcat Ɵ 2 = n 2 / n 1 ,

Unde n 1 este indicele de refracție al mediului din care incide lumina pe interfață;

Ɵ 1 este unghiul dintre fasciculul luminos incident pe interfață și normala acestei suprafețe;

n 2 - indicele de refracție al mediului în care intră lumina după interfață;

Ɵ 2 este unghiul dintre fasciculul care trece prin interfață și normala la această suprafață.

Indicele de refracție al mediului este raportul dintre viteza luminii în vid și viteza acesteia într-un mediu dat:

n = c/v

Cu cât diferă mai mult de unitate, cu atât va fi mai mare unghiul de deviere al fasciculului de lumină în timpul trecerii de la vid la mediu.

Atitudine n 2 / n 1 numit indicele de refracție relativ .

Un fascicul de lumină care intră într-un mediu mai dens formează un unghi mai mic cu normala la această suprafață, adică este refractat în jos. Dar în realitate se pare că acest unghi, dimpotrivă, este mai mare decât unghiul de incidență. Ca urmare a acestui fapt, observăm o denaturare a dimensiunii, formei și locației obiectelor. Obiectele din apă ni se par mai mari decât sunt în realitate și sunt situate mai sus. Deci, scăldatorii greșesc adesea atunci când estimează adâncimea rezervorului. Ei văd fundul ridicat, iar adâncimea li se pare mai mică.

Datorită refracției luminii solare în atmosferă, observăm răsăritul puțin mai devreme și apusul puțin mai târziu decât s-ar produce aceste fenomene dacă nu ar exista atmosferă.

Pe baza fenomenului de refracție, sunt construite lentilele camerelor foto și cinematografice, microscoape, telescoape, binocluri și alte instrumente optice, care includ lentile optice sau prisme.

Când lumina trece de la un mediu mai dens la unul mai puțin dens (de exemplu, de la apă la aer), se poate observa reflexia internă totală a unui fascicul de lumină . Apare atunci când unghiul de incidență este egal cu o anumită valoare numită unghi limitator reflecție internă totală . În acest caz, razele incidente sunt reflectate complet de la interfață. Razele refractate dispar complet.

Acest fenomen este utilizat la LED-urile din fibră, care sunt realizate dintr-un material transparent optic. Sunt fire foarte subțiri. Lumina care intră în ele este reflectată complet de pe suprafețele laterale interioare și se răspândește pe distanțe lungi.

Optica geometrică ia în considerare proprietățile luminii fără a ține cont de teoria ondulatorie a acesteia și fenomene cuantice. Desigur, nu poate descrie cu exactitate fenomenele optice. Dar, deoarece legile sale sunt mult mai simple decât generalizarea legilor undelor, este utilizat pe scară largă în calculul sistemelor optice.

Radiații vizibile- undele electromagnetice percepute de ochiul uman, care ocupă o porțiune a spectrului cu o lungime de undă de aproximativ 380 (violet) până la 740 nm (roșu). Astfel de unde ocupă intervalul de frecvență de la 400 la 790 teraherți. Radiația electromagnetică cu aceste lungimi de undă se mai numește lumina vizibila, sau pur și simplu ușoară(în sensul restrâns al cuvântului). Ochiul uman este cel mai sensibil la lumină la 555 nm (540 THz), în partea verde a spectrului.

Radiația vizibilă intră și în „fereastra optică”, o regiune a spectrului de radiații electromagnetice care practic nu este absorbită de atmosfera terestră. Aerul curat împrăștie lumina albastră puțin mai mult decât lungimile de undă mai lungi (spre capătul roșu al spectrului), astfel încât cerul de amiază arată albastru.

Multe specii de animale sunt capabile să vadă radiațiile care nu sunt vizibile pentru ochiul uman, adică nu sunt incluse în intervalul vizibil. De exemplu, albinele și multe alte insecte văd lumina în intervalul ultraviolet, ceea ce le ajută să găsească nectar pe flori. Plantele polenizate de insecte se află într-o poziție mai bună în ceea ce privește procrearea dacă sunt strălucitoare în spectrul ultraviolet. Păsările sunt, de asemenea, capabile să vadă lumina ultravioletă (300-400 nm), iar unele specii au chiar semne pe penaj pentru a atrage un partener, vizibil doar în lumina ultravioletă.

Spectrul vizibil

Când un fascicul alb este descompus într-o prismă, se formează un spectru în care radiația de lungimi de undă diferite este refractată în unghiuri diferite. Culorile incluse în spectru, adică acele culori care pot fi obținute prin unde luminoase de o lungime de undă (sau o gamă foarte îngustă), se numesc culori spectrale. Principalele culori spectrale (care au propriul nume), precum și caracteristicile de emisie ale acestor culori sunt prezentate în tabel:

Radiația vizibilă - unde electromagnetice percepute de ochiul uman, care ocupă o porțiune a spectrului cu lungimi de undă de la aproximativ 380 (violet) până la 780 nm (roșu). Astfel de unde ocupă intervalul de frecvență de la 400 la 790 teraherți. Radiația electromagnetică cu astfel de lungimi de undă se mai numește și lumină vizibilă sau pur și simplu lumină (în sensul restrâns al cuvântului). Ochiul uman este cel mai sensibil la lumină la 555 nm (540 THz), în partea verde a spectrului.

