|
V. СВЕТОВЫЕ СИГНАЛЫ
Сигнальные огни
Если ночью на корабле подходить с моря к большому порту, то перед
взором наблюдателя постепенно открывается панорама, усеянная множеством
огней. Сначала на туманной линии горизонта появляется светлая точка,
которая попеременно то гаснет, то загорается вновь. Это большой
портовый маяк, сильный свет которого, горящий на верхушке высокой
башни, виден за десятки километров. Спустя некоторое время открываются
огни пловучих бакенов, которые указывают безопасный фарватер, подводящий
к порту. Чем ближе к городу, тем больше огней вспыхивает вдали,
и, наконец, целый сектор горизонта оказывается усеянным тысячами
ярких точек. Каких огней тут только нет! Среди россыпи белых точек
уличных фонарей, различных ламп и освещенных окон домов выделяются
разноцветные звездочки световых сигналов. Тут светятся красные,
зеленые и желтые точки сигнальных фонарей на портовых железнодорожных
путях, там переливаются яркие Огни светофоров, регулирующие бурный
поток машин и повозок на городских улицах. То и дело вспыхивают
красные фонарики автомобилей. На фасадах домов ярко сияют разноцветные
вывески и рекламы, а на поднятых высоко вверх мачтах радиостанций
горят рубиновые оградительные огни, предупреждающие пролетающего
над городом летчика об опасности.
А вот и самолет плывет в небе, выделяясь на звездном фоне своими
цветными огоньками. Не меньше огней и на воде: каждый корабль, каждый
катер обязательно несет белые и цветные огни, каждая мель, каждый
риф отмечены светящимся бакеном или вехой. Вот замигал белый огонек
на мачте военного корабля. Ему отвечает такими же вспышками другой
корабль. Эти вспышки не что иное, как точки и тире телеграфной азбуки,
при помощи которой корабли переговариваются между собой.
Сигнальные огни - могучее средство борьбы с теми затруднениями,
которые создаются для транспорта при ночной темноте, когда ничего
не видно. Маленькие по размерам и слабые по своему свету, огни все
же прекрасно видны в темноте на далекие расстояния. Они указывают
подводные рифы и мели штурману морского корабля и фарватер капитану
речного парохода, по ним ориентируется пилот в ночном полете, на
них обращен взор машиниста паровоза, ведущего поезд, и шофера, сидящего
за рулем машины. Разноцветные огни бисерной цепочкой тянутся вдоль
сухопутных и водных путей всей страны.
Удобство световой сигнализации так велико, что теперь ее применяют
не только ночью, но и днем. Электрические светофоры дают настолько
яркий свет, что их отлично видно даже при солнечном освещении. На
железных дорогах установленные вдоль полотна и автоматически переключающиеся
при проходе поезда светофоры показывают машинисту, свободен или
занят ближайший участок пути. Такая система автоматической блокировки
способствует безопасности движения поездов, увеличивает пропускную
способность железных дорог.
Во время боевых операций применяют и специальные средства световой
сигнализации. Так, ракеты разных цветов, которыми стреляют из специального
пистолета или ружья, либо выпуская их непосредственно, являются
одним из обычных способов передачи различных сигналов и приказаний
не только ночью, но и днем. Для этой же цели служат сигнальные бомбы;
ими стреляют из ружья или сбрасывают их с самолета. Специальные
источники света, служащие для ориентировки кораблей и самолетов,
зажигаются на погруженной во мрак местности, и притом не только
у себя, но во время войны и на территории противника, куда их сбрасывают
с самолетов. В некоторых случаях для сигнализации пользуются также
лучом прожектора, который можно заметить за десятки километров.
Наконец, к разряду световых сигналов можно отнести также светящиеся
или "трассирующие" снаряды и пули, своим светом прочерчивающие
в воздухе траекторию полета и тем помогающие стрелку точнее вести
огонь.
