Capitolul VII. Navigare.
Navigația este baza științei navigației. Metoda de navigație de navigație este de a naviga o navă dintr-un loc în altul în cel mai avantajos, mai scurt și mai sigur mod. Această metodă rezolvă două probleme: cum să direcționați nava de-a lungul căii alese și cum să-i determinăm locul în mare pe baza elementelor mișcării navei și a observațiilor obiectelor de coastă, ținând cont de influența forțelor externe asupra navei - vant si curent.
Pentru a fi sigur de mișcarea în siguranță a navei dvs., trebuie să cunoașteți locul navei pe hartă, care determină poziția acesteia în raport cu pericolele dintr-o anumită zonă de navigație.
Navigația se ocupă de dezvoltarea fundamentelor navigației, studiază:
Dimensiunile și suprafața pământului, metode de reprezentare suprafața pământului pe hărți;
Metode de calcul și trasare a traiectoriei unei nave pe hărțile nautice;
Metode de determinare a poziției unei nave pe mare prin obiecte de coastă.
§ 19. Informaţii de bază despre navigare.
1. Puncte de bază, cercuri, drepte și plane
Pământul nostru are forma unui sferoid cu o semi-axă majoră OE egal cu 6378 km,și axa minoră SAU 6356 km(Fig. 37).
Orez. 37. Determinarea coordonatelor unui punct de pe suprafața pământului
În practică, cu anumite presupuneri, pământul poate fi considerat o minge care se rotește în jurul unei axe care ocupă o anumită poziție în spațiu.
Pentru a determina punctele de pe suprafața pământului, se obișnuiește să-l împărțim mental în planuri verticale și orizontale care formează linii cu suprafața pământului - meridiane și paralele. Capetele axei imaginare de rotație a pământului sunt numite poli - nord sau nord și sud sau sud.
Meridianele sunt cercuri mari care trec prin ambii poli. Paralelele sunt cercuri mici pe suprafața pământului paralele cu ecuatorul.
Ecuator - cerc mare, al cărui plan trece prin centrul pământului perpendicular pe axa lui de rotație.
Atât meridianele, cât și paralelele de pe suprafața pământului pot fi imaginate în nenumărate numere. Ecuatorul, meridianele și paralelele formează grila de coordonate geografice a Pământului.
Locația oricărui punct A de pe suprafața pământului poate fi determinată de latitudinea (f) și longitudinea (l) .
Latitudinea unui loc este arcul de meridian de la ecuator la paralela unui loc dat. În caz contrar: latitudinea unui loc este măsurată prin unghiul central dintre planul ecuatorului și direcția de la centrul pământului către un loc dat. Latitudinea se măsoară în grade de la 0 la 90° în direcția de la ecuator la poli. La calcul, se presupune că latitudinea nordică f N are semnul plus, latitudinea sudică f S are semnul minus.
Diferența de latitudine (f 1 - f 2) este arcul de meridian cuprins între paralelele acestor puncte (1 și 2).
Longitudinea unui loc este arcul ecuatorului de la meridianul prim la meridianul unui loc dat. În caz contrar: longitudinea unui loc este măsurată de arcul ecuatorului, cuprins între planul meridianului prim și planul meridianului unui loc dat.
Diferența de longitudine (l 1 -l 2) este arcul ecuatorului, închis între meridianele punctelor date (1 și 2).
Primul meridian este meridianul Greenwich. Din aceasta, longitudinea este măsurată în ambele direcții (est și vest) de la 0 la 180°. Longitudinea vestică este măsurată pe harta din stânga meridianului Greenwich și este luată cu semnul minus în calcule; de est - la dreapta și are un semn plus.
Se numesc latitudinea și longitudinea oricărui punct de pe pământ coordonate geografice acest punct.
2. Împărțirea orizontului adevărat
Un plan orizontal imaginar mental care trece prin ochiul observatorului se numește planul orizontului adevărat al observatorului sau orizontul adevărat (Fig. 38).
Să presupunem că la punct A este ochiul observatorului, linia ZABC- verticală, HH 1 - planul orizontului adevărat, iar linia P NP S - axa de rotație a pământului.
Din multele plane verticale, doar un plan din desen va coincide cu axa de rotație a pământului și punctul A. Intersecția acestui plan vertical cu suprafața pământului dă pe el un cerc mare P N BEP SQ, numit adevărat meridian al locului, sau meridianul observatorului. Planul meridianului adevărat se intersectează cu planul orizontului adevărat și dă linia nord-sud pe acesta din urmă N.S. Linia AU. perpendiculară pe linia adevăratului nord-sud se numește linia estului și vestului adevărat (est și vest).
Astfel, cele patru puncte principale ale orizontului adevărat - nord, sud, est și vest - ocupă o poziție bine definită oriunde pe pământ, cu excepția polilor, datorită cărora se pot determina diferite direcții de-a lungul orizontului în raport cu aceste puncte.