Radiația vizibilă intră și în „fereastra optică”, o regiune a spectrului de radiații electromagnetice care practic nu este absorbită de atmosfera terestră. Aerul curat împrăștie lumina albastră puțin mai mult decât lungimile de undă mai lungi (spre capătul roșu al spectrului), astfel încât cerul de amiază arată albastru.

Multe specii de animale sunt capabile să vadă radiațiile care nu sunt vizibile pentru ochiul uman, adică nu sunt incluse în intervalul vizibil. De exemplu, albinele și multe alte insecte văd lumina în intervalul ultraviolet, ceea ce le ajută să găsească nectar pe flori. Plantele polenizate de insecte se află într-o poziție mai bună în ceea ce privește procrearea dacă sunt strălucitoare în spectrul ultraviolet. Păsările sunt, de asemenea, capabile să vadă lumina ultravioletă (300-400 nm), iar unele specii au chiar semne pe penaj pentru a atrage un partener, vizibil doar în lumina ultravioletă.

Primele explicații ale spectrului radiațiilor vizibile au fost date de Isaac Newton în cartea „Optică” și Johann Goethe în lucrarea „Teoria culorilor”, dar chiar înaintea lor, Roger Bacon a observat spectrul optic într-un pahar cu apă. La doar patru secole după aceasta, Newton a descoperit dispersia luminii în prisme.

Newton a folosit pentru prima dată cuvântul spectru (lat. spectru - viziune, aspect) în tipărire în 1671, descriind experimentele sale optice. El a făcut observația că atunci când un fascicul de lumină lovește suprafața unei prisme de sticlă la un unghi față de suprafață, o parte din lumină este reflectată și o parte trece prin sticlă, formând benzi de diferite culori. Omul de știință a sugerat că lumina constă dintr-un flux de particule (corpuscule) de diferite culori și că particulele de diferite culori se mișcă la viteze diferite într-un mediu transparent. Conform presupunerii sale, lumina roșie a călătorit mai repede decât violetul și, prin urmare, fasciculul roșu nu a fost deviat pe prismă la fel de mult ca violetul. Din această cauză, a apărut un spectru vizibil de culori.

Newton a împărțit lumina în șapte culori: roșu, portocaliu, galben, verde, albastru, indigo și violet. Numărul șapte pe care l-a ales din credința (derivată de la sofiștii greci antici) că există o legătură între culori, note muzicale, obiecte sistem solarși zilele săptămânii. Ochiul uman este relativ slab sensibil la frecvențele indigo, așa că unii oameni nu îl pot distinge de albastru sau violet. Prin urmare, după Newton, s-a propus adesea să se considere indigoul nu o culoare independentă, ci doar o nuanță de violet sau albastru (cu toate acestea, este încă inclus în spectrul tradiției occidentale). În tradiția rusă, indigoul corespunde albastrului.

Goethe, spre deosebire de Newton, credea că spectrul apare atunci când diferite componente ale luminii sunt suprapuse. Observând fascicule largi de lumină, a constatat că la trecerea printr-o prismă, la marginile fasciculului apar margini roșii-galbene și albastre, între care lumina rămâne albă, iar spectrul apare dacă aceste margini sunt apropiate suficient una de cealaltă. .

În secolul al XIX-lea, după descoperirea radiațiilor ultraviolete și infraroșii, înțelegerea spectrului vizibil a devenit mai precisă.

La începutul secolului al XIX-lea, Thomas Jung și Hermann von Helmholtz au explorat, de asemenea, relația dintre spectrul vizibil și viziunea culorilor. Teoria lor asupra vederii culorilor a presupus corect că folosește trei tipuri diferite de receptori pentru a detecta culoarea ochilor.

Caracteristicile limitelor radiațiilor vizibile

Când un fascicul alb este descompus într-o prismă, se formează un spectru în care radiația de lungimi de undă diferite este refractată în unghiuri diferite. Culorile incluse în spectru, adică acele culori care pot fi obținute prin unde luminoase de o lungime de undă (sau o gamă foarte îngustă), se numesc culori spectrale. Principalele culori spectrale (care au propriul nume), precum și caracteristicile de emisie ale acestor culori sunt prezentate în tabel:

Radiația vizibilă este un spectru de oscilații electromagnetice ale unei unde lungi de la 400 la 750 nm, constând din șapte culori (portocaliu, roșu, galben, albastru, albastru, violet, verde). Acest tip iradierea este capabilă să provoace reacții fizico-chimice în organism care sunt apropiate în parametrii energetici de , și este utilizată împreună cu aceasta. Utilizarea radiațiilor vizibile în scopuri terapeutice și profilactice se numește cromoterapie.

