Światło i cienie: Umbra, penumbra i dlaczego cienie mają dwie części

Światło podróżuje w prostej linii, więc cienie mają krawędzie

Cień powstaje, ponieważ światło podróżuje w prostej linii i nie może samodzielnie odbijać się od niewidzialnego ciała. Gdziekolwiek ciało blokuje bezpośredni ścieżkę z źródła światła do powierzchni, ta kawałek powierzchni nie otrzymuje światła — i pozostaje ciemny. Cały rozmiar, ostrość i miękkość cienia wynikają z jednej prostej fakty: prawdziwe źródła światła są prawie nigdy niezmiernie małe.

Z idealnym źródłem punktowym — źródłem o praktycznie zerowej wielkości, jak bardzo oddalone gwiazdowe ciało — każda promieniująca z tego jednego punktu i blokująca ciało produkuje jedno doskonale ostrobrzegowe ciemne obszar nazywany umbrą (łacińskie "cień"). Nie ma nic pośredniego: punkt na ziemi albo jest całkowicie oświetlony, albo całkowicie mrok.

Przepaszczać się z źródłami światła ma rozmiar — stąd pochodzi półtromba

Lampa, Słońce lub latarnia to źródło rozszerzone: mają fizyczny wymiar, a różne punkty na tym wymiarze wysyłają promienie w nieco innych kierunkach. To dzieli cień na dwie zony. Umbrą nazywamy obszar, gdzie przedmiot blokuje światło z każdego punktu źródła — całkowicie ciemny. Półtrombę (od łaciny paene, „praktycznie”, plus umbra) nazywamy obszarem, gdzie przedmiot blokuje światło tylko z niektórych punktów źródła — częściowo oświetlony, co sprawia, że wygląda jak miękka, przeliniowana krawędź wokół jasnej koncepcji.

poziom źródła rozszerzone źródło • ▬▬▬▬▬ ( szeroki ) | \ | / ┌───┐ ┌───┐ │obj│ │obj│ └───┘ └───┘ ████ ████ ← umbrą (całkowicie zablokowany) (jasna krawędź) ░░████░░ ← półtrombą (częściowo zablokowany) Wysoka szerokość źródła w stosunku do przedmiotu, lub bliskość przedmiotu do źródła, powoduje, że półtromba staje się grubszym. Przesunięcie światła bardzo daleko (lub zmniejszenie jego rozmiaru) spowoduje zanikanie półtromby w kierunku zera, zbliżającą się do jasnej koncepcji idealizowanej. To dokładnie dlaczego cienie na słońcu o godzinie południowej nadal mają miękką, przeliniowaną krawędź, nawet jeśli Słońce wydaje się małe w niebie — nadal ma szerokość kątową około pół stopnia.

point source            extended source
      •                    ▬▬▬▬▬ (wide)
      |                     \ | /
    ┌───┐                  ┌───┐
    │obj│                  │obj│
    └───┘                  └───┘
     ████                   ████        ← umbra (fully blocked)
   (sharp edge)          ░░████░░       ← penumbra (partially blocked)

Zmiana odległości wpływa na rozmiar, nie tylko ostrość

Przesunięcie obiektu bliżej źródła światła powoduje, że jego cień staje się większy i półcienie proporcjonalnie szersze, ponieważ stożek zablokowanego światła rozszerza się bardziej przed dotarciem do powierzchni — to proste geometria podobnych trójkątów. Przesunięcie obiektu bliżej powierzchni odbiorczej spowalnia półcienie, ponieważ jest mniej odległości, w której promienie częściowo zablokowane mogą się rozprzestrzenić. To dlatego cienie ręki trzymanej blisko ściany są ostre, ale ta sama ręka trzymana blisko lampy i daleko od ściany wydaje duży, rozmyty cień.

Eklepsje to cienie na skalę planety

Eklepsja słońca jest niczym więcej jak tylko cień Księżyca przechodząca po powierzchni Ziemi. Ponieważ Słońce jest źródłem rozproszonym, około 400 razy większym od Księżyca (a jest również około 400 razy dalejsze, co sprawia, że oba ciała wydają się prawie takie same w powietrzu), cień Księżyca, umbrata, jest natarciem sztyletu, które barely dociera do Ziemi — tworząc cienki pas całkowitej eklepsji. Jego większa i szeroka półumbrata pokrywa obszar, który doświadczy tylko częściowej eklepsji. Gdy Księżyca orbita eliptyczna jest nieco za daleko, aby jej cień docierała do Ziemi, obserwatorzy widzą zamiast tego eklepsję annularną: pasek słońca wokół sylwetki Księżyca.

Jaka koloru na самом деле тень действительно является

Tromba stworzona tylko przez jedno lampe w pokoju, który jest w przeciwnym razie ciemny, jest podstawowo czarna — żaden bezpośredni światło nie dotyka jej. Ale na zewnątrz pod niebieskim niebem, obszar znajdujący się w cieniu obiektu nie jest całkowicie ciemny: słońce rozproszone przez atmosferę (taka sama Rayleighowa difracja, która sprawia, że niebo jest niebieskie) nadal oświetla go pośrednio, co jest powodem, dla którego cienie na jasne dni zewnętrzne często wyglądają lekko niebiesko, a nie czysto szare lub czarne.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Light & Shadows i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.