Directii N(nord), S (sud), DESPRE(Est), W(vest) sunt numite direcții principale. Întreaga circumferință a orizontului este împărțită în 360°. Împărțirea se face din punct de vedere Nîn sensul acelor de ceasornic.
Direcțiile intermediare dintre direcțiile principale se numesc direcții sfert și se numesc NU, DECI, SW, NV. Direcțiile principale și sfert au următoarele valori în grade:
Orez. 38. Adevăratul orizont al observatorului
3. Orizont vizibil, interval de orizont vizibil
Întinderea de apă vizibilă dintr-un vas este limitată de un cerc format prin intersecția aparentă a bolții cerului cu suprafața apei. Acest cerc se numește orizontul aparent al observatorului. Gama orizontului vizibil depinde nu numai de înălțimea ochilor observatorului deasupra suprafeței apei, ci și de starea atmosferei.
Figura 39. Domeniul de vizibilitate al obiectului
Conducătorul de barca ar trebui să știe întotdeauna cât de departe poate vedea orizontul în diferite poziții, de exemplu, stând la cârmă, pe punte, așezat etc.
Intervalul orizontului vizibil este determinat de formula:
d = 2,08
sau, aproximativ, pentru înălțimea ochiului unui observator mai mică de 20 m de formulă:
d = 2,
unde d este intervalul orizontului vizibil în mile;
h este înălțimea ochiului observatorului, m.
Exemplu. Dacă înălțimea ochiului observatorului este h = 4 m, atunci raza orizontului vizibil este de 4 mile.
Intervalul de vizibilitate al obiectului observat (Fig. 39) sau, așa cum se numește, intervalul geografic D n , este suma intervalelor orizontului vizibil Cuînălțimea acestui obiect H și înălțimea ochiului observatorului A.
Observatorul A (Fig. 39), situat la o înălțime h, de la nava sa poate vedea orizontul doar la o distanță d 1, adică până la punctul B al suprafeței apei. Dacă plasăm un observator în punctul B al suprafeței apei, atunci ar putea vedea farul C , situat la o distanta d 2 de acesta ; deci observatorul situat la punct A, va vedea farul de la o distanta egala cu D n :
D n= d 1+d 2.
Gama de vizibilitate a obiectelor situate deasupra nivelului apei poate fi determinată prin formula:
Dn = 2,08(+).
Exemplu.Înălțimea farului H = 1b.8 m,înălțimea ochiului observatorului h = 4 m.
Soluţie. D n = l 2,6 mile sau 23,3 km.
Raza de vizibilitate a unui obiect este de asemenea determinată aproximativ folosind nomograma Struisky (Fig. 40). Aplicând o riglă astfel încât o linie dreaptă să conecteze înălțimile corespunzătoare ochiului observatorului și obiectului observat, se obține intervalul de vizibilitate pe scara mijlocie.
Exemplu. Găsiți intervalul de vizibilitate al unui obiect cu o altitudine de 26,2 deasupra nivelului mării m cu o înălțime a ochiului de observator deasupra nivelului mării de 4,5 m.
Soluţie. Dn= 15,1 mile (linia întreruptă în Fig. 40).
Pe hărți, direcții, în manuale de navigație, în descrierile indicatoarelor și luminilor, intervalul de vizibilitate este dat pentru înălțimea ochiului observatorului la 5 m de nivelul apei. Deoarece pe o barcă mică, ochiul observatorului este situat sub 5 m, pentru el, intervalul de vizibilitate va fi mai mic decât cel indicat în manuale sau pe hartă (vezi Tabelul 1).
Exemplu. Harta indică intervalul de vizibilitate al farului la 16 mile. Aceasta înseamnă că un observator va vedea acest far de la o distanță de 16 mile dacă ochiul său se află la o înălțime de 5. m deasupra nivelului mării. Dacă ochiul observatorului este la o înălțime de 3 m, atunci vizibilitatea va scădea în mod corespunzător cu diferența dintre intervalul de vizibilitate la orizont pentru înălțimile 5 și 3 m. Interval de vizibilitate la orizont pentru înălțimea 5 m egal cu 4,7 mile; pentru inaltime 3 m- 3,6 mile, diferență 4,7 - 3,6=1,1 mile.
În consecință, intervalul de vizibilitate al farului nu va fi de 16 mile, ci doar 16 - 1,1 = 14,9 mile.
Orez. 40. Nomograma lui Struisky
Fiecare obiect are o anumită înălțime H (Fig. 11), prin urmare domeniul de vizibilitate al obiectului Dp-MR este compus din intervalul orizontului vizibil al observatorului De=Mc și intervalul orizontului vizibil al obiectului Dn= RC:
Orez. unsprezece.