Acțiune asupra corpului

Quantele de radiație vizibilă au o frecvență ridicată și o energie mare. Acest lucru le oferă posibilitatea de a transfera atomii într-o stare excitată și de a le crește capacitatea de interacțiuni biochimice. Efectul biologic al radiațiilor depinde de adâncimea pătrunderii acesteia în țesuturi. Pătrunde în piele până la o adâncime de un centimetru și este absorbit de suprafața pielii. În acest caz, se eliberează căldură, care modifică procesele metabolice locale și provoacă reacții segmentare. Ca urmare, microcirculația și nutriția țesuturilor sunt îmbunătățite, sunt activate imunogeneza și eliberarea de substanțe biologic active în sânge. Influență importantă metoda afectează o persoană prin retina ochiului, așa cum este percepută prin organul vederii, având un efect reflex și indirect asupra sistemului nervos central și, ca urmare, asupra proceselor mentale din organism.

tratament de culoare

Efectul de culoare asupra unei persoane are mai multe fațete. Se crede că portocaliul, galbenul și roșul sunt culori active, în timp ce albastrul și violetul sunt pasive. S-a stabilit că culorile active sunt obositoare, în timp ce verdele și albastrul sunt revigorante. În același timp, portocaliul și roșul au un efect incitant asupra organismului, albastrul - inhibitor, iar verdele și galbenul echilibrează aceste procese. Există o părere că culoarea portocalie stimulează rinichii, culoarea galbenă se normalizează presiunea arterialăși funcționarea sistemului digestiv. Culoarea verde normalizează activitatea inimii, iar violet și albastru - funcționarea creierului. Radiația cu spectru albastru favorizează descompunerea hematoporfirinelor și este utilizată pentru a trata icterul neonatal. Efect semnificativ asupra corpului uman culoare alba. Cu lipsa ei în timpul iernii se pot dezvolta tulburările depresive din cauza reducerii orelor de lumină.

Efectele terapeutice ale radiațiilor vizibile

1. Îmbunătățirea aportului de sânge și a trofismului tisular.
2. Stabilizarea funcționării organelor iradiate.
3. efect metabolic.
4. Fotodistrugere.
5. Normalizarea funcționării sistem nervosşi starea psiho-emoţională a pacientului.

Indicatii de utilizare

1. Boli ale sistemului nervos periferic (nevrita, sindromul radicular).
2. si muschii.
3. Consecințele leziunilor traumatice ale articulațiilor, aparatului ligamentar.
4. Procese patologice ale organelor interne de natură inflamatorie.
5. Contracturi, infiltrate.
6. Vindecarea rănilor pe termen lung.
7. Degerături.

Cromoterapia cu roșu și albastru este folosită în dermatologie pentru tratamentul acneei.

Contraindicatii

1. Fotoftalmie (lezare acută a ochilor din cauza radiațiilor).
2. Procese inflamatorii acute purulente.
3. Sângerare.
4. Boli de sânge.
5. Insuficiență circulatorie.
6. Activ.
7. Neoplasme maligne.

Metodologie

Impactul se efectuează asupra părților goale ale corpului uman. Sursa de lumină poate fi lămpi solare, reflectoare medicale, emițătoare LED. Distanța de la reflector la suprafața zonei de iradiere este determinată de tipul și puterea acestor surse. Dacă impactul se efectuează asupra pielii, atunci ochii pacientului trebuie protejați cu ochelari speciali. Dozarea procedurii se efectuează în funcție de senzațiile subiective ale pacientului și în funcție de densitatea fluxului de energie. Pot fi utilizate metode de evaluare psihofiziologică a percepției culorilor. Durata procedurilor și numărul acestora sunt selectate individual. Sedinta de tratament dureaza aproximativ 20 de minute si este insotita de o senzatie de caldura usoara. Cursul tratamentului reprezintă 10 până la 20 de proceduri care sunt efectuate în fiecare zi. Dacă este necesar, se prescriu cursuri repetate de fototerapie după 4-5-6 săptămâni.

Concluzie

Efectul terapeutic al radiațiilor vizibile și-a găsit o largă aplicație în medicină. Cromoterapia este o metodă sigură și accesibilă de tratare a diferitelor boli, care practic nu are efecte secundare și complicații. Această metodă de fizioterapie poate fi combinată cu succes cu alte proceduri medicale. Ca urmare a luării unui curs de fototerapie, pacienții se simt mai bine, starea lor psiho-emoțională se îmbunătățește.

Cosmetologul Iulia Orishchenko vorbește despre cromoterapie:

Canalul TV „Rusia-1”, programul „Dimineața Rusiei”, o poveste despre cromoterapie:

- Ascultă, de ce sunt șapte culori în curcubeu?
Pentru că sunt șapte note.
De ce este o portocală portocalie?
- Ar trebui să fie așa, e albastru...

(Din conversații de la Facultatea de Fizică)

Anul trecut, am primit o scrisoare de la o profesoară de la Moscova, în care era interesată de ce sunt 7 culori în curcubeu. Această întrebare nu este atât de simplă pe cât ar părea și, la un moment dat, a fost dificilă chiar și pentru Newton. După cum știți, el a evidențiat inițial 5 culori primare ale spectrului (roșu, galben, verde, albastru și violet), la care mai târziu a adăugat portocaliu și indigo.

Reprezentanți popoare diferiteîn limbile lor, ei disting un număr diferit de culori ale curcubeului, care, în plus, se schimbă în timp. De exemplu, în 1703, locuitorii din Kiev au indicat 4 culori ale curcubeului: „În curcubeu, proprietățile sunt stacojiu, și albastru, și verde și purpuriu” ( Kolesov V.V. Istoria limbii ruse în povești. - M., Prosv., 1982).

