V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Оптические иллюзии

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Бондарев С.А. 1

---

1Одинцовская лингвистическая гимназия

Иваньшина Л.С. 1

---

1Одинцовская лингвистическая гимназия

Работа в формате PDF

6.1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования.

По утверждению исследователей, около 90% информации об окружающем мире человек получает посредством зрение. Однако далеко не все, что мы видим вокруг, достоверно отражает реальность, – это доказывают оптические или зрительные иллюзии, с которыми мы сталкиваемся гораздо чаще, чем нам кажется. Ошибки зрительного восприятия – это очень интересные примеры, раскрывающие особенности взаимодействия человека и окружающего мира.

Я заинтересовался изучением оптических иллюзий, потому что современные технологии, в том числе компьютерные, активно используют возможности «обмана» зрительного восприятия человека. Это и хорошо, и плохо. С одной стороны, такие технологии уже сейчас позволяют преобразовывать окружающее пространство, путешествовать по любым уголкам Земли и даже в придуманные художниками фантастические миры с помощью мобильных устройств, не покидая своего места. С другой стороны, привычка переноситься в мир оптических виртуальных иллюзий может обернуться для человека потерей связей с реальным миром, накладывающим на каждого определенные требования и обязательства. Как ни заманчив мир виртуальной реальности, человек вряд ли может стать в нем лучше.

Знание особенностей зрительного восприятия и возможностей современных технологий в искажении объективной реальности, в том числе посредством оптических иллюзий, необходимо современному человеку для здорового восприятия жизни.

Цель – исследовать возможности естественного и искусственного нарушения зрительного восприятия человека, искажающего ощущение реального пространства и получившего в научно-популярной литературе наименование «оптических иллюзий».

Задачи исследования:

– раскрыть содержание понятия «оптическая иллюзия»;

– изучить историю освоения этого явления в науке и в культуре от древности для наших дней;

– распределить оптические иллюзии по типам и видам, проанализировать характерные для каждой группы оптических иллюзий закономерности;

– провести эксперименты, подтверждающие возникновение оптических иллюзий при определенных условиях;

– подготовить наглядные пособия, демонстрирующие возможности создания оптических иллюзий;

– найти удобную, эффективную методику фокусирования взгляда для рассматривания стереоскопических (3D) картинок;

– выяснить, что знают об оптических иллюзиях учащиеся 3-х классов Одинцовской лингвистической гимназии;

– рассмотреть область применения технологий, связанных с оптическими иллюзиями, в современном мире, в городской культуре, шоу-индустрии, в сфере виртуальных технологий.

Гипотеза исследования.

Возникновение оптических иллюзий связано с нарушениями привычных, устойчивых механизмов зрительного восприятия окружающего пространства по причине изменений условий внешней среды или изменений работы зрительного аппарата.

Объект исследования: особенности зрительного восприятия окружающего пространства.

Предмет исследования: нарушения, обманы зрительного восприятия пространства, проявляющиеся в таких физических явлениях, современных технологиях и продуктах культуры, как миражи, оптические иллюзии, стереоскопическое кино (3D-кинотеатры), стереограммы (3D-картинки), объемный стрит-арт и др.

Методы:

– сравнение исторических свидетельств и документальных источников;

– изучение научной и научно-популярной литературы, информации, посвященной оптическим иллюзиям;

– анализ собственных зрительных впечатлений от просмотра оптических иллюзий (в том числе 3D-кино);

– опрос учащихся 3-х классов Одинцовской лингвистической гимназии;

– эксперименты по воссозданию условий возникновения оптических иллюзий.

Продукт исследования:

– наглядные пособия, иллюстрирующие особенности иллюзорного восприятия явлений действительности;

– презентация, представляющая оптические иллюзии разных типов и видов.

Часть 1. ОПТИЧЕСКИЕ ИЛЛЮЗИИ

В ИСТОРИИ НАУКИ И КУЛЬТУРЫ

Научные явления интересно изучать, когда они связаны с личными жизненными впечатлениями.