Folosind formulele (9) și (10), N. N. Struisky a alcătuit o nomogramă (Fig. 12), iar în MT-63 este dat tabelul. 22-v „Raza de vizibilitate a obiectelor”, calculată conform formulei (9).
Exemplul 11. Găsiți intervalul de vizibilitate al unui obiect cu o înălțime deasupra nivelului mării H = 26,5 m (86 ft) când înălțimea ochiului observatorului deasupra nivelului mării este e = 4,5 m (1 5 ft).
Soluţie.
1. Conform nomogramei Struisky (Fig. 12), pe scara verticală din stânga „Înălțimea obiectului observat” se marchează punctul corespunzător la 26,5 m (86 ft), pe scara verticală din dreapta „Înălțimea ochiului observatorului” marcam punctul corespunzator la 4,5 m (15 ft); legând punctele marcate cu o linie dreaptă, la intersecția acesteia din urmă cu scara medie verticală „Interval de vizibilitate” obținem răspunsul: Dn = 15,1 m.
2. Conform MT-63 (Tabelul 22-c). Pentru e = 4,5 m și H = 26,5 m, valoarea Dn = 15,1 m. Intervalul de vizibilitate al luminilor de far Dk-KR prezentat în manualele de navigație și pe hărțile maritime se calculează pentru înălțimea ochiului observatorului egală cu 5 m. Dacă înălțimea reală a ochiului observatorului nu este egală cu 5 m, atunci la intervalul Dk dat în manuale trebuie adăugată corecția A = MS-KS- = De-D5. Corecția este diferența dintre distanțele orizontului vizibil de la o înălțime de 5 m și se numește corecție pentru înălțimea ochiului observatorului:
După cum se poate observa din formula (11), corecția pentru înălțimea ochiului observatorului A poate fi pozitivă (când e> 5 m) sau negativă (când e
Deci, intervalul de vizibilitate al luminii farului este determinat de formulă
Orez. 12.
Exemplul 12. Intervalul de vizibilitate al farului indicat pe hartă este Dk = 20,0 mile.
De la ce distanță va vedea un observator focul, al cărui ochi se află la o înălțime de e = 16 m?
Soluţie. 1) conform formulei (11)
2) conform tabelului. 22-a ME-63 A=De - D5 = 8,3-4,7 = 3,6 mile;
3) conform formulei (12) Dp = (20,0+3,6) = 23,6 mile.
Exemplul 13. Intervalul de vizibilitate al farului indicat pe hartă este Dk = 26 mile.
De la ce distanță va vedea un observator de pe o barcă focul (e=2,0 m)
Soluţie. 1) conform formulei (11)
2) conform tabelului. 22-a MT-63 A=D - D = 2,9 - 4,7 = -1,6 mile;
3) conform formulei (12) Dp = 26,0-1,6 = 24,4 mile.
Se numește intervalul de vizibilitate al unui obiect, calculat folosind formulele (9) și (10). geografice.
Orez. 13.
Domeniul de vizibilitate al luminii farului sau raza optică vizibilitatea depinde de puterea sursei de lumină, de sistemul de baliză și de culoarea focului. Într-un far construit corespunzător, de obicei coincide cu aria sa geografică.
Pe vreme înnorată, intervalul real de vizibilitate poate diferi semnificativ de intervalul geografic sau optic.
ÎN În ultima vreme Cercetările au stabilit că, în condițiile de navigare în timpul zilei, intervalul de vizibilitate al obiectelor este determinat cu mai multă precizie de următoarea formulă:
În fig. Figura 13 prezintă o nomogramă calculată folosind formula (13). Vom explica utilizarea nomogramei prin rezolvarea problemei cu condițiile din Exemplul 11.
Exemplul 14. Găsiți intervalul de vizibilitate al unui obiect cu o înălțime deasupra nivelului mării H = 26,5 m, cu înălțimea ochiului observatorului deasupra nivelului mării e = 4,5 m.
Soluţie. 1 conform formulei (13)
Suprafața Pământului se curbează și dispare din vedere la o distanță de 5 kilometri. Dar acuitatea noastră vizuală ne permite să vedem mult dincolo de orizont. Dacă Pământul ar fi plat sau dacă ai sta în vârful unui munte și ai privi o zonă mult mai mare a planetei decât de obicei, ai putea vedea lumini strălucitoare la sute de kilometri distanță. Într-o noapte întunecată, puteai vedea chiar și flacăra unei lumânări situată la 48 de kilometri distanță.
Cât de departe poate vedea ochiul uman depinde de câte particule de lumină, sau fotoni, sunt emise de un obiect îndepărtat. Cel mai îndepărtat obiect vizibil cu ochiul liber este Nebuloasa Andromeda, situată la o distanță enormă de 2,6 milioane de ani lumină de Pământ. Cele un trilion de stele ale galaxiei emit suficientă lumină în total pentru a face ca câteva mii de fotoni să lovească fiecare centimetru pătrat de suprafața Pământului în fiecare secundă. Într-o noapte întunecată, această cantitate este suficientă pentru a activa retina.
