XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Световозвращаюшие элементы - светоотражатели
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение.
С давних пор люди удивляются свойством некоторых материалов возвращать свет и используют это в своей практической жизни. Несмотря на развитие науки и техники, в нынешнее время современный человек продолжает пользоваться оптическими свойствами некоторых материалов.
Ежегодно большое количество пешеходов погибает в результате дорожно-транспортных происшествий. Мы, дети – довольно уязвимые участники дорожного движения. Большое количество ДТП приходится на темное время суток или в условиях плохой видимости.
Для того, чтобы водитель смог вовремя отреагировать на пешехода, появившегося в свете отраженных фар, требуется не менее 2 секунд. Проблема в том, что в темное время суток бывает очень сложно вовремя заметить пешехода, особенно если на них темная одежда.
Туман и дождь, фонари, тень от деревьев и кустов делают пешехода незаметными даже на освещенной дороге. Грязные фары, лобовое стекло - все эти нюансы могут еще сильнее ухудшить обзор водителя. Ситуация осложняется тем, что пешеход, видя огни приближающегося автомобиля, думает, что и он замечен водителем. Особенно бездумными являются дети, рискованно переходящие улицу, нарушая правила дорожного движения. Заметность пешеходов становится намного выше, если на них имеется светоотражающие элементы одежды.
Начиная с самого раннего возраста нам твердят о важности наличия светоотражающих элементов на верхней одежде. Однако, мало кто из учащихся задумывался о принципе работы светоотражателей. Мне стало интересно, как именно ношение светоотражателей способно уберечь нас от дорожно-транспортных происшествий, ведь статистика говорит, что при применении светоотражающих элементов на одежде количество ДТП в темное время суток уменьшается в 6,5 раз. Этим и обусловлена актуальность выбранной мною темы исследовательской работы.
В данной исследовательской работе хотелось бы разобраться в этом вопросе с физической точки зрения.
Исходя из вышеизложенного предметом исследования являются световозвращающие элементы-светоотражатели.
Объект исследования: принцип действия световозвращающих элементов-светоотражателей в темное время суток
Цель моей работы: разобраться в принципе работы светоотражательных элементов и привлечь внимание к проблеме безопасности детей и взрослых на дороге в тёмное время суток.
Гипотеза: светоотражение или световозвращение является физическим явлением.
Задачи:
исследовать виды светоотражающих элементов;
выяснить их принцип действия;
провести эксперимент, подтверждающий пользу светоотражающего эффекта фликерных элементов;
подготовить памятку для родителей и детей;
провести анкетирование среди учащихся младшего и старшего звена, выяснить осведомленность школьников о важности светоотражающих элементов на дороге;
сделать вывод по результатам.
Методы, используемые в работе:
- изучение справочной литературы;
- получение информации в сети Интернет;
- анкетирование;
- эксперимент.
Что такое светоотражение?
Довольно часто мы можем услышать термин «светоотражатель» в повседневной жизни. Эксперты называют свойство материала отражать свет – «световозвращающей», а материалы, обладающие такой способностью «катафотами» (от древнегреческого κατα- — приставка со значением усиления + «свет»). Не так давно также появилось понятие «фликер», от английского flicker(мерцание, вспышка). Как бы мы не называли это явление, у него одна задача – сделать объект видимым для водителей в условиях недостаточной освещённости.
Эффект катафота основывается на простом оптическом процессе световозвращения.
История происхождения.
Светоотражатели для пешеходов были изобретены в Финляндии в 1950-х. Фермер Арви Лехти искал способ обезопасить свои лошадиные повозки в темное время суток и сделал первый светоотражатель, склеив кусочки пластика от автомобильных фар и добавив к ним крючок. Чуть позже его изобретение адаптировали для пешеходов. Финны шутят что так была изобретена самая дешевая страховка жизни. Сейчас во многих странах (например, в Финляндии, Эстонии, Латвии и Литве) пешеходы по закону обязаны носить отражатели в темное время суток. Такие штуки, крепящиеся к одежде, называются фликеры. В России в 2015 году в ПДД внесли дополнение о том, что пешеходы обязаны носить фликеры при переходе дороги и движении по обочинам или краю проезжей части вне населенных пунктов в темное время суток или в условиях недостаточной видимости. За нарушение предусмотрен штраф 500 рублей или предупреждение. Для пешеходов в населенных пунктах эта поправка пока носит рекомендательный характер.