În limbile naturale se disting culorile absolute și relative. Culori absolute - negru, alb, roșu etc., relativ - morcov, roșu închis. Numărul de culori absolute în limbile diferitelor popoare ale lumii este rareori mai mare de trei duzini, dar există limbi în care numărul lor este foarte mic: într-unul dintre triburile africane 2 (întuneric și lumină), în limba Maidu a indienilor nord-americani din California de Nord - 3 (albastru-verde, roșu, galben-portocaliu-maro), în Japonia - 4 (alb, negru, roșu, albastru-verde), în China - 5 (alb, negru, roșu, albastru-verde, galben). Apropo, în Europa au fost fixate 3 culori „primare” (la început - roșu, galben, albastru, iar mai târziu - roșu, verde și albastru), iar de pe vremea lui Newton se vorbește adesea despre 7 culori. Dar chiar și în acest caz, culorile nu sunt neapărat aceleași. În limba kazahă, de exemplu, curcubeul are șapte culori, dar culorile nu sunt aceleași. Culoarea care este tradusă în rusă ca albastru în percepția kazahă este un amestec de albastru și verde, galbenul este un amestec de galben și verde. Adică, ceea ce este considerat un amestec de culori de către ruși este considerat o culoare independentă de către kazahi. Portocala americană nu este în niciun caz portocala noastră, ci mai degrabă roșie în înțelegerea noastră. (Apropo, în cazul culorii părului, dimpotrivă, roșul este roșu.)

Desigur, de fapt, aproape culorile sunt reprezentate în curcubeu (cu excepția, de exemplu, alb, negru și gri intermediar), și poți selecta câte culori primare vrei. De ce s-a oprit Newton la șapte? Cel mai probabil, pentru că lui Newton, șapte i se părea un număr neobișnuit. Pentru a face lumea să pară mai armonioasă, astfel încât numărul de culori să corespundă numărului de tonuri de bază din scară. În general, în funcție de importanța anumitor culori și nuanțe în viața de zi cu zi a oamenilor, unele dintre ele se pot reflecta mai mult sau mai puțin în limbaj. În culturile pentru care este vital să se controleze și să se evalueze starea plantelor crescute, există multe cuvinte pentru a exprima nuanțe de verde, pentru popoarele nordice pentru alb, pentru popoarele sudice pentru galben. (Pentru a fi complet, să subliniem că există culori care nu sunt deloc în curcubeu. De exemplu, violet sau maro. Aceste culori sunt un amestec de valuri de diferite lungimi de undă și nicio parte a curcubeului nu le corespunde .)

Și pentru a fi complet sincer, atunci în natură nu există deloc flori - doar imaginația noastră creează iluzia de culoare. Lungimile de undă ale luminii vizibile (în intervalul 380-740 nanometri) pot fi numite orice culoare - nu vor ști niciodată despre asta. Dar mai întâi, mai multe despre lumină.

Lumina este o radiație electromagnetică percepută de ochiul uman. Într-un sens mai larg, acest concept include și radiațiile ultraviolete și infraroșii invizibile pentru ochiul uman. Lungimile de undă corespunzătoare variază de la 10 nanometri la 0,2 milimetri (vezi figura). Undele de frecvențe diferite se propagă diferit. De exemplu, corpul uman opac pentru partea vizibilă a spectrului, dar nu reprezintă un obstacol raze X; razele infraroșii cu o lungime mai mare de 1 micron nu pot trece printr-un strat de apă gros de câțiva centimetri, așa că apa este folosită ca filtru de protecție termică.

Cuvintele „radiații electromagnetice” înseamnă mult, dar pentru cititorul neinițiat nu înseamnă nimic. O scurtă evoluție a înțelegerii naturii luminii este următoarea: la sfârșitul secolului al XVII-lea, Isaac Newton a propus un corpuscular, iar Christian Huygens - teoria valurilor Sveta. Conform teoriei corpusculare, lumina era un flux de particule (corpusculi) emise de corpurile luminoase, iar mișcarea corpusculilor de lumină se supunea legilor mecanicii. De exemplu, reflexia luminii a fost înțeleasă în mod similar cu reflexia unei mingi elastice dintr-un plan, iar refracția luminii a fost explicată printr-o schimbare a vitezei corpusculilor la trecerea de la un mediu la altul. Teoria undelor a considerat lumina ca un proces ondulatoriu similar undelor mecanice. Teoria s-a bazat pe principiul Huygens, conform căruia fiecare punct la care ajunge o undă devine centrul undelor secundare, iar învelișul acestor unde dă poziția frontului de undă în momentul următor în timp.

După cum sa dovedit mai târziu, ambele abordări au explicat în mod satisfăcător unele fenomene, dar au fost complet nepotrivite pentru altele. În anii 60 ai secolului al XIX-lea, Maxwell a stabilit legi generale câmp electromagnetic, ceea ce l-a condus la concluzia că lumina nu este mecanică, ci unde electromagnetice. teoria electromagnetică lumina a permis să explice multe fenomene, cum ar fi interferența, difracția, polarizarea, presiunea luminii. Dar pentru a înțelege fenomenele de radiație a corpului negru, efectul fotoelectric, efectul Compton, a fost necesar să se introducă concepte cuantice, iar în 1905 Albert Einstein, aplicând ipoteza cuantică a lui Max Planck pentru a explica fenomenul efectului fotoelectric, a sugerat că o undă electromagnetică este formată din porțiuni separate - cuante de lumină, numite mai târziu fotoni.

Astfel, lumina este concepută de noi ca o formă de materie (câmp cuantic), care nu este nici valuri, nici un flux de particule, ci își prezintă proprietățile în anumite condiții. Această dualitate se numește dualitate undă-particulă a luminii. Pentru a descrie astfel de obiecte, a apărut mecanica cuantică, în care starea unei particule este descrisă de o funcție de undă.