Впервые с оптическими иллюзиями я познакомился года три назад во время летней поездки на дачу. В жаркий солнечный день мы с родителями ехали на машине по асфальтовой дороге, на которой вдалеке явственно виделись лужи (Рис. 1). Однако когда машина приближалась к лужам, они исчезали. Тогда родители объяснили мне, что причина обмана зрения – в горячем воздухе, который нагревается от раскаленного асфальта и особым образом преломляет солнечный свет.

Второе впечатление было связано со спиннерами. Как-то вечером, раскрутив спиннер на столе вблизи настольной лампы, я заметил, что во время его вращения образ спиннера, похожий на мираж, замедляясь, а потом снова разгоняясь, совершает плавные вращательные движения то в одну, то в другую сторону. Спиннер я раскручивал по часовой стрелке, а образ его попеременно вращался то по часовой, то против часовой стрелки. Папа сказал мне, что это непростое физическое явление и посоветовал сделать то же самое при дневном свете. Когда я раскрутил спиннер при дневном свете, миража, вращающегося в разные стороны, не было.

Папа поделился еще одним интересным опытом, который я хочу проверить летом. Если ночью в темноте опустить кончик длинной палочки в костер, дождаться, когда на нем образуется красный уголек, а потом начать размахивать им, в воздухе будут висеть круги, восьмерки и другие фигуры, передающие траекторию движения палочки. Глаз будет разом видеть всю траекторию, а не мелькание огонька (Рис. 2).

С папой тем же вечером мы провели эксперимент: взяли старый калькулятор со светодиодным дисплеем и в темноте стали им быстро размахивать. В воздухе повисли не связные линии, а ожерелья красных цифр – как наложенные друг на друга кинокадры. Не было никаких полос и линий. Это было удивительно.

Тогда же я узнал, что все эти явления – обманы зрения – относятся к области, которая называется оптическими иллюзиями. Мир оптических иллюзий оказался очень богатым и разнообразным. И мне захотелось в нем разобраться.

Выяснилось, что систематически изучать оптические иллюзии ученые начали примерно с середины XIX века, тогда же вошло в обиход это понятие. «Оптика» (от древне-греческого ὀπτική – появление или взгляд) – это раздел физики, изучающий природу света и взаимодействие света с веществом, в том числе с человеческим организмом. А слово «иллюзия» (от латинского illusio — заблуждение, обман) – указывает на искажение восприятия действительности, обман чувств.

Несмотря на то, что история научного изучения оптических иллюзий насчитывает около 150 лет, знакомы с этим явлением люди были еще в глубокой древности.

Великий греческий философ Аристотель в 350 году до нашей эры писал: «Нашим чувствам можно доверять, но их все же легко обмануть». Например, он заметил, что если долгое время смотреть на водопад, а затем перевести взгляд на неподвижный горный склон, может показаться, будто скалы движутся в направлении, противоположном потоку. Современные исследователи называют этот оптическое явление эффектом последействия движения или иллюзией водопада.

Известная со времен древнеримского астронома Птолемея иллюзия восприятия небесных светил в увеличенном объеме в момент их нахождения около линии горизонта и сейчас вызывает общий интерес.

Уже в древности путешественники и мореплаватели сталкивались с миражами в пустынях и на просторах морей. Тогда они пугались оптических иллюзий, так как думали, что это результат действия злых духов. Миражи отражали не только красивые замки или острова, как рассказывают об этом древние легенды, но и обычные лодки, корабли, здания.

Многие путники, введенные в заблуждение эфемерными видениями оазисов в пустыне, погибали от жажды. Даже сейчас, в XXI веке для путешественников составляют специальные карты с отметкой мест, где обычно наблюдаются миражи. На этих путеводителях указано, где могут привидеться колодцы, а где – пальмовые рощи и даже горные цепи.

Жертвами миражей нередко становятся караваны в пустыне Эрг-эр-Рави на Севере Африки. Перед людьми «воочию» на расстоянии 2–3 километров предстают оазисы, до которых в действительности не менее 700 километров.

Среди мореплавателей сотни лет назад ходили легенды о кораблях-призраках, «летучих голландцах» – иллюзиях, которые получили также название «фата-моргана» (по имени мифической феи Морганы, живущей на дне моря и обманывающей моряков).

А вот другие интересные исторические свидетельства.