Особенности точечного источника света
По условиям видимости далекие огни резко отличаются от других предметов
ландшафта, а именно: огонь сам по себе светит в темноте, а не просто
отражает лучи Солнца и неба, как обычные предметы днем. Источник,
непосредственно испускающий свет, обычно очень мал, а смотрят на
него с такого расстояния, с какого предмет таких же размеров вообще
невидим. Поясним это примером. Размер накаленного волоска в электрической
лампочке или пламени в керосиновом фонаре не больше нескольких сантиметров,
видны же они на расстоянии многих километров. Угловая величина при
этом будет гораздо меньше дуговой минуты, а мы уже знаем, что если
обыкновенный предмет виден под углом меньше одной минуты, то зрение
его не воспринимает. Вопреки этому огонь в темноте прекрасно виден,
но виден по-иному, не так, как обычные предметы: наблюдая днем,
мы ясно воспринимаем и форму и угловые размеры предмета. Иначе обстоит
дело при ночном наблюдении далеких огней: ни формы, ни размера огня
мы определить не можем, так как воспринимаем его в виде очень маленькой,
хотя и яркой точки. Можно сказать, что зрение воспринимает только
свет сигнала, не видя его самого.
Такие условия точечной видимости будут иметь место всегда при наблюдении
на темном фоне яркого источника света, имеющего небольшие угловые
размеры. В природе примером этого могут служить звезды, усеивающие
ночное небо в ясную погоду.
Видимость точечного источника света отличается рядом важных особенностей.
Они сводятся к следующему.
Во-первых, глаз не распознает формы предмета. Будет ли огонь длинным
или круглым, вытянутым или квадратным, наблюдателю он покажется
только бесформенной лучистой звездочкой. С далекого расстояния и
освещенный шар из молочного стекла, и сетка накаленных волосков
в электрической лампе, и колеблющийся язычок пламени костра выглядят
лишь яркими точками.
Не трудно понять, отчего это происходит. Мы уже говорили, что световая
картина в глазу составляется как бы из множества отдельных точек,
каждая из которых возникает в результате раздражения светом группы
колбочек или палочек. Но если изображение предмета на светочувствительном
слое глаза очень мало, то оно занимает всего две-три колбочки. От
этого и получается ощущение светлой точки, независимо от действительной
формы источника света. К тому же и хрусталик глаза дает изображение
очень маленького предмета в виде крохотного кружка, форма и размеры
которого не зависят от действительных очертаний объекта.
Во-вторых, нет возможности оценить угловые размеры точечного предмета.
Правда, одни огни нам кажутся крупнее, другие мельче, но это происходит
от видимой яркости предмета и не зависит от его действительных и
угловых размеров. Чем огонь ярче, тем он кажется крупнее, чем он
слабее, тем он выглядит мельче. Это известно каждому на примере
звезд: яркие, светлые звезды кажутся большими, слабые - мелкими.
То же самое происходит и с земными огнями: если увеличивать силу
света огня (например, повышая накал электрической лампочки), то
удаленному наблюдателю будет казаться, что огонь становится крупнее;
если же ее уменьшать, то создается впечатление, будто огонь сжимается
и становится меньше.
Явление кажущегося увеличения видимого поперечника ярких объектов
называется иррадиацией.
Третья особенность точечных объектов заключается в том, что их видимая
яркость зависит от расстояния. Если мы смотрим на протяженный яркий
предмет, то его яркость с расстоянием не меняется, - по крайней
мере, если воздух достаточно прозрачен. Например, в очень ясный
день освещенная Солнцем белая стена и вблизи и на расстоянии 2-3
км кажется почти одинаково светлой. Не то получается с огнями. Вблизи
огонь может быть таким ярким, что на него больно смотреть, на расстоянии
100м он уже не слепит, а на расстоянии в 1000 м превращается в довольно
тусклую звезду. Если отходить все дальше и дальше, то при самом
прозрачном воздухе даже наиболее сильный источник света в конце
концов настолько теряет в яркости, что исчезает из виду.
Физика доказывает, что кажущаяся яркость огня убывает обратно пропорционально
квадрату расстояния. Если отойти от огня в два раза дальше, то его
видимая яркость уменьшится в 4 раза, если отойти втрое дальше, то
яркость снизится в9раз; если в 10 раз дальше, - то в 100 раз и т.
д. Происходит это оттого, что лучи света от источника расходятся
во все стороны. Чем больше расстояние, тем шире разойдутся лучи,
и то же количество света растечется по более широкому пространству.
На рис. 20 показано, как ширится с удалением от огня О площадь,
по которой распределяется свет, текущий внутри пирамиды ОАБВГ. Этот
закон квадрата расстояния служит основой для всяких расчетов,
связанных с видимостью световых сигналов и огней.