În 1941, omul de știință Selig Hecht și colegii săi de la Universitatea Columbia au realizat ceea ce este încă considerat o măsură fiabilă a pragului vizual absolut - numărul minim de fotoni care trebuie să lovească retina pentru a produce conștientizarea vizuală. Experimentul a stabilit pragul în condiții ideale: ochilor participanților li sa dat timp să se adapteze complet la întunericul absolut, fulgerul de lumină albastru-verde care acționează ca un stimul avea o lungime de undă de 510 nanometri (la care ochii sunt cei mai sensibili), iar lumina a fost îndreptată către marginea periferică a retinei, umplută cu celule de baghete sensibile la lumină. 
Potrivit oamenilor de știință, pentru ca participanții la experiment să poată recunoaște un astfel de fulger de lumină în mai mult de jumătate din cazuri, de la 54 la 148 de fotoni au trebuit să lovească globii oculari. Pe baza măsurătorilor absorbției retinei, oamenii de știință estimează că, în medie, 10 fotoni sunt absorbiți de fapt de tijele retinei umane. Astfel, absorbția a 5-14 fotoni sau, respectiv, activarea a 5-14 tije indică creierului că vezi ceva.
„Acesta este într-adevăr un număr foarte mic de reacții chimice”, au remarcat Hecht și colegii săi într-o lucrare despre experiment.
Fi atent la prag absolut, luminozitatea flăcării unei lumânări și distanța estimată la care un obiect luminos se estompează, oamenii de știință au ajuns la concluzia că o persoană poate discerne pâlpâirea slabă a flăcării unei lumânări la o distanță de 48 de kilometri.
Dar la ce distanță putem recunoaște că un obiect este mai mult decât o sclipire de lumină? Pentru ca un obiect să pară extins spațial și nu punctual, lumina din acesta trebuie să activeze cel puțin două conuri retiniene adiacente - celulele responsabile de vederea culorilor. În condiții ideale, un obiect ar trebui să se afle la un unghi de cel puțin 1 minut de arc, sau o șesime de grad, pentru a excita conurile adiacente. Această măsură unghiulară rămâne aceeași indiferent dacă obiectul este aproape sau departe (obiectul îndepărtat trebuie să fie mult mai mare pentru a fi la același unghi cu cel apropiat). Luna Plină se află la un unghi de 30 de minute de arc, în timp ce Venus este abia vizibilă ca obiect extins la un unghi de aproximativ 1 minut de arc.
Obiectele de dimensiunea unei persoane se disting ca fiind extinse la o distanță de numai aproximativ 3 kilometri. În comparație la această distanță le-am putea distinge clar pe cele două
Întrebarea nr. 10.
Distanța orizontului vizibil. Raza de vizibilitate a obiectului...
Gama de vizibilitate a orizontului geografic
Fie înălțimea ochiului observatorului situată în punct A" deasupra nivelului mării, egal cu e(Fig. 1.15). suprafața Pământului sub forma unei sfere cu raza R
Razele vizuale care merg spre A" și tangente la suprafața apei în toate direcțiile formează un mic cerc KK", care se numește linia orizontului vizibilă teoretic.
Datorită densității diferite a atmosferei în înălțime, o rază de lumină nu se propagă rectiliniu, ci de-a lungul unei anumite curbe A"B, care poate fi aproximat printr-un cerc cu raza ρ .
Fenomenul de curbură a razei vizuale în atmosfera Pământului se numește refracția terestrăși de obicei mărește raza orizontului vizibil teoretic. observatorul vede nu KK", ci linia BB", care este un cerc mic de-a lungul căruia suprafața apei atinge cerul. Aceasta orizontul aparent al observatorului.
Coeficientul de refracție terestră se calculează folosind formula. Valoarea medie a acestuia:
Unghiul de refracțier determinată, după cum se arată în figură, de unghiul dintre coardă și tangenta la cercul de razăρ .
Raza sferică A"B se numește intervalul geografic sau geometric al orizontului vizibil De. Acest interval de vizibilitate nu ia în considerare transparența atmosferei, adică se presupune că atmosfera este ideală cu un coeficient de transparență m = 1.
Atunci să desenăm planul orizontului adevărat H prin punctul A unghi vertical d între H și tangenta la raza vizuală A „B se va numi înclinarea orizontului
În mesele nautice MT-75 există un tabel. 22 „Raza orizontului vizibil”, calculat folosind formula (1.19).