Один человек в 1852 году с расстояния 4 километров увидел Страсбургскую колокольню совсем рядом. Изображение было гигантским, точно колокольня предстала перед ним увеличенная в 20 раз.

3 апреля 1900 года защитники крепости Блумфонтейн, в Англии, увидели в небе боевые порядки британской армии, притом так четко, что можно было различить пуговицы на красных мундирах офицеров. Это было воспринято как дурное предзнаменование, и через два дня крепость сдалась.

В 1902 году американский ученый Роберт Вуд сфотографировал двух мальчиков, мирно бредущих по водам Чесапикского залива между яхтами. Причем рост мальчиков на фотографии превышал 3 метра.

10 декабря 1941 года в 11 часов утра команда британского транспорта «Вендор», находящегося в районе Мальдивских островов, заметила на горизонте горящий корабль. «Вендор» пошел на выручку терпящим бедствие, но через час горящий корабль завалился набок и затонул. «Вендор» подошел к предполагаемому месту гибели корабля, но, несмотря на тщательные поиски, не нашел ни обломков, ни пятен мазута. В порту назначения, в Индии, командир «Вендора» узнал, что в ту самую минуту, когда его команда наблюдала трагедию, тонул крейсер, атакованный японскими торпедоносцами неподалеку от Цейлона. Расстояние между кораблями на тот момент составляло 900 километров.

Важно отметить, что, сталкиваясь с разными природными иллюзиями, люди научились использовать в своих целях определенные оптические закономерности. Еще в Древней Греции эти закономерности целенаправленно применялись в архитектуре для создания желаемых пространственных впечатлений, например, для кажущегося увеличения высоты и площади залов. Архитекторы иногда намеренно нарушали геометрию строения: изменяли пропорции, отклоняли элементы от вертикали или горизонтали, искривляли их контуры и т.п. С помощью таких приемов им удавалось «перехитрить» зрение.

Например, древними зодчими было подмечено, что светлые предметы на темном фоне по размеру кажутся больше, чем они есть на самом деле, а темные на светлом, наоборот, меньше. Римский архитектор и инженер Марк Витрувий, живший в I веке до нашей эры, свидетельствовал о своих впечатлениях: при сочетании темного и светлого свет «пожирает» мрак. Действительно, в белой одежде человек выглядит полнее, нежели в черной, а ветви деревьев в лучах солнца заметно «истончаются».

Взяв в расчет эту закономерность, архитекторы Древней Греции пошли на хитрость – они стали делать колонны своих построек разной толщины. Примером служит знаменитый Парфенон – главный храм афинского Акрополя, построенный в 447–438 годах до н.э. (Рис. 3). Его создатели, архитекторы Иктин и Калликрат, учли, что для угловых колонн фоном будет яркое небо Эллады, а для остальных – темный фон, создаваемый святилищем храма. Поэтому они сделали угловые колонны более широкими и уменьшили расстояние между ними и соседними колоннами. Благодаря этим «поправкам» издали все колонны выглядели совершенно одинаково, а разница между ними обнаруживалась только при непосредственном измерении.

В архитектуре Парфенона таятся и другие оптические иллюзии: когда глаз «скользит» по колоннаде, заполненное ею пространство зрительно удлиняется, отчего здание кажется более протяженным, более величественным. По той же причине постройки, украшенные орнаментами и скульптурами, кажутся нам больше, чем не имеющие украшений.

Древние греки использовали также такой прием: отклоняли элементы верхней части постройки от вертикального положения. Например, фронтон устанавливался под углом, наклонялся немного вперед – примерно так, как вешают картины в галереях. Архитекторы уже знали о том, что вертикальные и горизонтальные прямые при значительной длине кажутся не параллельными. Чтобы колонны здания визуально не расходились, при установке их слегка наклоняли внутрь. А чтобы колонны не казались вогнутыми, их немного утолщали на уровне трети высоты. Прием этот получил название «энтазис» от греческого слова entasis (напряжение, усиление). Кроме того, колонны сужали кверху, зрительно удлиняя их и делая менее массивными.

Другое оригинальное архитектурное достижение греков состояло в том, что внутреннюю колоннаду в храмах они возводили иногда двухэтажной. В Парфеноне, например, это было сделано для достижения иллюзии большей высоты статуи богини Афины, установленной в святилище. На фоне двухэтажного сооружения она смотрелась крупнее, чем есть, и оттого выглядела более торжественно и величественно.