Дальность видимости огней
Закон квадрата расстояния приводит к тому, что если постепенно
отходить от фонаря, то его видимая яркость будет плавно убывать
и, наконец, уменьшится настолько, что зрение совсем перестанет его
различать. Значит, для каждого огня есть предел расстояния, дальше
которого его невозможно увидеть. Где же лежит этот предел?
Человек может увидеть огонь только в том случае, если от него в
глаз входит достаточное количество света. А это количество, в свою
очередь, определяется силой того освещения, которое дает огонь в
пункте наблюдения.
Предельная освещенность от огня, которая лежит на границе между
видимостью и невидимостью, называется абсолютным порогом восприятия.
Если видимая яркость огня, убывая, остается выше этого порога, огонь
виден. Как только уровень яркости перешагнул через порог, огонь
сразу исчезает, потому что его свет становится слишком слабым.
Порог освещения для разных людей различен: один хорошо видит очень
слабый свет, другой даже довольно яркие источники света быстро теряет
из виду. Кроме того, для каждого человека этот порог меняется в
зависимости от тех условий, в которых ведется наблюдение. Например,
если вокруг имеется много других ярких источников света, то слабый
огонь будет виден хуже из-за того, что яркий свет сильно слепит
глаза. Большое значение имеет яркость фона, на котором виден огонь:
чем темнее ночь, чем чернее небо и земля вокруг, тем более слабый
свет способно воспринимать зрение и тем больше расстояние, с которого
можно заметить сигнал. Напротив, в светлые ночи, например, ори Луне
или в сумерки, различать слабые огни гораздо труднее.
При расчетах видимости световых сигналов в море для порога освещения
принято число 0,0000002 люкса. Это число относится к среднему глазу
и средним условиям наблюдения. Во многих случаях можно заметить
огонь, освещение от которого в 10, 20 и даже в 100 раз слабее.
Зная порог восприятия, без особого труда можно рассчитать и дальность
видимости сигналов. Она зависит, прежде всего, от силы света огня.
За меру такой силы принимают стандартную "свечу", описанную
в главе IV.
Лампа, сила света которой равна 2 свечам, посылает вдвое больше
света, чем лампа-эталон; источник в 10 свечей дает в 10 раз больше
света и т. д.
Как нам уже известно, при очень чистом воздухе и не слишком больших
расстояниях кажущаяся яркость огня ослабевает по закону квадрата
расстояния. Отошел вдвое дальше - огонь ослабел в 2х2=4 раза, отъехал
в 3 раза дальше - он потускнел в 3х3=9 раз. Отсюда следует правило:
для того, чтобы огонь стало видно в n раз дальше, надо увеличить
его силу света в n2 раз. Иначе говоря, чтобы дальность видимости
огня увеличилась вдвое, надо увеличить его силу света в 4 раза;
чтобы она увеличилась втрое - в 9 раз, а чтобы увидеть огонь в 10
раз дальше, надо поставить в нем лампу в 100 раз сильнее.
Чтобы рассчитать освещенность от огня в пункте наблюдения и выразить
ее в люксах, надо разделить силу света на квадрат расстояния, выраженного
в метрах:
Например, лампа в 100 свечей видна с расстояния в 50 м. Каким будет
освещение? Делим 100 на 502 = 2500. Получается 1/25 люкса. Чтобы
найти предел видимости огня, надо рассчитать такое расстояние, на
котором он дает освещенность, равную порогу, т. е. 0,0000002 люкса1.
Все это будет верно только в том случае, когда воздух вполне прозрачен
и заметного ослабления света в нем не происходит. На практике это
бывает очень редко. При дымке, мгле, а особенно при тумане свет
сигнала ослабляется не только оттого, что его лучи расходятся все
шире и шире, но еще и потому, что загрязненный малопрозрачный воздух
задерживает часть проходящих сквозь него лучей. В этом случае видимая
яркость огня ослабевает с расстоянием гораздо быстрее и дальность
видимости сокращается.
В таблице 7 дается примерная дальность видимости для огней всевозможных
типов при различной прозрачности воздуха. За меру этой прозрачности
принята метеорологическая дальность видимости, т. е. то расстояние,
на котором при такой же прозрачности воздуха был бы днем виден черный
предмет на фоне неба.
