Чому веселка дуга з погляду фізики. Чому веселка має форму дуги

Насправді звична для ока людини дуга є лише частиною різнокольорового кола. Цілком це природне явище можна бачити лише з борту літака, та й то лише за достатньої степени.

Перші дослідження форми веселки ще XVII столітті проводив французький філософ і математик Рене Декарт. Для цього вчений використовував скляну кулю, заповнену водою, що давало можливість уявити, як відбивається сонячний промінь у краплі дощу, переломлюючись і тим самим стає видимим.

Форма веселки визначається формою крапельок води, в яких заломлюється сонячне світло. А крапельки води – більш менш сферичні (круглі). Проходячи через краплю і заломлюючись у ній, пучок білих сонячних променів перетворюється на серію кольорових вирв, вставлених одна в одну, звернених до спостерігача. Зовнішня вирва червона, в неї вставлена помаранчева, жовта, далі йде зелена і т. д., закінчуючи внутрішньою фіолетовою. Таким чином, кожна окрема крапля утворює цілу веселку.

Звісно, веселка від однієї краплі слабка, й у природі її неможливо побачити окремо, оскільки крапель у завісі дощу багато. Веселка, яку ми бачимо на небосхилі, утворена міріадами крапель. Кожна крапля створює серію вкладених одна в одну кольорових лійок (або конусів). Але від окремої краплі до веселки потрапляє лише один кольоровий промінь. Око спостерігача є загальною точкою, в якій перетинаються кольорові промені від багатьох крапель. Наприклад, всі червоні промені, що вийшли з різних крапель, але під тим самим кутом і потрапили в око спостерігачеві, утворюють червону дугу веселки. Також утворюють дуги всі помаранчеві та інші кольорові промені. Тому веселка кругла.

Двоє людей, що стоять поряд, бачать кожен свою веселку! Тому що в кожний момент веселка утворена заломленням сонячних променів у нових та нових краплях. Краплі дощу падають. Місце краплі, що впала, займає інша і встигає послати свої кольорові промені в веселку, за нею наступна і так далі.

Видимі зміни веселки

Вид веселки – ширина дуг, наявність, розташування та яскравість окремих колірних тонів, положення додаткових дуг – дуже залежить від розміру крапель дощу. Чим більше краплі дощу, тим вже й яскравіше виходить веселка. Характерною для великих крапель є наявність насиченого червоного кольору в основній веселці. Численні додаткові дуги також мають яскраві тони і безпосередньо, без проміжків, примикають до основних веселок. Чим краплі дрібніші, тим веселка стає ширшою і бляклішою з помаранчевим або жовтим краєм. Додаткові дуги далі відстоять один від одного і від основних веселок. Таким чином, на вигляд веселки можна приблизно оцінити розміри крапель дощу, що утворили цю веселку.

Вид веселки залежить і від форми крапель. При падінні у повітрі великі краплі сплющуються, втрачають свою сферичність. Чим сильніше сплющування крапель, тим менше радіус веселки, що утворюється ними.

Прислів'я про мисливця

Ньютону належить і умовний поділ веселки на 7 кольорів: вчений шукав відповідність між кольорами спектра та тонами музичної гами. Будь-яка дитина знає нехитру фразу, що дозволяє не переплутати кількість і послідовність райдужних смуг: Кожен Мисливець Бажає Знати, Де Сидить Фазан:

червоний
Помаранчевий
Жовтий
Зелений
Блакитний
Синій
Фіолетовий.

Міфи та легенди про веселку

Веселка – вражаюче небесне явище, її поява разом з першими весняними дощами є знаменням відродження природи, благодатного союзу землі та неба, а розкішні кольори, якими сяє веселка, у виставі предків були дорогоцінним убором, який одягається небесне божество. Веселка здавна вражала уяву людей. Про неї складалися легенди, їй приписувалися дивовижні властивості.

У скандинавській міфології веселка – це міст Біврест, що з'єднує Мідгард (світ людей) та Асгард (світ богів); червона смуга веселки – вічний вогонь, який не шкідливий для Асів, але спалить будь-якого смертного, який спробує піднятися мостом. Охороняє Біврест Ас Хеймдалль.
У давньоіндійській міфології - лук Індри, бога грому та блискавки.
У давньогрецькій міфології – дорога Іріди, посланниці між світом богів та людей.
У вірменській міфології веселка – це пояс Тира (спочатку бог сонця, потім – бог писемності, мистецтв і наук).
За слов'янським повір'ям, веселка п'є воду з озер, річок та морів, яка потім проливається дощем. Також за слов'янським повір'ям поява веселки віщувала нещастя, а якщо людині вдасться пройти під веселкою, то чоловік стане жінкою, а жінка – чоловіком.
Згідно з повір'ям багатьох африканських народів, у тих місцях, де веселка стосується землі, можна знайти скарб (дорогоцінне каміння, раковини каурі або бісер).
У міфології австралійських аборигенів Райдужний змій вважається покровителем води, дощу та шаманів.
Ірландський лепрекон ховає горщик золота у місці, де веселка торкнулася землі.
У Біблії веселка з'явилася після всесвітнього потопу символом прощення людства, союзу Бога і людства.
Веселка – це образ мирного небесного вогню, на відміну блискавки як виразу гніву небесних сил. Поява веселки після грози на тлі умиротвореної природи разом із сонцем дозволяла трактувати її як символ світу.
Згідно з поширеним тлумаченням, червоний колір веселки уособлює гнів Божий, жовтий – щедрість, зелений – надію, синій – умиротворення природних сил, фіолетовий – велич.