Оптические закономерности восприятия пространства были знакомы и древнерусским зодчим. Один из примеров – Троицкий собор в Троице-Сергиевой лавре, сооруженный в 1422 году над гробом преподобного Сергия Радонежского (Рис. 4). Его наружные стены имеют заметный наклон к центру здания, благодаря чему усиливается впечатление устойчивости всего строения. Барабан со щелевидными окнами, на котором возвышается купол храма, сужается кверху. Этот прием зрительно вытягивает храм, он выглядит выше, чем есть на самом деле.

В православном храме возникает и другая иллюзия: внутри он кажется более высоким, чем есть в действительности. Достигается такой эффект не без помощи поправок в геометрии строения. При строительстве Троицкого собора, например, были наклонены внутрь стены выше арок порталов и столбы, служащие опорами свода. Еще больший эффект высоты создают крутые линии арок и сводов.

В XIX веке началось активное изучение закономерностей восприятия и особенностей органов чувств человека. Именно тогда исследователи стали классифицировать оптические иллюзии и анализировать причины их возникновения.

Вскоре оптическими иллюзиями увлеклись и художники – в 1950-х годах появилось целое направление в искусстве, посвященное оптическим иллюзиям – оп-арт (от английского optical art – «оптическое искусство»). Одним из основоположников оп-арта считается французский художник и скульптор Виктор Вазарели, – его работы часто приводят в качестве ярких примеров оптических иллюзий (Рис. 5).

В начале XXI века интерес к механизмам зрительного восприятия продолжает расти – появляются новые научные теории, с помощью которых ученые пытаются объяснить механизмы возникновения оптических иллюзий. Интерес к этой проблеме столь высок, что на протяжении вот уже десяти лет ежегодно проходят конкурсы на лучшую оптическую иллюзию.

Сегодня зрительные иллюзии активно используются в архитектуре, в дизайне, в искусстве (в том числе в популярном направлении стрит-арта), в цирковом искусстве, даже в военном деле. Зрительные иллюзии стали основой кинематографии и телевидения, многих современных компьютерных (в том числе, виртуальных) технологий. Многие из них очень интересны и увлекательны. Тесно переплетаясь с действительностью, они оказывают на мировосприятие человека огромное воздействие. Однако, оставаясь иллюзиями, то есть зрительным обманом, они несут риск искаженного восприятия окружающего мира и его закономерностей. Для того чтобы не поддаваться обману, их необходимо изучать.

Часть 2. ТИПЫ И ВИДЫ

ОПТИЧЕСКИХ ИЛЛЮЗИЙ

В этой части работы предлагается классификация оптических иллюзий по типам, а также поясняются возможные причины их возникновения.

Как можно заключить из материала 1 части работы, причина возникновения оптических иллюзий бывает связана с изменениями во внешней среде, через которую проходят световые лучи. Именно поэтому оптические иллюзии часто появляются там, где соседствуют или взаимодействуют разные среды: воздух и жидкость, потоки горячего и холодного воздуха; где соседствуют разные предметы: близкие и далекие, высокие и низкие.

Точно также причиной возникновения оптических иллюзии может стать нарушение механизмов зрительного восприятия, то есть изменение в работе зрительных органов и мозга человека. В этом случае искажения в восприятии объектов и картин вызваны не средой, через которую проходят световые лучи, а самими органами зрения. Поскольку видимые образы – результат длинной цепи анализа световых сигналов, в который вовлечен оптический аппарат глаза, сетчатка, множество мозговых отделов зрительной системы, очевидно, что разные зрительные иллюзии отражают особенности функционирования разных звеньев этого пути.

Другой критерий, который можно ввести для классификации оптических иллюзий – их естественная или искусственная природа. Ведь с какими-то оптическими иллюзиями человек спонтанно и часто неожиданно для себя сталкивается в природе и в жизни, а какие-то еще со времен Древней Греции используются намеренно для украшения окружающего мира или для развлечения.

Если учитывать оба критерия, получается, что оптические иллюзии можно разделить на 4 условные категории:

1. Естественные, вызванные преломлениями света в окружающей среде.