Огни постоянные и проблесковые
От сигнального огня обычно требуется, чтобы он был виден как можно
дальше и притом не только в ясную погоду, когда воздух чист и прозрачен,
но и в тумане, сквозь метель, снег, дождь. Это может произойти лишь
при том условии, если в глаз наблюдателя попадет как можно больше
света. Поэтому усилия техники здесь направлены к тому, чтобы заставить
сигнальный источник давать наблюдателю яркий свет. Но как это сделать?
Чтобы увеличить видимую яркость сигнала, конечно, проще всего заменить
в нем слабый источник света более мощным. Например, если в фонаре
заменить керосиновую горелку электрической лампой в 100 ватт, то
фонарь будет виден в 5-6 раз дальше. Если вместо 100-ваттной лампы
воспользоваться 1000-ваттной, то дальность видимости увеличится
еще в три раза. В морских маяках, которые наблюдают с очень больших
дистанций, применяют мощные лампы силой света в несколько тысяч
свечей. Но увеличивать силу света беспредельно нельзя. К тому же
большая сила света требует и большого расхода электрической энергии
и поэтому обходится дорого.
Другой путь повышения эффективности сигналов состоит в том, что
свет стараются направить только в ту сторону, откуда ведется наблюдение.
Открыто расположенная электрическая лампа светит во все стороны,
но далеко не всегда сигнал наблюдают со всех сторон. Например, в
условиях наземного наблюдения к наблюдателю пойдут только те лучи,
которые распространяются горизонтально, т. е. вдоль земной поверхности.
Свет, идущий вверх и вниз, в этом случае теряется без всякой пользы.
На железных дорогах сигнал наблюдается только вдоль линии полотна.
Тут пользу принесут только те лучи, которые направлены вдоль рельсов,
а все остальные тратятся напрасно. Само собой разумеется, что можно
сильно улучшить видимость сигнала, если собрать весь свет в узкий
пучок лучей и направить его только в одну сторону.
 Для
этого существуют разные приспособления. Во-первых, можно взять двояковыпуклое
стекло - линзу (рис. 21). Если поставить в фокус такого стекла лампу,
то часть лучей ее соберется в узкий пучок с большой интенсивностью
света. Еще лучших результатов можно добиться, если вместо стекла
взять вогнутое зеркало. Охватывая лампу, оно отбрасывает все лучи
вперед, так что в стороны ничего не попадает. Так устроены, например,
автомобильные фары. В результате получается, что свет от очень небольшой
12-вольтовой лампы дает узкий, носильный пучок лучей, и поэтому
его видно далеко, правда, только в одном направлении.
Если надо получить далекую видимость огня в разных направлениях,
например, по всему горизонту, то устраивают вращающийся маяк. На
таком маяке система зеркал и стекол, собирающих свет в узкий, но
мощный сноп, медленно поворачивается вокруг лампы так, что луч скользит
вдоль земли, обегая весь горизонт.
Наблюдатель видит свет маяка только в те моменты, когда луч обращается
в его сторону, огонь дает вспышки или проблески, между которыми
гаснет совсем или частично. Огонь, полностью угасающий между вспышками,
называется прерывающимся, а сохраняющий слабый свет между
ними - проблесковым. При данной мощности его видно дальше,
чем если бы его свет все время равномерно излучался по всему горизонту.
Проблесковый огонь имеет еще и другое преимущество: там, где много
разных огней, легко спутать сигнальный маяк с каким-нибудь посторонним
огнем. Поэтому очень полезно, если световой сигнал то гаснет, то
разгорается. Это позволяет сразу отличить его от ламп и фонарей,
которые светят непрерывно и ровно. Кроме того, частота и продолжительность
проблесков, а также и длина темных промежутков между ними у разных
маяков разные. Это помогает ориентироваться в море. Заметив на горизонте
мигающий огонь, штурман, глядя на часы, определяет число и длительность
проблесков. Затем он справляется в лоции, где дается описание всех
маяков, таким ли должен быть огонь того маяка, который он ожидает
увидеть. Бывает, что такая проверка исправляет крупные ошибки и
спасает корабль от грозящей ему опасности.
Сигнализация огнями разного цвета
Сигнализация огнями становится много разнообразнее, если, кроме
простых белых огней, применять цветные: красные, зеленые, синие.
Это имеет еще и то преимущество, что разноцветные сигналы труднее
спутать с фонарями и лампами, служащими для освещения.