Răspândindu-se, lumina cade, în special, pe retină - învelișul interior al ochiului, care conține receptori sensibili la lumină. Percepând radiația electromagnetică, fotoreceptorii o transformă în impulsuri electrice și o transmit ca semnal către creier. Retina umană conține 110-125 de milioane de tije, care sunt foarte sensibile la lumină și oferă vedere pe timp de noapte, și 6-7 milioane de conuri responsabile de percepția culorilor.

În funcție de sensibilitatea la diferite lungimi de undă de lumină, există trei tipuri de conuri. Conurile de tip S (scurte - scurte) sunt cele mai sensibile în partea violet-albastru, cu lungime de undă scurtă a spectrului, de tip M (mediu - mediu) - în verde-galben și de tip L (lung - lung) - în spectrul părții de lungimi de undă galben-roșu. Prezența acestor trei tipuri de conuri și tije, sensibile în partea verde smarald a spectrului, oferă unei persoane viziunea colorată. Aceasta este „teoria cu trei componente a vederii culorilor” sau „teoria tricromatică a percepției culorilor” formulată în secolul al XIX-lea (Thomas Jung, Hermann Helmholtz, James Clerk Maxwell).

Zonele de sensibilitate ale conurilor de lungime de undă medie și lungă de undă se suprapun semnificativ, astfel încât conurile de un anumit tip reacţionează nu numai la culoarea lor; ei doar reacţionează la ea mai intens decât alţii.

Noaptea, când fluxul de fotoni este insuficient pentru funcționarea normală a conurilor, doar tijele oferă viziune, astfel încât noaptea o persoană nu poate distinge culorile. Sensibilitatea unei tije este suficientă pentru a înregistra lovirea unui singur foton, sensibilitatea conurilor este de 100 de ori mai mică: trebuie loviți de la câteva zeci la câteva sute de fotoni. Bețișoarele percep lumina în principal în partea verde smarald a spectrului, așa că la amurg culoarea smarald pare mai strălucitoare decât toate celelalte.

Tijele reacţionează la lumină mai lent decât conurile - tija reacţionează la un stimul în aproximativ o sută de milisecunde. Acest lucru vă permite să fiți mai sensibil la cantități mai mici de lumină, dar vă reduce capacitatea de a percepe schimbări rapide, cum ar fi schimbări rapide de imagine. Când este atinsă luminozitatea necesară perceperii culorii, receptorii extrem de sensibili ai vederii crepusculare - tijele - sunt dezactivați automat. Tijele sunt localizate predominant la marginile retinei și sunt responsabile de vederea periferică.

Conurile percep mișcările rapide mult mai bine. Sensibilitatea la lumină a conurilor nu este mare, prin urmare, este necesară o iluminare sau o luminozitate suficientă pentru o bună percepție a culorii. Cele mai bogate în receptori de culoare sunt părțile centrale ale retinei.

Acum putem reveni la conceptul de culoare. Culoarea este o caracteristică subiectivă calitativă a radiațiilor electromagnetice în domeniul vizibil, determinată pe baza senzației vizuale fiziologice rezultate și în funcție de o serie de factori fizici, fiziologici și psihologici. Percepția culorii este determinată și de compoziția sa spectrală, contrastul de culoare și luminozitate cu sursele de lumină din jur și obiectele neluminoase. Înțelegerea acestui fapt este foarte importantă pentru designeri: galbenul pe un fundal roșu va apărea galben-verzui, iar albastrul va căpăta o nuanță verzuie.

LA mintea umană culoarea are constanță - o idee fixă ​​a culorii unui obiect ca trăsătură integrală a unui obiect familiar de observație. În special, frunzișul copacilor este inconștient recunoscut ca fiind verde chiar și sub lumina roșiatică la apus. Pentru a introduce o astfel de corecție într-o situație necunoscută, se folosesc suprafețe cu o culoare albă: compararea cu ele ca „standard”, împreună cu adaptarea ochiului, vă permite să introduceți în mod inconștient o corecție pentru iluminare. De exemplu, intrăm într-o cameră întunecată și vedem o minge neagră pe o cârpă gri, ne dăm seama că cârpa gri este de fapt o față de masă albă și presupunem că bila neagră este un măr roșu. În absența experienței de observație, senzațiile de culoare și judecățile unei persoane despre culoarea obiectelor devin incerte sau eronate. Astfel, descrierile și încercările de a reproduce culoarea „zorilor cosmice” (răsărituri și apusuri de soare pe Pământ, observate de la bordul unei nave spațiale) realizate de diferiți astronauți diferă foarte mult între ele și de culoarea acestor „zori” înregistrate în fotografii.

De-a lungul anilor, viziunea culorilor asupra lumii se schimbă. Acest lucru se datorează întunecării treptate a lentilei de-a lungul vieții, motiv pentru care culorile devin mai galbene. Ele spun povestea lui Ilya Repin, căruia la sfârșitul vieții i s-a cerut să-și restaureze propria pictură, pictată cu mulți ani mai devreme. Care a fost surpriza restauratorilor când au văzut că artistul nu se potrivea cu culoarea – acum a văzut altfel.