Gama de vizibilitate geografică a obiectelor
Gama geografică de vizibilitate a obiectelor pe mare Dp, după cum urmează din paragraful anterior, va depinde de valoare e- înălțimea ochiului observatorului, magnitudinea h- înălțimea obiectului și indicele de refracție X.
Valoarea lui Dp este determinată de cea mai mare distanță la care observatorul își va vedea vârful deasupra liniei orizontului. În terminologia profesională, există conceptul de gamă, precum și momente"deschis" Și"închidere" un reper de navigație, cum ar fi un far sau o navă. Calculul unui astfel de interval permite navigatorului să aibă informații suplimentare despre poziția aproximativă a navei în raport cu reperul.
unde Dh este intervalul de vizibilitate al orizontului de la înălțimea obiectului
Pe hărțile de navigație maritimă, intervalul de vizibilitate geografică a reperelor de navigație este dat pentru înălțimea ochiului observatorului e = 5 m și este desemnat ca Dk - intervalul de vizibilitate indicat pe hartă. În conformitate cu (1.22), se calculează după cum urmează:
În consecință, dacă e diferă de la 5 m, atunci pentru a calcula Dp la intervalul de vizibilitate de pe hartă, este necesară o modificare, care poate fi calculată după cum urmează:
Nu există nicio îndoială că Dp depinde de caracteristicile fiziologice ale ochiului observatorului, de acuitatea vizuală, exprimată în rezoluție. la.
Rezoluție unghiulară- acesta este cel mai mic unghi la care două obiecte sunt distinse de ochi ca separate, adică în sarcina noastră este abilitatea de a distinge între un obiect și linia orizontului.
Să ne uităm la Fig. 1.18. Să notăm egalitatea formală
Datorită rezoluției obiectului, un obiect va fi vizibil numai dacă dimensiunile lui unghiulare nu sunt mai mici de la, adică va avea o înălțime deasupra liniei orizontului de cel puțin SS". Evident, y ar trebui să reducă intervalul, calculat folosind formulele (1.22). Apoi
Segmentul CC reduce de fapt înălțimea obiectului A.
Presupunând că în ∆A"CC" unghiurile C și C" sunt aproape de 90°, găsim
Dacă dorim să obținem Dp y în mile și SS" în metri, atunci formula pentru calcularea intervalului de vizibilitate a unui obiect, ținând cont de rezoluția ochiului uman, trebuie redusă la forma
Influența factorilor hidrometeorologici asupra intervalului de vizibilitate a orizontului, a obiectelor și a luminilor
Intervalul de vizibilitate poate fi interpretat ca un interval a priori fără a ține cont de transparența actuală a atmosferei, precum și de contrastul obiectului și al fundalului.
Interval de vizibilitate optică- acesta este intervalul de vizibilitate, în funcție de capacitatea ochiului uman de a distinge un obiect prin luminozitatea sa pe un anumit fundal sau, după cum se spune, de a distinge un anumit contrast.
Intervalul de vizibilitate optică în timpul zilei depinde de contrastul dintre obiectul observat și fundalul zonei. Interval de vizibilitate optică pe timp de zi reprezintă cea mai mare distanță la care contrastul aparent dintre obiect și fundal devine egal cu contrastul de prag.
Interval de vizibilitate optică de noapte aceasta este raza maximă de vizibilitate a incendiului la un moment dat, determinată de intensitatea luminii și de vizibilitatea meteorologică curentă.
Contrastul K poate fi definit după cum urmează:
Unde Vf este luminozitatea fundalului; Bp este luminozitatea obiectului.
Se numește valoarea minimă a lui K pragul de sensibilitate la contrast al ochiuluiși este egală în medie cu 0,02 pentru condiții de zi și obiecte cu dimensiuni unghiulare de aproximativ 0,5°.
O parte din fluxul luminos de la luminile farului este absorbită de particulele din aer, ceea ce duce la o scădere a intensității luminii. Acesta este caracterizat de coeficientul de transparență atmosferică
Unde eu0 - intensitatea luminoasă a sursei; /1 - intensitate luminoasă la o anumită distanță de sursă, luată ca unitate.
LA 
coeficientul de transparență atmosferică este întotdeauna mai mic decât unitatea, ceea ce înseamnă raza geografica- acesta este maximul teoretic, pe care in conditii reale nu il atinge domeniul de vizibilitate, cu exceptia cazurilor anormale.
Transparența atmosferică poate fi evaluată în puncte folosind o scală de vizibilitate de la masa 51 MT-75 in functie de starea atmosferei: ploaie, ceata, zapada, ceata etc.
Astfel, apare conceptul intervalul de vizibilitate meteorologică, care depinde de transparența atmosferei.
Interval de vizibilitate nominal focul se numește interval de vizibilitate optică cu un interval de vizibilitate meteorologică de 10 mile (ד = 0,74).