Светоотражение или световозвращение?
В повседневной жизни мы часто слышим «светоотражающие», гораздо реже мы можем услышать – «световозвращающие»материалы. Однако все же правильно называть эти материалы световозвращающими. Как известно, свет отражает и поглощает всё, но степень такого отражения и поглощения всегда различна. Законы физики диктуют правило: для зеркального отражения угол падения луча на поверхность равен углу отражения. Получается, что углы равны, но при падении луча на поверхность под углом, отличным от прямого, свет отражается в противоположную сторону от источника света. Свет отражается и улетает(см.рис. 1, б), но не возвращается, при этом поглощается, т.е. слабеет.
Пирамидки или шарики, из которых состоят все световозвращающие материалы, пропуская через себя свет, преломляют его таким образом, что отразившись, он возвращается(см.рис.1, а). Именно поэтому глаза животных светятся ночью, если на них посветить. При выборе световозвращающих материалов важно знать, что чем темнее цвет, тем сильнее поглощение, значит возвращенный свет слабеет.
В дорожном положении световозвращающий материал «работает» в направлении движущегося на него автомобиля, это не зависит от угла падения света на его поверхность. Т.е. с точки зрения водителя, едущего по дороге- если он видит в свете фар «светящийся» объект, значит он находится в направлении его движения.. Если бы материалы были светоотражающими, то эффект безопасности на дороге был бы весьма сомнителен.
Виды отражений.
Существует 4 вида отражения: зеркальное, диффузное, направленно-рассеянное и смешанное. Чем они отличаются? Рассмотрим каждый из них.
Зеркальное отражение — это отражение параллельных падающих лучей от плоской поверхности, при котором все отраженные лучи параллельны. При зеркальном отражении толщина падающего и отраженного световых пучков не изменяется.
Диффузное отражение — это отражение параллельных падающих лучей от плоской поверхности, при котором все отраженные лучи не остаются параллельными. При диффузном отражении происходит рассеивание отраженного пучка.
Направленно-рассеянное отражение —отражение, при котором свет отражается неравномерно в разных направлениях, обычно с преобладанием одного, соответствующего направленному отражению.
Смешанное отражение — характеризуется наличием направленно рассеянного и диффузного отражения одновременно. Коэффициент яркости для таких поверхностей в сторону направленного отражения может быть больше единицы.
Причина такого поведения кроется в структуре поверхностного слоя препятствия. Если поверхность является гладкой (зеркало, водная гладь), тогда имеет место зеркальное отражение. Если же на поверхности препятствия есть шероховатости различных размеров, тогда наблюдается диффузное отражение. Объединяет все эти виды то, что подчиняются они одним и тем же физическим законам.
Какие бывают светоотражатели?
К наиболее часто используемым светоотражателям относят:
Световозвращающие ленты. Они изготавливаются из текстиля со специальным полимером или специальным покрытием. Чаще всего такая лента представляет собой полиэстер со светоотражающей поверхностью. Лента используется в пошиве спецодежды для тех случаев, когда работы ведутся в условиях плохого освещения.
Нашивки или наклейки на одежду. Второй по эффективности фликер — это отдельно крепящиеся к одежде полосы изсветоотражающей ткани. Они бывают разных форм и размеров, но чем они больше, тем выше шанс быть замеченным. Согласно рекомендациям, общая площадь светоотражателей должна быть не меньше 25 кв. см. Лучше всего выбрать крупные нашивки-наклейки из ПВХ и прикрепить их со всех четырех сторон: на груди, на спине и по обоим плечам, ведь автомобиль может появиться внезапно за любым поворотом
Светоотражающие жилеты. Жилеты не просто так стали обязательным элементом униформы дорожных рабочих и прочих специалистов, которые работают в темное время суток. Человека в белой куртке видно за 55 м, а человека в жилете — с расстояния 150 м. По ГОСТУ такие жилеты называются сигнальными и относятся к категории «Одежда специальной повышенной видимости». У них есть полоски светоотражательной ткани, и, кроме того, они сами сшиты из флуоресцентной зеленой или оранжевой материи. Сейчас такие жилеты шьют и на детей — их даже можно увидеть на малышах во время прогулки в некоторых детских садах.
