78. Тайны оконного стекла

А Когда вы, выключив свет, привыкнете к темноте, взгляните на световой прямоугольник на белой стене, созданный уличным фонарем, светящим вам в окно. Вы увидите в этом прямоугольнике странные вещи: каждое из стекол создает красивый полосатый узор.

На рис. 103 показан образец такого узора. Посмотрите на стекло: оно кажется чистым и однородным и на взгляд, и на ощупь. Откуда же берется этот узор?

Рис. 103

Б Возьмите лист белой бумаги и расположите его параллельно стеклу в 10-20 см от последнего. Никаких узоров на бумаге вы не обнаружите. Отодвигайте теперь бумагу от окна. Узор будет проявляться, причем контрастность его будет увеличиваться.

Второй эксперимент. Станьте у стены, в падающем на нее световом потоке, закройте один глаз и, глядя на фонарь, перемещайтесь поперек полос (если вы попали в прямоугольник В, перемещайтесь в горизонтальном направлении, в Л - в вертикальном).

Разум показывает человеку не токмо внешний 
вид, красоту и доброту каждого предмета, 
но и снабдевает его действительным 
оного употреблением.

Козьма Прутков "Мысли и афоризмы", № 89а.

В Во втором эксперименте, перемещаясь, вы увидите, что уличный фонарь мерцает: то вспыхивает, то ослабевает. Кроме того, он не остается на месте, а беспорядочно смещается (вправо - влево в прямоугольнике В, вверх - вниз в прямоугольнике А). Это означает, что угол преломления в стекле беспорядочно меняется от точки к точке. Видимо, толщина стекла непостоянна. И хотя изменения толщины не обнаруживаются непосредственно (лист стекла всегда нам кажется образцовой плоскостью), они легко проявляют себя косвенно: малая кривизна неровности не лишает ее свойств линзы, а только делает эту линзу очень длиннофокусной.

На рис. 104 показан разрез оконного стекла С. Левая поверхность его показана неровной (неровности сильно преувеличены). Правая поверхность изображена плоской только для простоты построения хода лучей. Качественно картина от этого не изменилась. Мы видим, что такое стекло можно считать состоящим из чередующихся плоско-выпуклых (1, 3, 5, 7) и плоско-вогнутых (2, 4, 6) линз с различной кривизной поверхности и, следовательно, с различными фокусными расстояниями.

Рис. 104

Лист бумаги в эксперименте располагался настолько близко к стеклу (плоскость АА'), что ни одна из линз еще не успела заметно сконцентрировать или рассеять лучи. Поэтому освещенность листа была практически ровной. Однако, отодвинув лист в плоскость ББ', мы уже получили бы яркие полосы от линз 1 и 3, окруженные более темными от линз 2 и 4, и не очень яркую - от 7 (еще не сфокусировавшей свои лучи). В плоскости В В' были бы яркие полосы от линз 3 и 7, темные - от 2, 4 и 6 и не очень яркая от 1 (уже перефокусировавшей свои лучи). Таким образом, с увеличением расстояния до экрана состав полос в изображении меняется случайным образом.

А почему мы видим полосы, а не пятна? Если неровности стекла случайны поперек листа, то почему они не случайны вдоль него? Потому что обычно строительное листовое стекло получают путем проката (или протяжки). При этом каждая неровность прокатных валков оставляет "борозду" на всем протяжении листа. Поэтому "линзы", из которых состоит оконное стекло, являются цилиндрическими и фокусируют только в одной плоскости.

Борозды в стекле А (рис. 103), в отличие от В, горизонтальны. Это стекло было вырезано из листа иначе, с поворотом на 90е. Стекло Г не клетчатое. Просто окно двойное, и два стекла Г вырезаны случайно так, что их борозды оказались взаимно перпендикулярными, в то время как у двух стекол В - параллельными. Ну, а стекло Б? Почему оно не дало полос? Возможно, оно высшего класса и его неровности столь малы, что стену вашей комнаты нужно отодвинуть в десять раз дальше, чтобы полосы проявились. Но скорее всего это просто открытая форточка.

Итак, ничтожно малые неровности стёкла, заметные только для очень точных мерительных инструментов, обнаруживаются отчетливо на экране без всяких инструментов. Это явление так и напрашивается, чтобы использовать его в качестве тонкого метода в научных экспериментах. И оно используется - в аэродинамике, акустике, физике атмосферы и других науках. Обтекание воздухом моделей самолета приводит к местным,уплотнениям и разрежениям воздуха. Показатель преломления сжатого воздуха выше, чем разреженного. Воздух оказывается состоящим из собирающих и рассеивающих линз; просвечивая его, мы получаем на экране картину обтекания.

Аналогично исследуются явления конвекции в жидкостях и газах, звуковые и тепловые волны и т. д. Подробно прочесть об этом можно в книге: Холдер Д., Норт Р. Теневые методы в аэродинамике.- М.: Мир, 1966.