Текст книги "Девять цветов радуги"
Автор книги: Александр Штейнгауз
сообщить о нарушении
Текущая страница: 16 (всего у книги 23 страниц)
Трехкомпонентная теория в действии
В главе о зрении вскользь упоминалось о цветной фотографии и говорилось, что в настоящее время для получения цветных снимков всюду принят субтрактивный способ образования цветов. При таком способе любой хроматический цвет получается путем вычитания дополнительного хроматического цвета из белого, ахроматического. Но как это осуществляется практически, до сих пор мы не говорили.
Чтобы лучше понять суть современного метода, надо, хотя бы мысленно, проследить все стадии получения цветного изображения.
Пусть объектом съемки будет букет красных георгинов в синей вазе. Сфотографируем его трижды. Первый снимок сделаем через красный, второй– через зеленый, а третий – через синий светофильтр. В результате мы получим три цветоделенных негатива, которые условно назовем: «красный», «зеленый» и «синий», хотя все они только черно-белые. Затем, как и раньше, сделаем с них отпечатки на стеклянных пластинках или на пленке – диапозитивы.
Вы уже знаете, чем они будут отличаться друг от друга. На «красном» диапозитиве самыми прозрачными окажутся участки с изображением цветов, а изображения листьев и особенно вазы будут малопрозрачными. На «зеленом» прозрачным окажется изображение листьев, а цветы и ваза окажутся темными. На «синем» диапозитиве прозрачным будет изображение вазы, а изображения листьев и цветов будут малопрозрачными.
Если такие цветоделенные диапозитивы вставить в строенный проекционный аппарат, а затем спроектировать на экран через три соответствующих светофильтра все изображения, то при точном их совмещении получится очень хорошее (лучше, чем у Лэнда) цветное изображение. Но такой метод образования цветов является аддитивным, а не субтрактивным – ведь в данном случае суммируются потоки лучей трех основных цветов.
Цветное изображение по методу субтрактивного образования цветов можно получить только лишь после дополнительной обработки полученных диапозитивов. Эта обработка заключается в окрашивании их в соответствующие дополнительные цвета. «Красный» диапозитив после такой обработки приобретает голубой цвет, «зеленый» становится пурпурным, а «синий» окрашивается в желтый цвет. Важно запомнить, что сильнее всего окрашиваются те участки, которые были наименее прозрачными, а светлые участки остаются белыми, неокрашенными. При такой обработке прозрачное окрашивающее вещество замещает непрозрачное металлическое серебро. Чем больше было на данном участке эмульсии восстановленного серебра, тем более сильно он окрашивается.
После окраски на «красном» диапозитиве в голубой цвет окрасится изображение фона, стола и кувшина, а лимон и красная ткань останутся белыми. На «зеленом» диапозитиве ярко-пурпурным будет изображение фона, ткани и стола. На «синем» ярко-желтыми окажутся кувшин, лимон, ткань и стол.
Если точно наложить друг на друга все три диапозитива и рассматривать их на просвет в лучах белого света, мы увидим цветное изображение. Сложенные таким образом диапозитивы можно с помощью обычных устройств проектировать на экран.
В тех местах, где белому свету придется пройти через участки, окрашенные в желтый и пурпурный цвета, будем видеть красный цвет; там, где он пройдет через желтый и голубой, увидим зеленый цвет; белый свет, прошедший через голубой и пурпурный, даст синий цвет.
На таком методе и основана современная цветная фотография. Но ее практическое осуществление позволяет фотографу более простым путем добиваться нужных результатов. Снимки делаются не на обычной пленке или пластинках, а на специальной трехслойной пленке и фотобумаге. Каждый слой в них играет роль одного цветоделенного негатива или позитива.
При фотографировании не требуется никаких светофильтров, потому что каждый из трех светочувствительных слоев имеет необходимые спектральные характеристики. Самый верхний слой чувствителен к синим лучам спектра. Под ним находится слой, чувствительный к желто-зеленым лучам. А самый нижний – к красным. В каждый из слоев добавляются особые органические красящие соединения. При проявлении (обычный проявитель для этого непригоден) эти соединения приобретают цвета, окрашивая слои: верхний – желтым, средний – пурпурным, а нижний – голубым. Получившийся негатив имеет цвета, дополнительные к цветам натуры и позитива. Печатается негатив таким же способом, что и обычный, но на специальной трехслойной цветной фотобумаге. Правда, при печати для получения наиболее верной цветопередачи часто приходится пользоваться специальными корректирующими светофильтрами.