Светоотражающие браслеты. Они изготавливаются из разных материалов. Основа – это тонкая стальная пластина. Светоотражающий эффект достигается благодаря специальному материалу – поливинилхлориду, который способен отражать свет. Стоит отметить, что чем светлее модель, тем лучше она справляется со своей функцией, поэтому лучше всего выбирать белые, желтые, светло-голубые светоотражающие браслеты для пешеходов.
Светоотражающие значки. Хотя для одежды лучше использовать нашивки и ленты, значки, прикрепляемые булавками тоже не будут лишними. Их можно прикрепить на сумку или рюкзак, чтобы водитель видел больше бликов. А для того, чтобы детям не хотелось их откреплять, производители делают брелоки в форме животных, смайликов, сердечек и звездочек, так что это не только мера безопасности, но и хороший аксессуар.
Большую популярность в последнее время обрели именно эти фликеры. Они легко прикрепляются к одежде, сумке или рюкзаку, имеют разные интересные рисунки, разнообразную цветовую гамму, отражают свет фар и фонарей в темное время суток. Так, например, наклейки пользуются большей популярностью, потому что очень легко крепятся. Они имеют клеящий слой, который и способствует прикреплению, однако, после нескольких стирок надежность крепления довольно сильно уменьшается. Поэтому рекомендуется все же пришивать наклейки, или крепить их при помощи булавок. Это относится к всевозможным светоотражающим полосам, значкам.
Принцип работы световозвращающих материалов
Световозвращатель представляет собой технологически сложное соединение микроскопических линз, преломляющих световой луч в обратном направлении, отражающего алюминиевого слоя (зеркала) и прочной тканевой основы. В настоящее время существует 2 основных типа микролинз - это мельчайшие стеклянные шарики и микропризмы. И в том и другом случае свет от источника падает на поверхность микролинзы, преломляется, отражается от внутренней поверхности и возвращается к источнику. Этим достигается оптический эффект возвращения потока света.
Микропризмы используются на полимерных материалах, в плёнках – это в основном ПВХ, т.к. точный микрорельеф пирамид на ПВХ в отличие от других полимеров можно нанести без воздействия высокой температуры, по специальным, присущим ПВХ, технологиям. По сути ПВХ микрокатафотные плёнки работают аналогично пластмассовым автомобильным, мото- и велокатафотам. Там также используются призмы, но не микро-, а видимые глазом с его обратной стороны.
На тканные и любые другие материалы, в основном, наносятся стеклянные микрошарики с алюминиевым слоем отражателя (эффект зеркала). Шарики, преломляющие свет, и алюминиевый отражающий слой дают лучший световой эффект, но уступают ПВХ-катафотам в износостойкости и по некоторым другим эксплуатационным характеристикам, поскольку полимерная плёнка однородна и пирамиды находятся изнутри, а стеклянные шарики наносятся на материал полимерным клеем и находятся на наружной рабочей поверхности.
Основные различия световозвращающих материалов.
Большое множество световозвращающих элементов изготавливается из материалов, которые имеют довольно мало различий. Световозвращающие материалы отличаются по типу оптического элемента, коэффициенту световозвращения, площади световозвращающей поверхности, а также химическим составляющим, которые имеют огромное значение при определении области применения световозвращателей.
Типы оптических элементов
Световозвращающие материалы различаются по типу основы материала (нейлон, хлопок-полиэстер, термоклеевая, кожзаменители, полиэтилен, ПВХ, бумага и др.).
В основном используются тканевая основа (нейлон, хлопок-полиэстер) и ПВХ-основа (поливинилхлорид или полиэтилентерефталат).
Коэффициент световозвращения
Теоретически отражающие поверхности должны отдавать 100 % падающего на них света, но на практике это не так. Яркость отраженного от поверхности света меньше, чем яркость источника.
Физической единицей, характеризующей яркость свечения малой единицы поверхности (бесконечно малой), является кандела (кд), а отношение яркости к площади поверхности характеризует ее полную яркость и измеряется в кд/м2.
Поверхности, обладающие зеркальным отражением, описываются значением яркости при освещении поверхности под малым углом - 8°, поскольку поверхность полностью отражает свет, а не рассеивает его. (рис. 9, а)
Поверхности с диффузионным отражением, описываются, как среднее значение яркости всей поверхности при ее освещении под углом 45° и под углом наблюдения равным 0°, то есть перпендикулярно поверхности. (рис. 9, б)
рис 9, (а)
Как мы уже знаем, большинство поверхностей в природе обладает смешанным видом отражения, и для их описания используют такую величину, как коэффициент отражения света. Этот коэффициент связывает полную яркость поверхности с освещенностью поверхности — кд/(лкм2). Коэффициент отражения света вполне применим для описания световозвращающих поверхностей, и называется он «коэффициентом световозвращения».
