Jak (nie)działa krążek Newtona?

Krążek Newtona to koło, na którym znajdują się barwne segmenty. Barwy, które występują na krążku obejmują podstawowe barwy widma światła widzialnego, czyli tak zwane barwy proste: czerwony, pomarańczowy, żółty, zielony, niebieski, indygo i fioletowy. W chwili, gdy obracamy krążkiem Newtona, barwy zlewają się ze sobą i widzimy „barwę” białą. Większość barw, jakie występują w przyrodzie, to barwy złożone, które powstają na przykład w wyniku dodania do siebie przynajmniej dwóch barw prostych. Krążek Newtona jest zatem przykładem addytywności barw.

Za pomocą takiego krążka Newton pokazał, że światło białe jest złożone z fal o różnej długości. Różnobarwne światło, odbierane przez ludzkie oko, jest bowiem falą elektromagnetyczną, która odpowiada wąskiemu przedziałowi długości fal od 380 do 760 nanometra z całego widma fal elektromagnetycznych, które rozciąga się od fal długich (radiowych) mierzonych w kilometrach aż do fal gamma o długościach rzędu

metra. W zakresie tym znajduje się widmo, które obejmuję barwy od fioletu (najkrótsze długości fal) do czerwieni (najdłuższe długości fal), jest to tak zwane widmo światła widzialnego.

Nasze oko jest w stanie rozróżnić kolory, gdyż 45% promieniowania pochodzącego ze Słońca przypada na zakres promieniowania widzialnego. W wyniku wielu lat ewolucji oko człowieka przystosowało się więc do odbioru fal elektromagnetycznych o takiej właśnie długości. Oko ludzkie, za pomocą pręcików i czopków, jest w stanie dokonywać analizy barwnej. Pręciki są wrażliwe na stopień jasności, natomiast czopki reagują na światło poprzez absorpcję poszczególnych jego składowych. Pierwsze z nich reagują na światło czerwone (635 nm), drugie na światło zielone (520 nm), a trzecie na światło niebieskie (450 nm). Oko ma swoją rozdzielczość barw, co oznacza, że nie zawsze jest w stanie dostrzec różnice, jakie występują miedzy dwoma barwami o różnym widmie.

Większość barw złożonych, jakie występują w przyrodzie nie powstają w wyniku dodawania barw. Najczęściej w przyrodzie spotykamy się z barwami złożonymi, które powstają w wyniku pochłaniania światła widzialnego. Każdy z nas, w dzieciństwie na lekcjach plastyki, dowiedział się, że na przykład zmieszanie ze sobą farby niebieskiej i żółtej daje kolor zielony, a zmieszanie farby czerwonej i żółtej daje kolor pomarańczowy. Jest tak, gdyż farba niebieska pochłania światło żółte i czerwone, a farba żółta pochłania światło czerwone i niebieskie. Zatem obie te farby, żółta i niebieska, odbijają światło zielone [1]. Barwa czerwona natomiast pochłania światło żółte i niebieskie. Zatem farby, żółta i czerwona, odbijają kolor pomarańczowy.

Kręcąc krążkiem Newtona nie zawsze obserwujący dostrzeże barwę białą. Głównym powodem takiego zjawiska jest fakt, że barwy występujące na krążku mają źle dobraną intensywność i dobrane są w złych proporcjach, co daje w wyniku barwę różną od barwy białej. Aby otrzymać barwę białą musielibyśmy korzystać z idealnego krążka Newtona.

Doświadczenia z krążkiem Newtona, które polegają na składaniu kilku barw prostych w barwę złożoną, pokazują zasadę działania wielu urządzeń z jakimi spotykamy się w życiu codziennym. Na podobnej zasadzie działają kolorowe telewizory, monitory komputerów, czy rzutniki telewizyjne. Technika DLP (Digital Light Processing) w rzutnikach telewizyjnych tworzy kolorowy obraz w sposób analogiczny jak powstaje barwa biała dla krążka Newtona. Wirująca tarcza z kolorowymi filtrami (czerwonym, zielonym i niebieskim) przed źródłem światła powoduje, że na ekran rzutowane są bardzo szybko następujące po sobie obrazy w tych kolorach, co przez ludzkie oko odbierane jest jako jeden, kolorowy obraz.

Inny sposób mieszania barw stosowany jest w telewizorach kolorowych (tradycyjnych, opartych na tzw. lampie katodowej), monitorach ciekłokrystalicznych LCD (Liquid Crystal Display), ciekłokrystalicznych w telefonach komórkowych, dużych wyświetlaczach ulicznych (te zbudowane z małych diód półprzewodnikowych LED). Wykorzystana tu jest ograniczona zdolność rozdzielcza oka. Punkty, które znajdują się blisko siebie, oglądane z odpowiednio dużej odległości, odbierane są przez oko jako jeden punkt. Biorąc pod uwagę na przykład trzy punkty w barwach czerwonej, zielonej i niebieskiej, oko ludzkie odbierze je jako jeden punkt o barwie wypadkowej zależnej od natężenia trzech barw składowych. Przyglądając się z bliska ekranowi monitora ciekłokrystalicznego zobaczyć można, że obraz złożony jest z punktów położonych blisko siebie.

Efekt stroboskopowy występuje, gdy poruszające się ciało zostanie oświetlone światłem migającym. W wyniku tego efektu obserwujemy pozorną zmianę prędkości, zatrzymania się i zmianę kierunku ruchu ciała, poruszającego się ruchem obrotowym. Efekt stroboskopowy możliwy jest dzięki niezdolności siatkówki oka do śledzenia oraz sygnalizowania bardzo szybkich zmian jasności.

Kręcąc krążkiem Newtona w świetle dziennym nie obserwujemy efektów stroboskopowych (kamera zapisuje nie w sposób ciągły, jak oko, ale z częstotliwością 24-30 klatek na sekundę, więc na filmie widzimy elekt stroboskopowu), ale gdy zakręcimy krążkiem na przykład w oświetleniu lampy neonowej, to efekt ten będzie bardzo wyraźny. Nie zaobserwujemy już jednolitej barwy powstałej w wyniki dużej prędkości obrotów krążka ale coś w rodzaju dwukolorowego krzyża maltańskiego Dzieje się tak dlatego, że światło tzw. lampy „neonowej” (a właściwie jarzeniowej, zawierającej głównie pary rtęci, nieco argonu i inne domieszki) jest światłem migotającym, tzn. zmieniającym swoje natężenie w rym zasilania z sieci. Podobnie jak prąd w sieci, lampa jarzeniowa przygasa 100 razy na sekundę (przy zasilaniu 50 Hz). Kolor świecenia lampy jest więc inny kiedy przygasa.

JW Player goes here

Film nakręcony w świetle lampy neonowej

Regulując prędkość obrotową widzimy (przy odpowiednio dobranej prędkości) obraz stacjonarny, albo poruszający się. W miarę regulacji prędkości obrotowej obraz będzie zwalniał, zatrzyma się, a następnie będzie poruszał się w przeciwnym kierunku.

Dzieje się tak, gdyż oko ludzkie postrzega obraz jako płynny, jeżeli częstotliwość kolejnych zmian obrazu będzie równa lub większa od 24 na sekundę. W przeciwnym wypadku obserwujemy migotanie obrazu, jego zwolnienie, zmianę kierunku ruchu, czy zatrzymanie (kiedy prędkość obrotowa będzie równa częstotliwości migotania lampy „neonowej”).

Literatura:

[1] – Janusz Jaglarz, „Wrażenia barwne – jak je mierzyć?”, Foton 89, lato 2005

Wersja do druku

Fizyka dla każdego

KS16