Уголковый отражатель

Уголковый отражатель

Как-то я обратила внимание, что многие элементы дороги имеют световозвращающее покрытие. Ночью все знаки и некоторые элементы дорожной разметки отражают свет. Педали, колеса и форма велосипедистов, которые имеют световозвращающие элементы, также хорошо заметны.  Одним из таких элементов является катафот.

В энциклопедическом словаре я узнала, что катафо́т (др.-греч. κατα- — «назад; вниз» + φως, fos — «свет») — устройство обеспечения безопасности, широко применяемое в дорожном строительстве и транспорте. Местом изобретения катафота принято считать Великобританию.

Катафот представляет собой оптический ретрорефлектор, построенный с использованием свойств уголкового отражателя. Наиболее широко катафоты применяются на велосипедном и автотранспорте для обозначения габаритов.

А еще это световозращатель или оптическое устройство, отражающее свет обратно к освещающему его источнику независимо от угла падения света на поверхность. Ими оборудуются все транспортные средства и опасные участки дорог. Изготавливается из стекла или пластмасс.

У меня возник вопрос: Зачем пользоваться мигалками и габаритами для ночного катания на велосипеде, если вы и так заметны? Самый простой ответ – катафоты (отражатели) велосипеда работают только в специфических условиях. Эти условия в основном присутствуют в темное время суток, поэтому у вас может возникнуть ложное впечатление, что катафоты и отражатели работают всегда. Однако если эти условия не выполняются, вы очень сильно рискуете.

Все прекрасно знают, что в катафотах, крепящихся на велосипедные колеса, нет источников света. Однако шофер, проезжающий мимо велосипедиста, видит катафот очень хорошо в момент, когда он попадает в свет фар его машины. Задумывались ли Вы, что в этот же момент запоздалые прохожие могут не видеть отсвета от отражателя? Как ни удивительно, свойства катафота основаны на простейших геометрических фактах.

Как известно из геометрической оптики, отражение луча от зеркальной поверхности происходит по закону  «угол падения равен углу отражения».

Рассмотрим плоский случай — два зеркала, образующих угол в 90°. Луч, идущий в плоскости и попадающий на одно из зеркал, после отражения от второго зеркала уйдет ровно в том же направлении, откуда пришел. Проверьте это, либо посчитав углы, либо проанализировав отражение вектора луча.

Для получения подобного эффекта в нашем обычном трехмерном пространстве необходимо расположить три зеркала во взаимно перпендикулярных плоскостях. Возьмем уголок куба, с краем в виде правильного треугольника.

Луч, попавший на такую систему зеркал, после отражения от трех плоскостей уйдет параллельно пришедшему лучу в обратном направлении. Проверьте это!

Именно это простое геометрическое устройство с его свойствами и называется уголковым отражателем. Для применения в технике делают батарею таких уголочков, увеличивая площадь отражения. Простейшие математические соображения помогают и на этом этапе — плоскость может быть замощена треугольниками, а значит, и уголковые отражатели удобно приставлять друг к другу. 

Именно так и устроен велосипедный или автомобильный катафот. Однако эти геометрические соображения используются и в гораздо более технологичных устройствах.

Когда начали конструировать луноход, никто не знал, какова поверхность земного спутника. То ли она твердая, то ли там очень много пыли, и приземлившийся аппарат должен в ней плавать. Шли долгие дебаты, в которых точкой стала записка Сергея Павловича Королева (1907-1966): «Следует рассчитывать на достаточно твердый грунт типа пемзы. [...] Королев». Вот так великие ученые не боялись решать труднейшие вопросы и брать на себя всю ответственность.

17 ноября 1970 года в районе Моря дождей на Луну приземлилась станция, названная в сообщении главного информационного агентства нашей страны — Телеграфного агентства Советского Союза (ТАСС) —  «Луна-17». На поверхность Луны спустился советский аппарат, оставивший первую колею на спутнике Земли —   «Луноход-1». Управлялся он водителями с Земли, которые через телекамеры могли видеть небольшой участок лунной поверхности перед аппаратом. Рассчитанный на работу в течение трех земных месяцев, аппарат отработал втрое больше — в  течение 11 лунных дней. Последний сеанс связи с первым луноходом состоялся 14 сентября 1971 года. За это время «Луноход-1» прошел расстояние в 10 км 540 м, сделав кольцо и  вернувшись в исходную точку.

Удивительно, но на луноходе были установлены уголковые отражатели! Во-первых, они давали возможность любой стране проверить наличие советского аппарата на Луне. А самое главное, такое простейшее геометрическое устройство помогало науке измерять расстояние до спутника Земли. Ученые всех стран использовали уголковые отражатели «Лунохода-1» еще даже в XXI веке.