Условия наблюдения и освещение в значительной степени влияют на величину этого коэффициента. Примером может служить мокрая поверхность с одним коэффициентом и та же сухая поверхность, но уже с другим значением этого коэффициента. В характеристиках пленок вы можете встретить изменение коэффициента световозвращения при мокрой поверхности пленки. Оно часто указывается в процентах.
Световозвращающие материалы делятся на четыре группы по коэффициенту световозвращения:
Сверхвысокий КС > 600 cd/lx*m2
Высокий КС 450-600 cd/lx*m2
Средний КС 330-450 cd/lx*m2
Низкий КС < 330 cd/lx*m2
Площадь световозвращающих элементов
Большое значение имеет не только коэффициент световозвращения. Площадь световозвращателя также прямо влияет на то, насколько хорошо он будет заметен.
Исходя из международных стандартов, площадь световозвращающего элемента должна составлять от 15 см2 до 50 cм2, толщина не более 1 см.
Как выбрать светоотражатель?
Как мы уже рассмотрели ранее, световозвращатели бывают разные: и по материалам, из которых их изготавливают, и по дизайну, и по конструкции, по способу ношения, но самое важное – световозвращатели бывают эффективные и неэффективные. При выборе световозвращателя всегда стоит обращать внимание на его эффективность действия, которая зависит от 3 важных показателей:
Качество световозвращателя. То есть, насколько далеко его видно в свете фар. Этот показатель зависит от качества материалов и измеряется в показателях коэффициента световозвращения или коэффициента силы света (CIL).
Цвет световозвращателя. Чем ближе цвет световозвращателя к белому тем ярче его световозвращение. Не рекомендуется выбирать световозвращатели с темными (синими, черными) цветами. Предпочтение отдавайте белому, желтому, оранжевому цветам.
Удобство использования. Действительно, если даже самый хороший световозвращатель будет лежать на полке, то толку от него мало.
Какой световозвращатель выбрать пешеходу?
Поговорим о достоинствах и недостатках разных фигурных элементов.
Световозвращающие значки
Преимущества:
Долговечность
Высокий коэффициент отражения
Удобно прикреплять к верхней одежде, рюкзаку
Недостатки:
Для того, чтобы обеспечить круговую видимость недостаточно одного значка
Для прикрепления нужно прокалывать какой-либо участок материала одежды или сумки
Световозвращающие брелоки
Преимущества:
Долговечность
Удобно прикреплять к верхней одежде, рюкзаку
Используется микропризматическая технология изготовления
Недостатки:
Легко потерять
Для того, чтобы обеспечить круговую видимость недостаточно одного брелока
Световозвращающие браслеты
Преимущества:
Долговечность
Высокий коэффициент световозвращения
Универсальность, можно крепить на руку (подойдет для любого размера запястья), ногу, сумку, велосипед и т.п.
Обеспечивает круговую защиту на дороге
Недостатки:
Не рекомендуется к ношению до 3 лет, так как пружинная сталь слишком жестко фиксирует маленькую детскую руку
Световозвращающие наклейки
Преимущества:
Долговечность
Можно расклеить наклейки по кругу, для обеспечения хорошей видимости
Недостатки:
Технология стеклянных микросфер
Не клеится на определенные поверхности
В основном клеится на коляски, велосипеды, не подходит для крепления на одежду
Световозвращающие сигнальные жилеты
Преимущества:
Долговечность
Хорошая видимость
Устойчив к стирке
Адаптирован под детский размер
Недостатки:
Высокая стоимость
Таким образом, я смело могу сказать, что наиболее эффективным и выгодным вариантом являются световозвращающие сигнальные жилеты. Сочетание флуоресцентных и световозвращающих материалов, даже при относительно высокой цене товара дают огромное преимущество перед другими рассмотренными видами световозвращателей, которых для круговой видимости необходимости размещать со всех сторон. (примерная цена жилета 200-500 рублей)
Эксперимент, доказывающий светоотражающий эффект фликерных элементов.