Цветная фотография применяется не только для получения художественных снимков. Очень широко ею пользуются в науке и технике, так как сведения о цвете объектов в большинстве случаев несут дополнительную, очень важную для исследователей информацию.
Мы уже говорили об аэрофотографии. Появление цветных фотоматериалов обогатило и эту область исследований. Посмотрите на два цветных аэрофотоснимка, приведенных здесь. Они сделаны с целью геологической разведки местности и составления геологической карты. Сравните их с черно-белыми аэрофотоснимками, и вы увидите, насколько они богаче содержанием, насколько больше можно почерпнуть из них сведений о местности. Они позволяют опытному дешифровщику по окраске выходящих на поверхность горных пород и даже по цвету растительности узнавать о залежах полезных ископаемых гораздо больше, чем при изучении черно-белой аэрофотографии.
Очень интересной областью цветной фотографии является так называемая спектрозональная фотография. От обычной цветной она отличается тем, что съемка ведется не в общепринятых трех основных цветах, а в двух или трех узких участках спектра. Выбор этих участков спектра зависит от цели, с которой применяется спектрозональная фотография. Если ее хотят использовать для поисков какого-либо определенного полезного ископаемого, то один или два из этих участков выбираются среди тех длин волн, которые наиболее хорошо отражает это ископаемое, а третий участок выбирается среди наиболее характерных длин волн в отраженном спектре поверхности; чаще всего это зеленый цвет, цвет растительного покрова. Печать со спектрозональных негативов ведется на цветную фотобумагу, но цвета будут получаться неестественными. Зато по ним легко будет отыскать тот самый условный, но характерный для данного полезного ископаемого цвет.
Автографы невидимок
Если бы мы продолжили исследования природы света, то следующим шагом было бы знакомство с явлением радиоактивности, с космическими лучами, со строением атома, его ядра и с самими ядерными частицами. Но хотя это и чрезвычайно интересная и важная область физики, она не связана с тем, о чем идет речь в данной книге. О ядерной физике вы можете узнать из множества научно-популярных книг и статей, опубликованных в последние годы. Здесь же, в главе о фотографии, стоит рассказать о том, как она помогает физике проникнуть в самые сокровенные тайны материи, открывая взору внимательного исследователя новые удивительные частицы.
В настоящее время еще не созданы такие микроскопы, которые помогли бы увидеть молекулы, не говоря уже об атомах и элементарных частицах. И все-таки ученые сумели обнаружить многие из таких частиц и узнать их массу, величину электрического заряда, определить энергию и скорость их перемещения.
В этом большую помощь оказала фотография. Конечно, и она не смогла увидеть сами частицы, но зато с высокой точностью запечатлела их следы. Этого уже было достаточно физикам, чтобы узнать о частицах очень многое.
Вам, наверное, приходилось наблюдать, как в глубоком ясном небе внезапно возникала узкая, непрерывно удлиняющаяся белая полоса – след летящего на большой высоте самолета. Это так называемый инверсный след. Он возникает, когда отработанные газы из двигателя попадают в холодную окружающую атмосферу. Сам самолет может лететь так высоко, что мы не увидим его невооруженным глазом, но по инверсному следу можно без труда определить направление полета, эволюции машины и хотя бы приближенно его скорость. Самолет как бы оставляет свою роспись в небе, и она, постепенно расплываясь, сохраняется еще долгое время.
Нечто подобное происходит в специальном приборе, известном под названием камеры Вильсона. Полость этой камеры заполнена паром (пар прозрачен, его не следует путать с туманом). Давление пара и его температура поддерживаются такими, что без постороннего вмешательства он не превращается в туман. Но стоит внутрь камеры попасть мельчайшей пылинке или электрически заряженному тельцу, как вокруг них тотчас же начинается конденсация пара и образуются мельчайшие капельки жидкости – туман.
Если в полость камеры через специальное окошко впустить какую-либо из элементарных частиц, обладающую достаточной скоростью, она на своем пути будет ионизировать нейтральные до того атомы пара. Ионы же, обладая электрическим зарядом, вызовут конденсацию пара вокруг себя, и таким образом частица оставит в камере свой «автограф».
В других типах камер, предназначенных для такой же цели, вместо пара применяется перегретая, легко кипящая жидкость. При движении частицы в такой жидкости на ее пути остаются мельчайшие пузырьки.