În plus, nu există absolut nicio modalitate de a verifica dacă vedem aceleași culori. Într-adevăr, când eram mici, îi întrebam pe adulți cum se numește cutare sau cutare culoare. Și am învățat să denumim culorile pe care le vedem așa cum ni s-a spus. În același timp, am putut vedea culorile spre care le-am arătat într-un mod complet diferit față de acești adulți.

Pentru a înțelege percepția culorilor, trebuie să știți despre o astfel de proprietate a viziunii noastre precum metamerismul. Nu toate culorile curcubeului sunt „independente” unele de altele. Unele dintre ele pot fi obținute prin amestecarea altora. De exemplu, dacă razele roșii și verzi lovesc retina ochiului în același timp, atunci vom vedea un fascicul, iar culoarea galbenă și ochiul nu vor observa înlocuirea (experimentul se poate face folosind două proiectoare, încrucișându-se pe un ecran alb razele au trecut printr-unul sau altul sticla colorata) . Acest fenomen se numește metamerism.

Metamerismul este o proprietate a vederii în care lumina de compoziție spectrală diferită poate provoca senzația aceleiași culori. Metamerismul unei culori crește odată cu scăderea saturației sale, adică cu cât culoarea este mai puțin saturată, cu atât un numar mare combinații de amestecuri de radiații de compoziție spectrală diferită, se poate obține. Florile albe sunt caracterizate de cel mai mare metamerism. Fiziologic, metamerismul vederii se bazează pe structura părții periferice a analizorului vizual. Viziunea umană este un analizor cu trei stimuli. Dacă fluxurile comparate de radiații cu compoziție spectrală diferită produc același efect asupra conurilor, atunci culorile sunt percepute ca fiind aceleași.

Descrierea matematică a culorii a marcat începutul unei noi științe - colorimetria. În 1853, Hermann Grassmann a formulat trei legi ale sintezei culorilor: legile „tridimensionalității”, „continuității” și „aditivității”. „Legea tridimensionalității” – orice culoare este reprezentată în mod unic ca o combinație de trei culori independente (independența constă în faptul că niciuna dintre aceste trei culori nu poate fi obținută prin adăugarea celorlalte două). „Legea continuității” – cu o schimbare continuă a radiației, culoarea se schimbă și ea continuu; prin urmare, orice culoare o puteți lua la infinit de aproape. „Legea aditivității” - culoarea amestecului de radiații depinde numai de culorile acestora, dar nu și de compoziția spectrală; adică culoarea unui amestec, de exemplu, de galben și violet, nu depinde de amestecul din care culori, la rândul lor, s-au obținut aceste culori galbene și violete.

Vederea culorilor este caracteristică multor specii de animale. La vertebrate (maimuțe, multe specii de pești, amfibieni) și printre insecte la albine și bondari, vederea culorilor este tricromatică, ca la oameni. La veverițele de pământ și multe specii de insecte, vederea culorilor este bicromatică, adică se bazează pe lucrul a două tipuri de detectoare de lumină, la păsări și reptile, vederea este cu patru componente. Pentru insecte, regiunea vizibilă a spectrului este deplasată către radiația cu unde scurte și include gama ultravioletă. Prin urmare, lumea culorilor insectelor este semnificativ diferită de a noastră.

În regnul animal, sunt cunoscuți analizoare de culoare cu patru și chiar cinci stimuli, astfel încât culorile percepute de oameni ca fiind aceleași pot părea diferite de animale (de exemplu, păsările de pradă văd urme de rozătoare pe căile către vizuini numai datorită faptului că luminescența ultravioletă a componentelor urinei lor).

O situație similară se dezvoltă și cu sistemele de înregistrare a imaginilor, atât digitale, cât și analogice. Deși, în cea mai mare parte, ele, ca și vederea umană, sunt trei stimuli (trei straturi de emulsie de film, trei tipuri de celule ale unei camere digitale sau matrice de scanare), metamerismul lor este diferit de cel al vederii umane. Prin urmare, culorile percepute de ochi ca fiind aceleași pot apărea diferite într-o fotografie.

Astfel, a fost fundamentată posibilitatea (până la influența condițiilor de iluminare și a subiectivității percepției culorii de către un individ) de a dezvolta metode de exprimare cantitativă a culorii sub forma unui set de trei numere. În 1860, Maxwell a propus să folosească roșu, verde, albastru ca un trio de culori independente. Sistemul aditiv corespunzător prin primele litere ale corespondentului cuvinte englezești numit RGB și în prezent domină sistemele de reproducere a culorilor pentru monitoare și televizoare.

Cu toate acestea, ochiul nostru percepe nu numai lumina emisă, ci și (în mare parte) reflectată. Problema culorii luminii reflectate diferă de cea deja luată în considerare. Amintiți-vă de vopselele obișnuite de acuarelă pe o foaie de hârtie. Un amestec de colorant roșu și verde nu produce galben. Același lucru este valabil și în cazul limitativ: dacă amesteci toate culorile paletei, nu devii alb, ci murdar. Care este diferența?

Pentru a înțelege percepția culorii reflectate, trebuie să remarcăm că atunci când radiația lovește o anumită suprafață, o parte din aceasta poate fi absorbită parțial sau complet, în timp ce cealaltă parte este reflectată. Acțiune comună radiatie electromagneticaîn toată partea vizibilă a spectrului provoacă o senzație de lumină albă, iar acțiunea separată a totalității radiațiilor rămase după absorbția unora dintre ele - colorate.