Самый простой способ устроить цветной огонь - это поместить перед
обыкновенным белым огнем цветное стекло или светофильтр. Белый свет,
как читатель, вероятно, помнит из школьного курса физики, представляет
собой смесь лучей всех цветов. В свете белого огня непременно заключаются
и лучи того цвета, который нужен для цветного сигнала, например,
зеленые или красные. Чтобы их выделить, надо взять такое стекло,
которое пропускает только зеленые или красные лучи и задерживает
все остальные цвета. Такое стекло, подобно фильтру для жидкости,
отфильтровывает нужные лучи из общей белой смеси, поэтому оно и
называется светофильтром.
Семафоры на железных дорогах, светофоры на улицах больших городов,
сигнальные фонари на кораблях как раз и состоят из белого огонька
за таким стеклом-светофильтром.
Цветные стекла - приспособление очень простое, но не особенно выгодное.
Все лишние лучи из общего потока белого света в них поглощаются
и, значит, пропадают. В итоге сила света фонаря сильно ослабляется,
а вместе с этим снижается и дальность видимости сигнала. Выгоднее
устроить такую лампу, которая непосредственно дает свет необходимой
окраски. Такого рода лампы существуют и получают теперь широкое
применение именно в сигнальной технике. Обычно их устраивают в виде
трубки с газом, через который пропускается электрический ток (так
называемые газосветные лампы). В зависимости от химического
состава газа получается яркий свет того или иного оттенка. Всем
известны, например, газосветные трубки, наполненные газом неоном,
они светят красивым рубиновокрасным светом. Трубки с газом аргоном
дают синий свет, с парами металла натрия - яркожелтый.
Свечение различного цвета дают также трубки, называемые люминесцентными.
В таких трубках воспринимаемый нами свет излучается особым составом,
которым изнутри покрыты стенки трубки. Это излучение или "люминесценция",
в свою очередь, вызывается невидимыми ультрафиолетовыми лучами,
которые под влиянием электрического тока испускаются находящимися
внутри трубки парами ртути.
Выбор цвета для сигнала - дело очень важное. Если удаляться от цветного
огня, то по мере ослабления яркости цвет его виден все хуже и при
некоторой степени ослабления становится вовсе неразличим, хотя самый
огонек еще виден. Таким образом, есть какая-то область яркостей
(и, значит, расстояний), где свет огня виден, а цвет разобрать невозможно
(так называемый ахроматический интервал).
Опыты показывают, что лучше всего распознается цвет красных сигналов:
тут обычно цвет можно определить при самой слабой яркости, начиная
с которой сигнал только можно заметить. Труднее всего распознать
фиолетовый и синий цвета. Пусть огонь с такой окраской настолько
слаб, что находится на самом пределе видимости. Если увеличить его
яркость вдвое, в десять, даже в сто раз, то разобрать его цвет все
же окажется невозможно, хотя он будет очень ясно виден, как яркая
точка неопределенно серой окраски. Распознать цвет лилового огня
удастся лишь тогда, когда его яркость поднимется в 500-800 раз выше
порога. По этой причине синий и фиолетовый цвета редко применяются
для сигналов. Желтый цвет виден хорошо, но его легко спутать с белым,
особенно в тумане, сквозь который белые огни часто выглядят желтоватыми.
К тому же и белые огни обычно имеют слегка желтоватый оттенок. Зеленый
цвет распознается довольно хорошо (хотя и не так легко, как красный),
спутать его с другим цветом тоже трудно; поэтому для цветных сигналов
он применяется наряду с красным.
Много споров вызвал вопрос о том, какие огни лучше всего видны в
тумане. Некоторые уверяли, что желтые и красные сигналы при прочих
равных условиях видны дальше, чем белые. При этом ссылались на цветовые
свойства дымки, которая для красных лучей более прозрачна, чем для
синих. Однако новейшие тщательные исследования не 'подтверждают
этой точки зрения. Дело в том, что густые туманы, которые особенно
мешают сигнализации, состоят из крупных капелек, а в этом случае,
как мы уже знаем, все лучи ослабляются в одинаковой мере. При легкой
дымке прозрачность для красных лучей действительно выше, но разница
не настолько велика, чтобы замена белых огней красными могла себя
оправдать. Во всяком случае, если перед белым фонарем поставить
красное стекло, то его станет видно не лучше, как уверяли некоторые,
а гораздо хуже, так как это стекло во много раз ослабит силу света
и тем самым сократит дальность видимости.
|