Снимок траекторий элементарных частиц в пузырьковой камере.
Изучать следы непосредственно в самой камере невозможно, это заняло бы слишком много времени и было бы не только неудобным, но и крайне неточным, тем более, что следы, оставляемые частицами, недолговечны. Поэтому ученые регистрируют следы частиц с помощью автоматического фотоаппарата, который заставляют срабатывать сами же частицы.
По характеру следов, по их длине, по тому, как меняется направление движения частиц под воздействием поля мощного постоянного магнита, установленного в непосредственной близости от камеры, ученые могут оценить свойства частиц.
Таким методом были обнаружены некоторые из известных в настоящее время частиц. Но, для того чтобы открыть хотя бы одну из них, приходилось проводить огромное количество экспериментов и делать тысячи фотографий. И только лишь на единицах из них удавалось обнаружить нечто новое.
Фотография, приведенная здесь, относится к числу исключительно счастливых – на ней среди прочих следов были обнаружены следы частиц антиматерии.
Запечатленное движение
В 80-х годах прошлого столетия врач и естествоиспытатель, большой любитель фотографии Маррей сконструировал и изготовил необычайный по виду и по своим возможностям фотоаппарат.
Фотоаппарат был очень похож на ружье. Так же как и у ружья, у него были приклад, ложе, прицел и спусковой механизм. Но вместо ствола на этом ружье был установлен телескопический (сильно приближающий) объектив, а патроны и обойму заменил барабан с установленными в нем небольшими фотопластинками. При нажатии на собачку спускового механизма барабан проворачивался, срабатывал фотографический затвор и делался снимок. Чем чаще нажимали на собачку, тем чаще делались снимки. Тренированный фотограф с помощью ружья Маррея мог сделать до 10–12 снимков в секунду – результат, небывалый по тем временам.
Как и все настоящие охотники, Маррей бродил по лесам, полям и болотам в поисках дичи. Но бесшумные выстрелы его ружья не убивали, не причиняли вреда – они приносили только пользу.
Когда появились первые фотографии Маррея, естествоиспытатели и художники были поражены тем, как плохо и неверно представляли они движения птиц и животных. Они увидели, что отдельные фазы движения животных, полученные на фотографиях, совсем не походят на то, что до сих пор они изображали в своих научных зарисовках и картинах. И, конечно же, винить в ошибках фотографию было нечего. Виноват был человеческий глаз, не поспевавший разлагать быстрые движения на отдельные их этапы, фазы.
Снимки, сделанные ружьем Маррея, в большинстве случаев рассматривали в отдельности, интересуясь лишь содержанием каждого из них.
Но иногда, чаще всего для забавы, их наклеивали на диск кинематоскопа и, вращая диск, подобно юле, получали эффект движения. На кино это было совсем непохоже. И все-таки ружье Маррея уже не было обычным фотоаппаратом. Скорее оно представляло собой одного из первых предшественников киносъемочной камеры.
Фотографическое ружье Маррея.
Первым, кому удалось успешно справиться со множеством технических трудностей и создать специальные устройства для фотографирования и воспроизведения движущихся изображений, был замечательный американский изобретатель Томас Алва Эдисон (1847–1931). Правда, вначале и у него не все шло гладко. Главной причиной неудач была непрочность пленки, на которой приходилось вести фотографирование, – она слишком часто рвалась. Только через два года после начала работы, в 1889 году, Джордж Истмен, основатель известной фирмы «Кодак», стал изготавливать пленку на нитроцеллюлозной основе. Эта пленка обладала высокими по тем временам качествами. Узнав о ней, Эдисон купил у Истмена самый длинный кусок, какой тот мог для него изготовить. Длина его была 15 метров.
Но и этого количества пленки Эдисону оказалось достаточно для съемки первого кинофильма. Он длился всего 13 секунд при частоте 48 кадров в секунду. В одном из фильмов были сняты боксирующие кошки, в другом – силач, выполняющий гимнастические упражнения.
Трудно сказать, почему Эдисон остановился на скорости съемки, равной 48 кадрам в секунду. Вероятнее всего, это объясняется тем, что инерционные свойства глаза в те времена еще не были изучены достаточно хорошо. Свои фильмы без ухудшения качества показа Эдисон мог бы растянуть во времени вдвое, если бы снизил скорость съемки до 24 кадров в секунду. В наше время, когда свойства глаза известны значительно лучше, для обычной киносъемки принята скорость, как раз равная 24 кадрам в секунду. В начале века она была даже более низкой, и этим объясняются суетливость и резкие движения персонажей старых кинофильмов, когда такие фильмы демонстрируются с помощью современной киноаппаратуры.