În același timp, vedem partea reflectată, adică neabsorbită, a spectrului care a căzut în ochiul nostru. Prin urmare, colorantul, perceput de noi drept portocaliu, de fapt, a absorbit toate razele, cu excepția faptului că dă senzația de portocaliu. Și asta înseamnă că suprafața reflectată este de fapt verzui-albastru. (Și dacă am putea face ca suprafața unei portocalii să strălucească, am vedea-o singuri.) În acest sens, portocalele pe care le iubim sunt de fapt de culoarea vinetelor, iar vinetele, dimpotrivă, sunt vopsite în tonuri vesele portocalii ( Vezi tabelul).

Pentru a descrie culoarea reflectată în 1951, Andy Muller a propus un model CMYK subtractiv (de la cuvintele englezești cyan, magenta, yellow, key). Acest sistem are avantaje în imprimare, fotografie color și imprimare. De exemplu, un computer furnizează culorile emise unui monitor din sistemul RGB și imprimantelor din sistemul CMYK.

Înțelegerea luminii ca undă electromagnetică este aproape de înțelegerea sunetului ca undă mecanică. Proprietatea principală a tuturor undelor, indiferent de natura lor, este că sub formă de undă, energia este transferată fără transfer de materie (cel din urmă poate avea loc doar ca efect secundar). De exemplu, după ce un val generat de o piatră aruncată în apă trece peste suprafața unui lichid, particulele de lichid vor rămâne aproximativ în aceeași poziție ca înainte de trecerea valului.

Sunetul reprezintă vibrațiile unui mediu elastic care se propagă sub formă de unde într-un mediu gazos, lichid sau solid. Într-un sens restrâns, acesta este un fenomen perceput subiectiv de urechea oamenilor și a animalelor.

O persoană aude sunet cu o frecvență de la 16 Hz la 20.000 Hz. conceptul fizic despre sunet acoperă atât sunetele audibile, cât și cele inaudibile. Sunetul cu o frecvență sub 16 Hz se numește infrasunete, peste 20.000 Hz - ultrasunete. Undele elastice de înaltă frecvență în intervalul de la 10 9 la 10 12 -10 13 Hz sunt denumite hipersunete.

Regiunea frecvențelor infrasonice este practic nelimitată de jos - în natură apar vibrații infrasonice cu o frecvență de zecimi și sutimi de herți. Gama de frecvență a undelor hipersonice este limitată de sus de factori fizici care caracterizează structura atomică și moleculară a mediului: lungimea undei elastice trebuie să fie mult mai mare decât calea liberă medie a moleculelor din gaze și mai mare decât distanța interatomică în gaze. lichide și în solide. Prin urmare, hipersunetul cu o frecvență de 109 Hz și mai mare nu se poate propaga în aer și cu o frecvență mai mare de 10 12 -10 13 Hz în solide.

Parametrii principali ai oricăror unde, inclusiv undele sonore, sunt frecvența și amplitudinea oscilațiilor. Frecvența sunetului se măsoară în herți (Hz - numărul de vibrații pe secundă). Urechea umană este capabilă să perceapă sunetul de la aproximativ 16 Hz până la 20 kHz.

Amplitudinea vibrațiilor sonore se numește presiunea sonoră sau puterea sonoră. Această valoare caracterizează intensitatea percepută a sunetului. Valoarea absolută a presiunii sonore se măsoară în unități de presiune - Pascali (Pa). Cele mai slabe sunete pe care le poate percepe urechea noastră, pragul auzului, au o amplitudine de 20 μPa, cea mai puternică - de 10 milioane de ori mai mare - 200 Pa.

Deoarece intervalul de valori este prea larg, este incomod să folosiți valorile absolute ale presiunii sonore (încercați să reprezentați grafic valori care diferă cu un factor de milioane cu o precizie acceptabilă). Prin urmare, în practică, se folosește conceptul de nivel sonor, măsurat în decibeli (dB) și caracterizându-i puterea relativă.

Nivelul sunetului este determinat de formula (unde este presiunea sunetului măsurat și este pragul de auz), adică ca logaritmul zecimal al raportului dintre valoarea absolută a presiunii sonore și valoarea pragului de auz; pe baza unor considerații, logaritmul este înmulțit cu 20. Cu această definiție, întreaga gamă de sunete audibile se încadrează în scara 0-140 dB; o diferență de 1 decibel corespunde unei modificări de volum de aproximativ 10%, iar urechea umană nu este capabilă să prindă o diferență mai mică.

Scara logaritmică, deși neobișnuită, este foarte apropiată de percepția umană a sunetului. De exemplu, o ușoară modificare a puterii unui sunet moale va da impresia unei creșteri vizibile a volumului, în timp ce o ușoară modificare a volumului unui sunet puternic va rămâne aproape imperceptibilă. Aceasta corespunde pe deplin descrierii matematice a puterii relative a sunetului folosind logaritmi.

Unele niveluri de sunet

Unda sonoră este bine transmisă la sol, așa că atunci când vrem să știm dacă trenul nostru merge undeva în apropiere, punem urechea la șină. Sunetul poate călători și prin apă - gândiți-vă la canalele de sunet din oceane. Și, în sfârșit, poate veni la noi prin aer. Ce anume și cum vine la noi?

