Світло та Тіні

Світло подорожує прямими лініями, тому тіні мають чіткі краї

Тінь утворюється через те, що світло подорожує прямими лініями і не може обійти непрозорий об’єкт самостійно. Десь, де об'єкт блокує безпосередній шлях від джерела світла до поверхні, ця ділянка поверхні не отримує світла – і залишається темною. Все про розмір, різкість та м’якість тіні залежить від одного простого факту: справжні джерела світла рідко коли є точкою взаємодії.

З ідеалізованим джерелом точкового випромінювання – джерелом з практично нульовим розміром, як-от дуже далека зірка – кожен промінь від цієї однієї точки, заблокований об’єктом, створює одну чітко окреслену темну область тіні, яку називають уmbrа (латинською «тінь»). Немає меж між: ділянка землі повністю освітлена або повністю темна.

жива демонстрація · пов'язана симуляція● LIVE

Реальні джерела світла мають розмір – це пояснює часткову тінь

Лампа, Сонце або ліхтарик є розширеним джерелом: у них фізична ширина, і різні точки вздовж цієї ширини відправлятиють промені в трохи різних напрямках. Це розділяє тінь на дві зони. Тінь (umbra) – це область, де об'єкт блокує світло від усіх точок джерела – повністю темна. Часткова тінь (penumbra) – це область, де об'єкт блокує світло лише від деяких точок джерела – частково освітлена і виглядає як м’який, градієнтний край навколо гострої середини.

Точкове джерело розширене джерело • ▬▬▬▬▬ (широке) | \ | / ┌───┐ ┌───┐ │obj│ │obj│ └───┘ └───┘ ████ ████ ← тінь (повністю заблоковано) (гострий край) ░░████░░ ← часткова тінь (частково заблоковано) Чим ширше джерело відносно об'єкта, або чим ближче об’єкт до джерела, тим товстішою стає часткова тінь. Перемістіть світло дуже далеко (або зробіть його дуже маленьким) і часткова тінь зменшується до нуля, наближаючись до ідеалізованого випадку з гострим краєм. Це саме тому, що тіні в полудень у сонячний день все ще мають ледь помітний м’який край, якщо уважно придивитися, навіть якщо Сонце здається маленьким на небі – воно все одно має кутову ширину приблизно півградуса.

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

Відстань змінює розмір, а не лише різкість

Переміщення об’єкта ближче до джерела світла робить його тінь більшою та збільшує промені межі пропорційно, оскільки конус заблокованого світла розповсюджується більше перед досягненням поверхні — це пряма аналогія подібних трикутників. Переміщення об’єкта ближче до приймаючої поверхні замість цього зменшує промені межі, оскільки менша відстань для відхилення частково заблокованих променів. Саме тому тіні, які ви створюєте рукою, утримуючи її близько до стіни, мають чіткі контури, а та сама рука, утримувана біля лампи і далеко від стіни, кидає величенну розмиту тінь.

Сонячні затемнення – це тінь планет

Сонячне затемнення — це ніщо інше, як тінь Місяця, яка простягається по поверхні Землі. Оскільки Сонце є розширеним джерелом, приблизно в 400 разів ширшим за Місяць (і приблизно в 400 разів далі, що пояснює їх майже однаковий вигляд на небі), тінь Місяця є вузьким конусом, який ледве досягає Землі – створюючи тонку смугу повності – тоді як його значно більша частка тіні охоплює широку область, яка відчуває лише часткове затемнення. Коли Місяць трохи занадто далеко віддалений від своєї еліптичної орбіти для того, щоб його тінь досягла Землі, спостерігачі бачать замість цього кільцеподібне затемнення: кільце сонячного світла навколо силуету Місяця.

Які кольори тіні

Тінь, освітлена лише одним джерелом світла в іншому темному приміщенні, суто чорна — безпосереднє світло не досягає її. Але на відкритому повітрі під блакитним небом регіон тіні об'єкта не повністю темний: сонячне світло, розсіяне атмосферою (той самий ефект Райлі, який робить небо блакитним), все ще опосередковано освітлює його, тому що тіні на відкритому повітрі в ясний день часто мають ледь блакитний колір, а не чистий сірий або чорний.

Frequently asked questions

Яка різниця між тіньовою півтінью та повним тінями?

Тіньова півтінь – це м’який, розмитий край навколо тіні, де об'єкт закриває світло лише від частини джерела світла. Повне затемнення – це повністю темна область тіні, де об'єкт блокує світло з усіх точок джерела.

Чому тіні стають розмитішими, коли вони падають далі від об’єкта?

Це відбувається тому, що тіньова півтінь розширюється зі збільшенням відстані від об'єкта, який її створює: промені, які обходять край об'єкта з різних точок джерела світла, розходяться ширше, коли вони подорожують далі, посилюючи розмитість краю та роблячи його м’якшим.

Чи може джерело світла, яке можна розглядати як точку, виробляти тіньову півтінь?

Ні – ідеальне джерело світла у формі точки з нульовим фізичним розміром створює абсолютно чітко окреслене повне затемнення без будь-якої тіньової півтіні, оскільки кожен промінь від джерела повністю блокується або повністю не блокується. Тіньова півтінь існує лише тому, що реальні джерела мають вимірний розмір.

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Light & Shadows і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.

▶ Відкрити симуляцію Light & Shadows

Світло та Тіні: Тінь і Частенька Тінь, Чому Тіні Мають Дві Частини