Termenul este recomandat de Asociația Internațională a Autorităților Farurilor (IALA) și este folosit în străinătate. Pe hărțile interne și în manualele de navigație este indicat intervalul de vizibilitate standard (dacă este mai mic decât cel geografic).
Interval de vizibilitate standard- acesta este intervalul optic cu vizibilitate meteorologică de 13,5 mile (ד = 0,80).
Manualele de navigare „Lumuri” și „Lumini și semne” conțin un tabel cu intervalul de vizibilitate a orizontului, o nomogramă a vizibilității obiectului și o nomogramă a intervalului de vizibilitate optică. Nomograma poate fi introdusă prin intensitatea luminoasă în candele, după intervalul nominal (standard) și prin vizibilitatea meteorologică, rezultând domeniul optic de vizibilitate a incendiului (Fig. 1.19).
Navigatorul trebuie să acumuleze experimental informații despre intervalele de deschidere ale luminilor și indicatoarelor specifice din zona de navigație în diferite condiții meteorologice.
Vorbește despre proprietăți uimitoare viziunea noastră – de la capacitatea de a vedea galaxii îndepărtate până la capacitatea de a capta unde de lumină aparent invizibile.
Privește în jur în camera în care te afli - ce vezi? Pereți, ferestre, obiecte colorate - toate acestea par atât de familiare și luate de la sine înțeles. Este ușor să uităm că vedem lumea din jurul nostru doar datorită fotonilor - particule de lumină reflectate de obiecte și lovind retina.
Există aproximativ 126 de milioane de celule sensibile la lumină în retina fiecărui ochi. Creierul descifrează informațiile primite de la aceste celule despre direcția și energia fotonilor care cad asupra lor și le transformă într-o varietate de forme, culori și intensitatea iluminării obiectelor din jur.
U viziunea umană are limitele ei. Deci, nu putem vedea undele radio emise dispozitive electronice, cele mai mici bacterii nu pot fi văzute cu ochiul liber.
Datorită progreselor din fizică și biologie, limitele vederii naturale pot fi determinate. „Fiecare obiect pe care îl vedem are un anumit „prag” sub care încetăm să-l recunoaștem”, spune Michael Landy, profesor de psihologie și neurobiologie la Universitatea din New York.
Să luăm mai întâi în considerare acest prag în ceea ce privește capacitatea noastră de a distinge culorile - poate prima abilitate care ne vine în minte în legătură cu viziunea.
Drepturi de autor pentru ilustrație SPL Legendă imagine Conurile sunt responsabile de percepția culorilor, iar tijele ne ajută să vedem nuanțele de gri în lumină slabăCapacitatea noastră de a distinge, de ex. Violet din magenta este legată de lungimea de undă a fotonilor care lovesc retina. Există două tipuri de celule sensibile la lumină în retină - tije și conuri. Conurile sunt responsabile de percepția culorilor (așa-numita viziune de zi), iar tijele ne permit să vedem nuanțe de gri în lumină slabă - de exemplu, noaptea (viziune de noapte).
Ochiul uman are trei tipuri de conuri și un număr corespunzător de tipuri de opsine, fiecare dintre acestea fiind deosebit de sensibil la fotoni cu o gamă specifică de lungimi de undă luminii.
Conurile de tip S sunt sensibile la porțiunea cu lungime de undă scurtă violet-albastru a spectrului vizibil; Conurile de tip M sunt responsabile pentru verde-galben (lungime de undă medie), iar conurile de tip L sunt responsabile pentru galben-roșu (lungime de undă lungă).
Toate aceste valuri, precum și combinațiile lor, ne permit să vedem întreaga gamă de culori a curcubeului. „Toate sursele vizibilă pentru oameni„luminile, cu excepția unora artificiale (cum ar fi o prismă de refracție sau un laser), emit un amestec de lungimi de undă de diferite lungimi”, spune Landy.
Drepturi de autor pentru ilustrație Thinkstock Legendă imagine Nu întregul spectru este bun pentru ochii noștri...Dintre toți fotonii existenți în natură, conurile noastre sunt capabile să detecteze doar pe cei caracterizați prin lungimi de undă într-un interval foarte îngust (de obicei, de la 380 la 720 nanometri) - acesta se numește spectru de radiație vizibilă. Sub acest interval se află spectrele infraroșu și radio - lungimile de undă ale fotonilor de energie scăzută ai acestuia din urmă variază de la milimetri la câțiva kilometri.
De cealaltă parte a intervalului de lungimi de undă vizibile se află spectrul ultraviolet, urmat de razele X și apoi spectrul de raze gamma cu fotoni ale căror lungimi de undă sunt mai mici de trilioane de metru.
Deși majoritatea dintre noi au o vedere limitată în spectrul vizibil, persoanele cu afachie - absența lentilelor în ochi (rezultând interventie chirurgicala cu cataractă sau, mai rar, din cauza defect din nastere) - sunt capabili să vadă undele ultraviolete.