Способствовать на отвлечение внимания водителя от пешехода может все, что угодно: сильный туман, проливной дождь, недостаточно чистое лобовое стекло, придорожная реклама. Светоотражатели способны привлечь внимание водителя.
Передвигаясь в темное время суток с дальним светом фар, водитель видит пешехода, не имеющего светоотражателей, только на расстоянии не более 100 метров, а пешехода со светоотражателем – на расстоянии больше 200 м. Чтобы проверить эти факты, мы провели эксперимент.
Для проведения эксперимента вместе с родителями выехали на неосвещенную дорогу. Я прикрепила к куртке световозвращающие наклейки, значки, а также надела на плечо световозвращающий браслет, прикрепила к рюкзаку световозвращающие брелоки, и стала измерять расстояние, на котором можно отойти от машины и быть заметными водителю при ближнем и дальнем свете фар. Я измеряла расстояние шагами. 1 шаг = 1 метр. Оказалось, что при ближнем свете фар я была заметна с расстояния 122 метра, а при дальнем свете фар - на 412 метров и всё ещё ярко выделялась на дороге.
Вывод: в ходе эксперимента я выяснила, что на верхней одежде световозвращательные элементы обладают большим светоотражающим эффектом.
Результаты анкетирования.
Мне стало интересно, знают ли о важности наличия световозвращающих элементов на верхней одежде, о принципе их работы, а также о том, какие именно светоотражатели являются наиболее эффективными школьники среднего звена.
Для того, чтобы это узнать мною был проведен онлайн-опрос, в котором участвовали 40 учеников 7-8 классов. Опрос состоял из 4 вопросов.
“Пользуетесь ли вы светоотражателями?”
положительно ответили лишь 16 учащихся
отрицательно ответили 24 учащихся
2. Знаете ли вы для чего нужны светоотражатели?
положительно ответили 28 учащихся
отрицательно ответили 12 учащихся
3. Понимаете ли вы принцип работы светоотражательных элементов?
положительно ответили 12 учащихся
отрицательно ответили 28 учащихся
4. Знаете ли вы, как правильно выбирать светоотражатели?
положительно ответили
отрицательно ответили
Исходя из результатов онлайн-теста, мною было принято решение разработать памятку для школьников и их родителей о световозвращающих элементах, в которой содержится самая главная информация.
Заключение.
В рамках моей исследовательской работы я изучила и проанализировала литературу по физике о световозвращающих элементах и их применение в жизни. В работе я исследовала принцип работы световозвращающих материалов, их свойства, характеристики, виды.
Данная работа имеет огромную ценность, так как вопросы безопасности человека будут актуальны всегда. Проведенный мною эксперимент доказывает увеличение видимости пешехода в темное время суток при использовании световозвращающих элементов. Именно в этом моя гипотеза нашла подтверждение. Надеюсь, что мои исследования и советы помогут людям сохранить здоровье и жизнь.
Использованные ресурсы:
http://svetlyachok-kmv.ru/info/o-svetovozvrashchatelyakh/raincoats.html
https://amigruppa.ru/articles/art_light/59635/
https://versia.ru/svetootrazhateli-na-odezhde-snizhayut-risk-popadaniya-v-dtp-v-65-raz
https://гибдд.рф/social/reflector/differences
https://pikabu.ru/story/svetootrazhateli_samaya_deshevaya_strakhovka_zhizni_7894975
https://nsportal.ru/nachalnaya-shkola/osnovy-bezopasnosti-zhiznedeyatelnosti/2020/03/06/svetovozvrashchatel-otlichie-ot
https://harbegon.ru/articles/vse-o-svetootrazhayushchikh-signalnykh-zhiletakh
https://www.syl.ru/article/435944/chto-eto-otrajenie-sveta-vidyi-otrajeniya-zakonyi-yavlenie-polnogo-vnutrennego-otrajeniya
https://odezhda.guru/komplektuyushhie/79-svetootrazhayuschie-naklejki
https://fb.ru/article/220839/chto-takoe-braslet-svetootrajayuschiy-zachem-on-nujen
https://mel.fm/zhizn/razbor/2487905-svetootrazhateli-dlya-peshekhodov-pochemu-oni-tochno-nuzhny-rebenku-v-gorode
https://wearpro.ru/siz/svetootrazhayushhaya-lenta-dlya-odezhdy.html