Висновки

Насправді веселка виглядала б як коло, якби їй не заважав ландшафт. Центр цього кола лежить на прямій, що проходить через вас (спостерігача) від Сонця (що знаходиться у вас за спиною). Відповідно, чим нижче ви знаходитесь, тим менша частина кола видно над поверхнею Землі. А, наприклад, з літака можна побачити коло веселки повністю. Можете легко знайти в інтернеті такі фотографії на запит «райдуга з літака».

Веселка утворюється внаслідок заломлення світлових променів, що потрапляють на водяні краплі, тому для її появи потрібні дощ та сонце. Щоб веселку побачити, потрібно стояти перед дощем, а сонце має бути позаду. Якщо сонце розташоване високо в небі, веселку помітити не вдасться, тому найчастіше вона стає явною вранці чи ввечері, коли сонце порівняно низько над землею.

Як відбувається заломлення?

Пучок сонячного променя падає на краплю. Так як поверхня крапельки нерівна, у різних променів будуть спостерігатися різні кути падіння - від 0 до 90 °. На межі повітря-вода промінь переломлюється і далі входить у краплю. Частина променя виходить із краплі, а частина через заломлення йде всередині краплі до наступного місця відбиття. Там заломлюється і знову розділяється – частина виходить назовні, частина продовжує рух усередині до чергового місця заломлення.

Таких «походів» промінь може здійснювати кілька, але заломлень у кожного 2 променя - при вході і виході з частинки води. Паралельні промінчики, які потрапляють у краплю, на виході розходяться під кутом один до одного. Чим ближче такі пучки світла до основного променя, який зазнав мінімальних відхилень, тим більша їх концентрація та інтенсивність.

Утворюють веселку мінімально відхилений промінь і прилеглі до нього пучки світла - вони мають достатню інтенсивність, щоб візуально проявити себе в концентрованому вигляді.

Як утворюються кольорові промені веселки?

Білий промінь - це поєднання кольорів: червоного, помаранчевого, жовтого, зеленого, блакитного, синього та фіолетового. Коли пучок променя заломлюється в крапельці, він утворює промінчики різного ступеня заломлення, що візуально проявляється як різні кольори. Кожен колір - це спектр, який має свій показник заломлення в діапазоні: D1k = 137 ° 30 "(червоний) і D1ф = 139 ° 20" (фіолетовий), решта - між ними.

Сонячне проміння, яке пройшло через краплю, відходить від точок неба, які знаходяться ближче до антисолярної точки і далі від сонця. І для того, щоб побачити це проміння, треба стати спиною до джерела світла. Відстань їх від антисолярної точки дорівнюють: 180° - 137°30" = 42°30" для червоних променів і 180° - 139°20" = 40°40" для фіолетових.

Чому веселка напівкругла?

Променів, які потрапляють у краплю і багато разів у ній заломлюються, кілька. Всі вони дають свої заломлені пучки променів і виходять із різних боків краплі. Внаслідок цього утворюється циліндр білих променів, який перетворюється на серію кольорових воронок, що стикаються одна з одною з центром в антисолярній точці. Зовнішня лійка - червоного кольору, до неї вставлена - помаранчева, жовта, і так до фіолетового кольору, що утворює внутрішній шар.

Веселка, яку ми бачимо у небі – мозаїчна. Кожна крапля створює кілька вирв, але з окремої краплі в веселку потрапляє лише один кольоровий промінь. Наприклад, зелені промені, що вийшли з різних крапель, під одним кутом утворюють зелену дугу веселки. Тому веселка напівкругла.

Коли ви пересуваєтеся, дивлячись на веселку, переміщається і вона, утворюючись у кожний момент заломленням сонячних променів у краплях. Місце краплі дощу, що впала, займає нова крапля, посилаючи свій кольоровий промінь у веселку. І так доти, поки світить сонце на дощ.

Чому веселка напівкругла? Люди давно ставили це питання. У деяких міфах Африки веселка – це змія, яка охоплює Землю кільцем. Але тепер ми знаємо, що веселка - цеоптичне явище - результат заломлення променів світла у краплинах води під час дощу. Але чому ми бачимо веселку саме у формі дуги, а не, наприклад, у формі вертикальної кольорової смуги?