Вот так простейшие геометрические соображения помогают людям, начиная от бытовых вопросов безопасности и заканчивая познанием Вселенной.

Игрокам в бильярд издавна знакомо действие отражения. Их «зеркала» — это борта игрового поля, а роль луча света исполняют траектории шаров. Ударившись о борт возле угла, шар катится к стороне, расположенной под прямым углом, и, отразившись от нее, движется обратно параллельно направлению первого удара.

Свойство отраженного луча сохранять направление при повороте углового зеркала вокруг оси находит широкое применение в технике. Так, в трехгранном зеркальном уголковом отражателе луч сохраняет постоянное направление, несмотря на весьма сильные качания зеркала. По форме такое зеркало представляет собой кубик с отрезанным уголком. И в этом случае на практике используют не три зеркала, а соответствующую стеклянную призму с зеркальными гранями.

Важной областью применения трехгранного зеркала служит уголковый отражатель (кошачий глаз, катафот) на велосипедах, мотоциклах, сигнальных предохранительных щитах, ограничителях проезжей части улицы. С какой бы стороны ни упал свет на такой отражатель, световой рефлекс всегда сохраняет направление источника света.

Большую роль трехгранные зеркальные уголковые отражатели играют в радиолокационной технике. Самолеты и крупные стальные корабли отражают луч радара. Несмотря на значительное рассеяние его, той небольшой доли отраженных радиоволн, которая возвращается к радару, обычно достаточно для распознания объекта.

Хуже обстоит дело с маленькими суденышками, сигнальными поплавками и пластиковыми парусными яхтами. У небольших предметов отражение слишком слабое. Пластиковые яхты так же «прозрачны» для радиоволн, на которых работает радарная техника, как оконные стекла для солнечного света. Поэтому парусные яхты и сигнальные буйки оснащают металлическими уголковыми отражателями. Длина граней у такого «зеркала» всего около 30 см , но этого довольно, чтобы возвращать достаточно мощное эхо.

Вернемся еще раз к угловому зеркалу из двух соединенных зеркал. Качнем его ось вправо или влево — наше изображение тоже наклонится в сторону. Мы можем даже положить его, если поместим ось зеркала горизонтально. Но, наклонив зеркало еще дальше, мы заметим, что изображение «выпрямляется».

Угловое зеркало имеет плоскость симметрии, которая делит пополам пространство между обоими зеркалами. При соответствующей форме оно может иметь еще одну плоскость, перпендикулярную зеркалам, но она здесь не рассматривается. Нас интересует только плоскость симметрии, проходящая между зеркалами, в которой, так сказать, взаимно отражаются оба зеркала.

Каждая плоскость симметрии меняет, как нам уже известно, правое на левое (и наоборот). Но это несколько упрощенное восприятие. Если бы плоскость симметрии умела говорить, она бы заявила: «Я не меняю ни правое на левое, ни верх на низ. Я вообще не знаю, что это такое. Я лишь точка за точкой отображаю все, что находится по одну или другую сторону от меня. Если человек своей продольной осью встанет параллельно моей оси, я поменяю ему правую и левую стороны, но если тот же человек своей продольной осью расположится перпендикулярно моей оси (ибо я всегда остаюсь неизменной), то я поменяю то, что люди называют верхом и низом». Как видим, все зависит от точки зрения.

Но в конечном итоге истинно то, что можно измерить и сосчитать. Сегодня мы не видим особого достижения в том, что Снеллиус измерил углы падения и отражения луча. Но мы не должны забывать, что ученые XVI в. подобными открытиями ломали более чем двадцативековую традицию.

Среди секретов телевидения известен трюк с уменьшением исполнителя, который на фоне всей окружающей обстановки «в натуральную величину» выглядит маленькой куколкой. Иногда зритель может видеть актера одновременно в двух масштабах: на переднем плане в обычную величину, а на заднем в уменьшенном.

Тому, кто искушен в фотографии, понятно, как достигается подобный эффект. Сначала снимается уменьшенный вариант, а потом актер играет перед экраном, на который проецируется его уменьшенное изображение
Известный «чародей» Иохен Цмек в своей увлекательной книге «Волшебный мир магии» описывает, как подобные чудеса можно делать без фотографии. Когда уменьшенный предмет должен сам собой появиться в пространстве, с помощью вогнутого зеркала его изображение проецируется таким образом, чтобы он казался стоящим на подставке.

Иллюзионист Александр Фюрст строил этот трюк следующим образом. Зритель видел маленькую сцену с сильно уменьшенными артистами. Чтобы спроецировать их в таком виде на экран, Фюрст использовал в своем сооружении угловое зеркало. Именно перед ним двигались артисты. Но зеркало переворачивало их на 180° и ставило тем самым «на голову», и уже это изображение вогнутое зеркало, еще раз перевернув, отбрасывало на маленькую сцену. Непременным условием эффекта была безупречная чистота всех зеркал.