La un ochi sănătos, lentila blochează undele ultraviolete, dar în absența acestuia, o persoană este capabilă să perceapă undele de până la aproximativ 300 de nanometri lungime ca culoare alb-albastru.
Un studiu din 2014 notează că, într-un anumit sens, cu toții putem vedea fotoni în infraroșu. Dacă doi astfel de fotoni lovesc aproape simultan aceeași celulă retiniană, energia lor poate fi rezumată, transformând valuri invizibile lungime, să zicem, 1000 de nanometri in val vizibil 500 de nanometri lungime (cei mai mulți dintre noi percep undele de această lungime ca pe o culoare verde rece).
Câte culori vedem?
În ochi persoană sănătoasă trei tipuri de conuri, fiecare dintre ele capabile să distingă aproximativ 100 de nuanțe diferite de culoare. Din acest motiv, majoritatea cercetătorilor estimează numărul de culori pe care le putem distinge la aproximativ un milion. Cu toate acestea, percepția culorilor este foarte subiectivă și individuală.
Jameson știe despre ce vorbește. Ea studiază viziunea tetracromaților - oameni cu abilități cu adevărat supraomenești de a distinge culorile. Tetracromația este rară și apare în majoritatea cazurilor la femei. Ca urmare a unei mutații genetice, au un al patrulea tip de con suplimentar, care le permite, conform estimărilor aproximative, să vadă până la 100 de milioane de culori. (La oamenii care suferă daltonism, sau dicromatice, există doar două tipuri de conuri - nu disting mai mult de 10.000 de culori.)
De câți fotoni avem nevoie pentru a vedea o sursă de lumină?
În general, conurile necesită mult mai multa lumina decât betisoarele. Din acest motiv, la lumină slabă, capacitatea noastră de a distinge culorile scade, iar tijele sunt luate la lucru, oferind viziune alb-negru.
În condiții ideale de laborator, în zonele retinei unde tijele sunt în mare parte absente, conurile pot fi activate de doar câțiva fotoni. Cu toate acestea, baghetele fac o treabă și mai bună de a înregistra chiar și cea mai slabă lumină.
Drepturi de autor pentru ilustrație SPL Legendă imagine După operația la ochi, unii oameni dobândesc capacitatea de a vedea radiații ultravioleteDupă cum arată experimentele efectuate pentru prima dată în anii 1940, o cantitate de lumină este suficientă pentru ca ochii noștri să o vadă. „O persoană poate vedea un singur foton”, spune Brian Wandell, profesor de psihologie și inginerie electrică la Universitatea Stanford. „Pur și simplu nu are sens ca retina să fie mai sensibilă”.
În 1941, cercetătorii de la Universitatea Columbia au efectuat un experiment - au dus subiecții într-o cameră întunecată și au dat ochilor lor un anumit timp pentru a se adapta. Tijele necesită câteva minute pentru a obține o sensibilitate deplină; Acesta este motivul pentru care atunci când stingem luminile într-o cameră, ne pierdem capacitatea de a vedea orice pentru o perioadă.
O lumină albastră-verde intermitentă a fost apoi îndreptată către fețele subiecților. Cu o probabilitate mai mare decât șansa obișnuită, participanții la experiment au înregistrat un fulger de lumină când doar 54 de fotoni au lovit retina.
Nu toți fotonii care ajung în retină sunt detectați de celulele sensibile la lumină. Luând în considerare acest lucru, oamenii de știință au ajuns la concluzia că doar cinci fotoni care activează cinci tije diferite în retină sunt suficienți pentru ca o persoană să vadă un fulger.
Cele mai mici și mai îndepărtate obiecte vizibile
Următorul fapt vă poate surprinde: capacitatea noastră de a vedea un obiect nu depinde deloc de mărimea sau distanța sa fizică, ci de dacă cel puțin câțiva fotoni emiși de acesta ne vor lovi retina.
"Singurul lucru de care are nevoie ochiul pentru a vedea ceva este o anumită cantitate de lumină emisă sau reflectată de obiect", spune Landy. "Totul se reduce la numărul de fotoni care ajung în retină. Indiferent cât de mică este sursa de lumină, chiar dacă există pentru o fracțiune de secundă, o putem vedea dacă emite destui fotoni.”
Drepturi de autor pentru ilustrație Thinkstock Legendă imagine Ochiul are nevoie doar de un număr mic de fotoni pentru a vedea lumina.Manualele de psihologie conțin adesea afirmația că într-o noapte fără nori, întunecată, o flacără de lumânare poate fi văzută de la o distanță de până la 48 km. În realitate, retina noastră este bombardată constant de fotoni, astfel încât o singură cantitate de lumină emisă de la mare distanță se pierde pur și simplu pe fundalul lor.