Движения скачущей лошади и бегущей собаки. Кинефото.
Кинетоскоп Эдисона представлял собой очень сложный, тяжелый и громоздкий аппарат. И при всем том он был так устроен, что фильм мог смотреть только один человек. Такое конструктивное решение было большой ошибкой Эдисона, и тем более досадной, что он и его сотрудники проводили успешные опыты по демонстрации фильмов на большом экране. Более того, один из помощников Эдисона создал даже звуковой фильм, использовав для этой цели фонограф.
Но великий изобретатель продолжал упорствовать в своем заблуждении. Он считал, что кино на большом экране не принесет коммерческого успеха, что техническая новинка скоро прискучит публике и она перестанет интересоваться ею. Так коммерция вступила в противоречие с прекрасной идеей и похоронила ее.
Но она недолго пребывала в забвении. В 1895 году, всего через год после того, как Эдисон приступил к «коммерческой эксплуатации» своего кинетоскопа, в Париже был впервые продемонстрирован фильм братьев Луи и Огюста Люмьеров, владельцев фабрики фототоваров. Они шли по пути, отвергнутому американцем, веря в правильность идеи большого экрана. И они доказали свою правоту. Их, а не Эдисона называет мир основоположниками современного кинематографа.
Остановись, мгновение…
Каждый из вас многое знает о современном кино, о методах съемки кинокартин. По своим изобразительным возможностям кинотехника полностью сходна с фотографией: она использует те же фотоматериалы и оптика кинокамер практически не отличается от применяемой в фотоаппаратах. Но кинематография обладает еще одним необыкновенно ценным свойством – умением запечатлевать движение, разделив его на мельчайшие последовательные этапы. Широкое применение кинематографической съемки в науке и технике целиком объясняется именно свойством разбивать какое-либо непрерывное движение на множество последовательных и неподвижных изображений, зафиксированных на пленке с огромной точностью. Эта способность останавливать или замедлять движение и показывать его этап за этапом особенно ценна в наше время – время высоких скоростей, когда большинство процессов, исследуемых в науке и используемых в технике, убыстрилось до такой степени, что сам человек уже не может с помощью своих органов чувств уследить за ними.
Вот один из примеров такого процесса.
Известно, что при аварии в воздухе члены экипажа покидают самолет и спасаются при помощи парашютов. В винтомоторных самолетах у команды всегда есть хотя бы небольшой запас времени, для того чтобы успеть благополучно покинуть падающую машину. Кроме того, скорость таких самолетов не очень велика, и встречный поток воздуха в этом случае не является особой помехой спасающимся. Другое дело – прыжок с парашютом из современного реактивного самолета, Такой самолет невозможно оставить столь же просто. На случай аварии в нем предусмотрены специальные спасательные средства. Это катапультируемые сиденья. Все члены экипажа располагаются в таких сиденьях. При необходимости они мгновенно выстреливаются в воздух и с очень большой скоростью преодолевают встречный воздушный поток, относя сидящего на безопасное расстояние. И только тогда в свои права вступает парашют.
От надежности таких сидений, четкости их работы, устойчивости положения в воздушной струе зависит жизнь человека. И поэтому конструкторы самолетов непрерывно совершенствуют катапультируемые сиденья, создавая все новые и новые типы. Однако, прежде чем рекомендовать даже очень хорошую новинку, ее надо отработать и тщательно всесторонне испытать. Ибо только эксперимент в состоянии дать точные сведения о качестве и надежности работы. Математические расчеты, к сожалению, не обладают в данном случае столь высокой точностью, чтобы на них можно было полагаться без всякой опытной проверки. Как же испытывают такое сиденье? Ведь нельзя же поставить его в самолет и выстрелить в воздух с человеком. Прежде чем сделать это, надо быть твердо уверенным, что опасность сведена до минимума. Поэтому отрабатывают конструкцию и надежность работы катапультируемого сиденья на земле. Одна из фотографий таких испытаний здесь приведена. Как видите, условия, в которых они проводятся, очень близки к реальным.
