09:01
С древности бытует легенда: если встать на самом дне глубокого колодца, можно увидеть Солнце.
К сожалению, это лишь красивая фантазия.
Физические законы оптики показывают, что прямой свет Солнца достигает дна лишь пару дней в году — и то при строго определённых условиях.
Геометрия движения Солнца
Траектория движения Солнца над горизонтом сильно зависит от:
- географической широты наблюдателя;
- времени года (склонение Солнца меняется от −23,4° зимой до +23,4° летом);
- времени суток: в полдень высота максимальна, вечером и утром — минимальна.
Даже в полдень на большинстве широт угловая высота Солнца недостаточна, чтобы прямой луч «заглянул» в глубокий вертикальный колодец.
Когда возможно освещение дна без зеркала
Чтобы дно колодца осветилось естественным образом, нужно одновременно выполнение трёх условий:
- Солнце должно находиться в верхней полусфере (высота над горизонтом > 0°).
- Угловая высота должна быть больше угла наклона колодца к вертикали (чаще всего 0°, если колодец строго вертикален).
- Колодец должен быть не слишком глубоким, иначе параллакс уменьшит площадь освещённого «зайчика» до нуля.
На большинстве территорий России выполняются эти условия лишь 3–5 дней в году в момент наибольшего солнечного стояния (около 21 июня).
Как зеркало решает проблему
Пример 1: угол падения 50° к горизонту
Если солнечные лучи падают под углом 50° к горизонту, то для направления отражённого луча вертикально вниз плоское зеркало следует расположить:
- под углом 25° к горизонту;
- отражающая поверхность «смотрит» на солнце и на дно колодца одновременно.
Пример 2: угол падения 40° к горизонту
Соответственно, при падении под 40° зеркало устанавливают под 20° к горизонту.
На рисунке ниже показана схема (вид сбоку):
Солнце ○ ╱ ╱ 40° ╱ ───────────●─────────── верхний обрез колодца ╲ ╲ 20° ╲ ╲ зеркало AB ● дно колодца
Закон отражения: угол падения = угол отражения, поэтому луч, отразившись от зеркала, направляется строго вертикально вниз.
Оптические «фокусы» и человеческое зрение
Иногда на дне шахт или колодцев наблюдают слабый светящийся диск.
Это не Солнце, а:
- Венера или другая яркая планета, случайно попавшая в узкий «окно» обзора;
- Рассеянное небесное сияние, усиленное высокой светочувствительностью глаза в темноте;
- Отражения от влажных стенок, создающие иллюзию «солнечного зайчика».
Глаз, находясь в темноте, повышает чувствительность, поэтому даже слабый рассеянный свет кажется ярким.
Прямое освещение дна возможно лишь пару дней в году и только при мелких колодцах.
Для регулярного освещения глубоких шахт используются зеркала или искусственные источники света, в точности рассчитанные по законам геометрической оптики.
Короткая памятка
- Угол падения = угол отражения.
- Зеркало наклоняем на половину угла падения луча к вертикали.
- В глубоком колодце Солнце видно лишь через зеркало или в воображении.