Форма веселки визначається формою крапельок води, в яких заломлюється сонячне світло. А крапельки води - більш менш сферичні (круглі). Проходячи через краплю і заломлюючись у ній, пучок білих сонячних променів перетворюється на серію кольорових вирв, вставлених одна в одну, звернених до спостерігача. Зовнішня вирва червона, в неї вставлена помаранчева, жовта, далі йде зелена і т. д., закінчуючи внутрішньою фіолетовою. Таким чином, кожна окрема крапля утворює цілу веселку.

Вид веселки – ширина дуг, наявність, розташування та яскравість окремих колірних тонів, положення додаткових дуг – дуже сильно залежать від розміру крапель дощу. Чим більше краплі дощу, тим вже й яскравіше виходить веселка. Характерною для великих крапель є наявність насиченого червоного кольору в основній веселці. Численні додаткові дуги також мають яскраві тони і безпосередньо, без проміжків, примикають до основних веселок. Чим краплі дрібніші, тим веселка стає ширшою і бляклішою з помаранчевим або жовтим краєм. Додаткові дуги далі відстоять один від одного і від основних веселок. Таким чином, на вигляд веселки можна приблизно оцінити розміри крапель дощу, що утворили цю веселку.

Ми звикли спостерігати веселку як дугу. Насправді ця дуга є лише частиною різнокольорового кола. Цілком же це природне явище можна спостерігати лише на великій висоті, наприклад, з борту літака.

Є така група оптичних явищ, яка називається гало. Вони викликані заломленням світлових променів крихітними кристаликами льоду в перистих хмарах та туманах. Найчастіше гало утворюються навколо Сонця чи Місяця. Ось приклад такого явища – сферична веселка навколо Сонця:

Веселка напівкругла, звичайно ж, якою вона ще може бути? Це правильна відповідь, а ось чи зможеш ти пояснити, чому саме веселка має таку форму?

Це питання спало на думку не тільки тобі, задовго до нашого народження люди спостерігали таке явище як веселка і задавалися питанням – чому вона напівкругла?

У жителів африканського континенту навіть існує безліч легенд про веселку-змію, що окольцьовує Землю. Просто у них, звичайно, не була настільки розвинена наука, щоб вони ще тоді розуміли, що веселка – це сонячне світло, яке проходить крізь крапельки води та переломлюються у них.

Але чому веселка напівкругла? Чому не повністю кругла? Чи не довга горизонтальна? Чи не вертикальна? Чи не вигнута у формі вісімки або, наприклад, овалу? Те, якою форми буде веселка, залежить від того, крізь якусь форму води заломлюється промінь сонячного світла.

Як правило, цей промінь проходить крізь крапельки, які мають округлу, так звану сферичну форму. Тобто промінь світла, що проходить крізь краплю і переломлюється в ній, ніби розпадається на безліч квітів. Але не просто хаотично розташованих, а ніби конусами різних кольорів, які розміщуються один в одному.

Уявіть собі, що ви дивитеся в таку «пірамідку» конусів, які помістилися один в одного. Найбільший із них – червоний, у ньому розташований помаранчевий конус, далі жовтий, зелений, блакитний, синій, а фіолетовий – найменший, він усередині. І так, з кожної крапельки води виходить своя, окрема веселка. Але вона така маленька, що ми б ніколи її навіть не помітили.

Але ж крапельок у повітрі після дощу – безліч, тому з такої ж безлічі маленьких райдужок складається і та сама, велика, яка видно нашому оку. Кожна крапелька передає у загальну, велику веселку свій певний колір. Всі ці колірні промені потрапляють у наше око, становлячи певну черговість кольорів, що сприймаються нашим зором. Це залежить від того, під яким кутом падають світлові промені кожного кольору в наше око, сходячись у ньому, як в одній точці.

"Але ж люди бачать по-різному", - скажете ви, і будете, звичайно, праві. Бо скільки б людей не виявилося на вулиці після дощу, кожен із них бачитиме свою, індивідуальну веселку! Крапельки весь час змінюються, одні з них опускаються вниз, інші - навпаки, піднімаються вгору, тому і промені постійно змінюються, відповідно веселка щомиті - нова! І з кожної нової точки зору – теж своя, нова веселка.

Чому веселка буває більш менш яскравою? Це залежить від величини крапель: чим вони більші, тим яскравішу веселку ми бачимо. Колірні смуги веселки бувають широкими та вузькими, прилеглими одна до одної – і з проміжками. Веселка буває більш високою і вузькою – або широкою і низькою. Це все залежить від величини та форми крапельок, крізь які заломлюється світловий промінь. «Стоп, – скажете ви.

– Чому ж ми бачимо кольорове півколо, якщо щойно нам розповіли про конуси, вставлені один в одного?!» Логічне питання. Справа в тому, що насправді веселка кругла! Але побачити це можна лише піднявшись високо. А оскільки ми спостерігаємо це природне явище із землі, то нам видно лише половина такого конуса, або трохи більше – трохи менше. До речі, веселка буває не лише вдень, іноді таке явище можна спостерігати довкола Місяця вночі, і тоді ми називаємо це гало. Саме ж слово «райдуга», швидше за все, з'явилося від поєднань «райська» і «дуга», дуже вже вона красива.

Ви можете чи написати свій.