По гладкому рельсовому пути с огромной скоростью мчится тележка, разгоняемая реактивным двигателем. На ней установлена точная копия кабины нового самолета с испытываемым механизмом катапультирования. Вы видите, что на сиденье, взлетевшем над кабиной, находится человек. Не беспокойтесь, это не живой человек, а кукла, очень точная копия летчика, одетого в скафандр. Ее вес, размеры, местонахождение центра тяжести точно такие же, как и у человека. И благодаря всему этому поведение механизма катапультирования и самого сиденья будут точно такими же, как и в реальных условиях. В случае аварии все произойдет точно так же: отделится от кабины и поднимется над ней верхний колпак, а вслед за ним пороховые шашки выстрелят сиденье. И, если оно правильно сконструировано, оно будет устойчивым в воздухе.
Но обо всем этом можно узнать, только сфотографировав проведенный опыт, так как глаз не успеет рассмотреть все его этапы. Для съемки быстро протекающих процессов применяются не обычные кинокамеры, а специальные скоростные съемочные камеры, которые способны делать по многу тысяч кадров в секунду.
Тележка разгоняется по рельсам до огромной скорости с помощью ракетного двигателя. В передней части тележки установлена самолетная кабина. По команде испытателей от кабины отделяется колпак (вверху, справа), взрывается заряд катапультируемого сиденья, и оно вылетает из кабины. На сиденье находится манекен. На снимке сиденье, вылетевшее из кабины, занимает в воздухе правильное положение. Испытания проведены не зря.
Другой пример применения скоростной съемки относится тоже по преимуществу к области авиации. Но на этот раз к испытаниям тел различной формы в сверхзвуковых аэродинамических трубах. При таких испытаниях инженеров интересует, какими будут воздушные потоки возле поверхностей испытуемых тел. Изучая их, они смогут найти наилучшие формы самолетов, ракет, снарядов, обладающие наименьшим сопротивлением при движении в воздухе.
Эта задача сложна не только быстротечностью процессов. Не меньшая сложность заключается в том, что воздух прозрачен и увидеть в нем волны и завихрения обычным путем невозможно. Для того чтобы преодолеть такую трудность, применяют специальные источники света, посылающего лучи сквозь воздушный поток, и особые методы фотографирования. И только тогда невидимое невооруженным глазом становится хорошо различимым на отснятых кадрах.
В настоящее время скоростная съемочная камера со скоростью съемки, равной 100 тысячам кадров в секунду, не является особой редкостью и очень часто применяется для самых разнообразных целей. А ведь если вдуматься, это – чудо. Одну секунду можно растянуть в сутки! Взрывные процессы, вспышки молнии и любого другого электрического разряда, столкновения быстро перемещающихся тел, полет снаряда – все это может быть теперь запечатлено на фотографиях, которые отобразят мельчайшие этапы, мельчайшие изменения процесса, возникающего и прекращающегося за тысячные доли секунды.
Но кинематография умеет не только растягивать время – она в равной степени способна и на противоположное: сжать, спрессовать дни и месяцы в секунды. Этим свойством пользуются для исследования чрезвычайно медленных процессов, когда глаз не в состоянии заметить очень малые и медленные изменения.
Взгляните на циферблат часов – минутная и часовая стрелка кажутся совершенно неподвижными. И, хотя точно известно, что они вращаются, мы не в состоянии уловить их движение. По этой же причине нельзя наблюдать рост деревьев, цветов, злаков, протекание некоторых химических процессов, например кристаллизацию, и многое, многое другое.
Снимок потока газов, огибающих препятствие.
Тут-то на помощь приходит сверхмедленная кинематография.
Представим себе, что мы хотим снять кинофильм о развитии какого-либо растения. Для этого горшок, в который высажен молодой побег или даже высеяно семя, устанавливают перед автоматической камерой, делающей, к примеру, десять снимков в сутки. Для того чтобы условия освещения при фотографировании не менялись, растение в момент съемки освещается вспышкой яркой лампы. Если вести такое кинонаблюдение за растением в течение двух месяцев, получим 600 кадров. На них будут запечатлены малейшие изменения в развитии растения на протяжении 60 суток. Мы же с помощью обычного кинопроектора увидим, как тянулся к свету стебель, как развивались листья, наливались бутоны и распускались цветы, за 25–30 секунд.
Последовательные снимки падения тела в жидкость, снятые с помощью скоростной кинокамеры.
Современная скоростная кинокамера.