Pentru a ne face o idee despre cât de departe putem vedea, să ne uităm la cerul nopții, punctat cu stele. Dimensiunea stelelor este enormă; multe dintre cele pe care le vedem cu ochiul liber ajung la milioane de kilometri în diametru.
Cu toate acestea, chiar și stelele cele mai apropiate de noi sunt situate la o distanță de peste 38 de trilioane de kilometri de Pământ, așa că dimensiuni vizibile atât de mici încât ochii noștri nu sunt în stare să le distingă.
Pe de altă parte, încă observăm stelele sub formă de surse punctiforme luminoase de lumină, deoarece fotonii emiși de ele depășesc distanțele gigantice care ne separă și aterizează pe retina noastră.
Drepturi de autor pentru ilustrație Thinkstock Legendă imagine Acuitatea vizuală scade pe măsură ce distanța până la obiect creșteToate stelele individuale vizibile pe cerul nopții sunt situate în galaxia noastră, Calea Lactee. Cel mai îndepărtat obiect de la noi pe care o persoană îl poate vedea cu ochiul liber este situat în afara Căii Lactee și este el însuși un grup de stele - aceasta este Nebuloasa Andromeda, situată la o distanță de 2,5 milioane de ani lumină, sau 37 de chintilioane km, de soarele. (Unii oameni susțin că în nopțile deosebit de întunecate vedere ascuțită le permite să vadă Galaxia Triangulum, situată la o distanță de aproximativ 3 milioane de ani lumină, dar lăsați această afirmație să rămână în conștiința lor.)
Nebuloasa Andromeda conține un trilion de stele. Datorită distanței mari, toate aceste lumini se contopesc pentru noi într-o pată de lumină abia vizibilă. Mai mult, dimensiunea Nebuloasei Andromeda este colosală. Chiar și la o distanță atât de gigantică, dimensiunea sa unghiulară este de șase ori diametrul lună plină. Cu toate acestea, atât de puțini fotoni din această galaxie ajung la noi încât abia se vede pe cerul nopții.
Limita acuitatii vizuale
De ce nu putem vedea stele individuale în Nebuloasa Andromeda? Faptul este că rezoluția sau acuitatea vizuală are limitările sale. (Acuitatea vizuală se referă la capacitatea de a distinge elemente precum un punct sau o linie ca obiecte separate care nu se amestecă cu obiectele adiacente sau cu fundalul.)
De fapt, acuitatea vizuală poate fi descrisă în același mod ca și rezoluția unui monitor de computer - în dimensiunea minimă de pixeli pe care încă suntem capabili să îi distingem ca puncte individuale.
Drepturi de autor pentru ilustrație SPL Legendă imagine Obiecte destul de luminoase pot fi văzute la o distanță de câțiva ani luminăLimitările acuității vizuale depind de mai mulți factori, cum ar fi distanța dintre conurile și tijele individuale ale retinei. Un rol la fel de important îl joacă caracteristicile optice ale globul ocular, datorită căruia nu fiecare foton lovește celula sensibilă la lumină.
În teorie, cercetările arată că acuitatea noastră vizuală este limitată la capacitatea de a distinge aproximativ 120 de pixeli pe grad unghiular (o unitate de măsură unghiulară).
O ilustrare practică a limitelor acuității vizuale umane poate fi un obiect situat la distanță de braț, de dimensiunea unei unghii, cu 60 de linii orizontale și 60 de linii verticale de culori alternative alb și negru aplicate, formând o aparență de tablă de șah. „Aparent, acesta este cel mai mic model pe care ochiul uman încă îl poate discerne”, spune Landy.
Tabelele folosite de oftalmologi pentru a testa acuitatea vizuală se bazează pe acest principiu. Cel mai faimos tabel din Rusia, Sivtsev, este format din rânduri de majuscule negre pe un fundal alb, a căror dimensiune a fontului devine mai mică cu fiecare rând.
Acuitatea vizuală a unei persoane este determinată de dimensiunea fontului la care încetează să vadă clar contururile literelor și începe să le confunde.
Drepturi de autor pentru ilustrație Thinkstock Legendă imagine Diagramele de acuitate vizuală folosesc litere negre pe un fundal albEste limita acuității vizuale care explică faptul că nu suntem capabili să vedem cu ochiul liber celulă biologică, ale căror dimensiuni sunt de doar câțiva micrometri.
Dar nu este nevoie să te întristezi din cauza asta. Capacitatea de a distinge un milion de culori, de a captura fotoni unici și de a vedea galaxii la câteva chintilioane de kilometri distanță este un rezultat destul de bun, având în vedere că vederea noastră este asigurată de o pereche de bile ca jeleu în orbitele oculare, conectate la o masă poroasă de 1,5 kg. în craniu.