Un organ special numit ureche este responsabil pentru percepția sunetului în corpul uman. În exterior se află așa-numita ureche exterioară, care trece în canalul urechii aproximativ 0,6 cm în diametru și aproximativ 2,5 cm în lungime, terminând membrana timpanului separând urechea externă de cea medie. Atașat de timpan este un os numit malleus. Împreună cu celelalte două - nicovala și etrierul - transmit vibrația membranei timpanice următoarei membrane ca un melc - urechea internă. Acesta este un tub cu un lichid cu un diametru de aproximativ 0,2 mm și o lungime de 3-4 cm.Vibrațiile aerului sunt prea slabe pentru a vibra direct lichidul, dar urechea medie, împreună cu membrana timpanică și membrana interioară. urechea, constituie un amplificator hidraulic: aria membranei timpanice este de multe ori mai mare decât urechea membranei interioare, astfel încât presiunea crește de zece ori.

În interiorul cohleei există un canal membranos, de asemenea umplut cu lichid, pe peretele inferior al căruia se află aparatul receptor al analizorului auditiv, acoperit cu celule piloase. Celulele părului preiau fluctuațiile fluidului care umple canalul. Fiecare celulă de păr este reglată la o frecvență sonoră specifică, cu celule reglate la frecvențe joase situate în partea superioară a cohleei, iar frecvențele înalte sunt preluate de celulele din partea inferioară a cohleei.

Astfel, mișcările benzilor provoacă vibrații ondulante în fluidul urechii interne, care sunt preluate de celulele capilare situate pe toată lungimea cohleei și transformate în impulsuri electrice. Aceste impulsuri electrice sunt apoi transmise de-a lungul nervului auditiv către creier.

Nervul auditiv este format din mii dintre cele mai fine fibre nervoase. Fiecare fibră pornește dintr-o secțiune specifică a cohleei și transmite o frecvență specifică a sunetului. Sunetele de joasă frecvență, cum ar fi sunetul unei mașini sau al trenului, sunt transmise de-a lungul fibrelor care emană din partea superioară a cohleei, iar sunetele de înaltă frecvență, cum ar fi ciripitul păsărilor, sunt transmise de-a lungul fibrelor asociate cu baza acesteia. În acest fel, diverse sunete provoacă excitarea electrică a diferitelor fibre din compoziția nervului auditiv. Aceste diferențe sunt pe care creierul este capabil să le perceapă și să le interpreteze.

Pe lângă percepția luminii, culorii și sunetului, problemele fixării lor sunt importante pentru dezvoltarea omenirii. Din păcate, am învățat să înregistrăm sunetul mult mai târziu decât să salvăm imagini: Thomas Alva Edison a inventat fonograful, care a fost folosit pentru a înregistra și a citi pe cilindri de ceară cu un ac metalic. informații sonore, abia în 1877.

Dispozitivul instalațiilor moderne de înregistrare audio digitală se bazează pe cel mai important aspect al descrierii matematice a sunetului - teorema Kotelnikov-Nyquist-Shannon, denumită altfel teorema de eșantionare. Esența teoremei este că, pentru a obține o înregistrare a sunetului de înaltă calitate, un dispozitiv digital trebuie să înregistreze sunetul de cel puțin două ori mai des decât frecvența acestui sunet.

De exemplu, cele mai simple telefoane mobile, înregistratoare de voce, robote telefonice sunt concepute pentru a transmite sau înregistra vocea unei persoane, al cărei spectru de frecvență nu depășește 3 kHz. Prin urmare, vorbirea unei persoane este înregistrată de un robot telefonic ca semnal electric de 8-11 mii de ori pe secundă (cu alte cuvinte, se utilizează o frecvență de eșantionare de 8-11 kHz). Ca un alt exemplu, cea mai mare frecvență a sunetului perceptibilă de om este de 20 kHz, așa că pentru a garanta calitatea oricărui material audio, standardul Audio CD folosește o rată de eșantionare de 44,1 kHz.

O altă caracteristică importantă a sunetului este spectrul acestuia, obținut ca urmare a descompunerii sunetului în vibrații armonice simple (așa-numita analiză de frecvență a sunetului). Spectrul este continuu, atunci când energia vibrațiilor sonore este distribuită continuu pe o gamă de frecvență mai mult sau mai puțin largă, și liniar, când există un set de componente de frecvență discrete (discontinue). Sunetul de la spectru continuu perceput ca zgomot, cum ar fi foșnetul copacilor în vânt, sunetele mecanismelor de lucru. Sunetele muzicale au un spectru de linii cu frecvente multiple; frecvența fundamentală determină înălțimea sunetului perceput de ureche, iar setul de componente armonice determină timbrul sunetului.

Posibilitatea înregistrării sunetului permite unei persoane să stocheze, să proceseze și să transmită descendenților sunetele lumii noastre.

Înțelegând exact cum vedem și auzim, realizând că lumile noastre multicolore și cu mai multe voci sunt individuale și, prin urmare, unice, știind că lumea din jurul nostru este doar a noastră și a nimănui altcuiva - la urma urmei, celelalte lumi sunt colorate diferit și sună. diferit; auzind ploaia și văzând un curcubeu în fața noastră, amintiți-vă că toate acestea sunt doar valuri. Și doar noi le înzestram cu sens, frumusețe și sunet.

Ai încercat vreodată să ții o coajă la ureche? Îți amintești? .. Așa sunăm.