Вот основные условия, при которых светоотражающий эффект велоэкипировки может быть значительно ослаблен:

1. Свет фар может не попадать на светоотражающие элементы велосипеда;
2. Угол попадания света может быть неподходящим, так что отражатели не будут работать;
3. Глаза водителя могут смотреть под другим углом, чем свет, которые возвращается от отражателей велосипеда в другую сторону;
4. Туман может полностью блокировать эффект отражателей (катафот);
5. У водителя может быть грязная, плохо настроенная или перегоревшая фара;
6. Поверхность отражателя (катафоты) может быть грязной.

Этот список неполный, но суть одна: существует масса факторов, которые могут препятствовать полноценной работе отражателей и катафот на велосипеде. Статистика ночных ДТП с участием велосипедистов показывает это. Чтобы понять, почему могут не работать отражатели и даже задние фонари на велосипедах, стоит обратиться к инженерно-технической терминологии. Мы рассмотрим такие понятия как угол попадания света, угол обзора, конус света, положение на дороге.

Угол попадания света

Отражатели и катафоты велосипеда наиболее эффективны, если луч света падает на них строго перпендикулярно. То есть если машина движется прямо сзади, то отражатели будут светить ярче, чем, если машина будет выходить из-за поворота, и фары будут освещать катафоты под углом. Угол попадания света обозначает то, насколько перпендикулярно свет падает на отражатели и катафоты велосипеда. Отражатели максимально эффективны при угле до 10 градусов. Чем больше угол отклонения от перпендикуляра, тем сильнее снижается яркость отражаемого света. При угле 60 градусов отражаемый свет практически незаметен.

Угол обзора

Чтобы понять этот эффект попробуйте проделать такой эксперимент. Возьмите фонарик, поднесите его как можно ближе к глазам и посветите им на зеркало. Свет будет достаточно яркий. Однако, если вы отведете от глаз руку с фонариком и снова направите луч света на зеркало, то свет будет темнее. Получается, что чем ближе источник света находится к глазам, тем сильнее будет отражаемый свет. Катафота – это то же самое зеркало. Это понятие называется угол зрения – угол между лучом света, направленным к катафоте и лучом, отраженным к вашим глазам. Для того, чтобы отражатели и катафоты велосипеда были максимально яркими для водителей машин, угол зрения должен быть не больше 0,2 градуса! В большинстве реальных ситуаций этот угол значительно отличается. Отражатели и катафоты велосипеда могут быть заметны и при углах до 1,5 градусов, цифра довольно реалистичная для водителей легковых автомобилей. Вопрос как быть с водителями фур, голова которых может быть на три метра выше уровня фар? Если же одна фара автомобиля неправильно настроена или неисправна, то угол обзора может еще сильнее измениться.

Как светят фары автомобиля

Фары автомобиля направлены вниз и немного направо. Поэтому велосипеды на перекрестках, а также движущиеся навстречу могут быть плохо заметны водителям. Угол освещения фар автомобиля также может сильно отличаться, тем более в нашей стране, где техосмотр часто делается формально. Есть определенные нормативы угла светового пучка автомобиля, но они могут сильно различаться в реальности. В любом случае, не стоит доверять свою жизнь катафоте в темное время суток!

Положение велосипеда на дороге

Статистика ДТП в темное время суток с участием велосипедистов дает интересные выводы. Только четверть из них происходит при наезде сзади. Три четверти происходит при наезде автомобиля спереди. Это наиболее важный момент, который нужно всегда помнить, выезжая на велосипеде в темное время суток.

Итак, еще раз: ДТП при наезде на велосипедиста сзади не такая большая проблема как многим кажется, однако это не избавляет вас от необходимости купить парочку задних фонарей для велосипеда. ДТП при наезде на велосипедиста спереди доминируют и днем и ночью. Ночью свет фар встречного автомобиля может быть ослепительно ярким и вам может казаться, что вы прекрасно освещены и заметны. Однако водитель встречного автомобиля на самом деле видит лишь небольшое освещенное пятно дороги прямо перед ним. В связи с ограниченным углом освещения фар автомобиля, довольно легко вылететь из тьмы прямо перед машиной. Помните это, вызжая на перекрестки. Даже если автомобиль вам хорошо виден, это не значит, что вы так же заметны водителю. Три четверти ДТП в темное время суток с участием велосипедистов связано с наездом на велосипедиста спереди и только одна четверть связана с наездом автомобиля сзади. Поэтому помимо отражателей и мигалок сзади, обязательно нужно иметь мигалку спереди!

 Литература

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.etudes.ru