2. Естественные, связанные с особенностями механизма зрительного восприятия.

3. Искусственные, использующие возможности преобразования окружающего пространства.

4. Искусственные, использующие особенности зрительного восприятия.

Разберем некоторые примеры из научно-популярной литературы и из сети Интернет. Разные изученные источники показали огромное разнообразие мира оптических иллюзий.

1. Естественные иллюзии, вызванные изменениями в окружающей среде.

К этой категории относятся миражи в пустыне или миражи над водной поверхностью, известные как фата-моргана (Рис. 6, 7).

Мираж – это игра световых лучей. Слово «мираж» происходит от французского слова и обозначает «отражать, как в зеркале», причем в роли «зеркала» выступает воздух. Оказывается, воздух состоит из нескольких слоев, которые имеют разную температуру и плотность. Когда лучи переходят из одного слоя в другой, они начинают преломляться, а если разница температуры слоев большая, то лучи вообще начинают отражаться, при этом, создавая иллюзии, которые называют миражами. Так, например, в пустыне песок раскаляется под солнцем, нижний слой воздуха нагревается и начинает отражать предметы, как зеркало. Нижние миражи можно, например, наблюдать на раскаленной солнцем асфальтовой дороге.

Фата-Моргана – миражи, которые видят моряки над водной поверхностью – выполняет сложные трюки: образ этого миража сложный, меняющийся. Оно может переворачиваться, сжиматься, растягиваться. Это красивое оптическое явление появляется вследствие того, что лучи солнца, проходящие через нагретые воздушные слои, преломляются.

Другая разновидность естественных иллюзий, вызванных изменениями во внешней среде, – гало (Рис. 8).

Если Солнце находится на малой высоте над горизонтом, а в атмосфере присутствуют микроскопические кристаллы льда, наблюдатели могут заметить несколько светлых радужных пятнышек справа и слева от Солнца. Эти причудливые солнечные гало следуют за светилом по небосводу, в какую бы сторону оно не направлялось.

Днем гало появляется вокруг Солнца, а ночью – вокруг Луны или других источников света, например, уличных фонарей. Существует множество разновидностей гало. Практически все гало вызваны преломлением света при прохождении через ледяные кристаллы. Вид гало определяется формой и расположением этих маленьких кристалликов.

2. Естественные иллюзии, вызванные особенностями зрительного восприятия.

К этому типу иллюзий можно отнести слепое пятно, явления иррадиации, инерции зрительного восприятия и ряд других.

Наличие слепого пятна, то есть участка на сетчатке каждого глаза, не воспринимающего свет, связано с тем, что в том месте, где в глаз входит зрительный нерв, нет светочувствительных окончаний нервных волокон. Изображения предметов, приходящиеся на это место сетчатки, не передаются мозгу. Казалось бы, слепое пятно должно мешать нам видеть весь предмет, но в обычных условиях мы этого не замечаем. Прежде всего, потому, что изображения предметов, приходящиеся на слепое пятно в одном глазу, в другом проектируются не на слепое пятно. Во-вторых, потому, что выпадающие части предметов заполняются образами соседних частей, находящихся в поле зрения.

Явление иррадиации часто встречается в жизни. Светлые предметы на темном фоне кажутся нам больше, чем темные на светлом (Рис. 9). В темной одежде люди выглядят тоньше, чем в светлой. Смотря на солнце через крону березы, листья кажутся нам меньше, чем они есть на самом деле. Глядя на молодой серп луны, может показаться, что его радиус больше радиуса самой луны.

Инерция зрения. Суть этой оптической иллюзии заключается в том, что сетчатка глаза (глазное дно) под действием световых лучей на некоторое время сохраняет полученное изображение. Эффект тем сильнее, чем выше цветовая контрастность и яркость наблюдаемого рисунка. Именно поэтому мы и получаем возможность в темноте «рисовать» палочкой с горящим угольком разные узоры.

Инерцией зрения можно объяснить и то, что зрение как бы «уравновешивает» одно яркое впечатление противоположным. Например, если долго и неотрывно смотреть на негативное изображение, то потом, закрыв глаза, можно увидеть это же остаточное, тающее изображение, но в позитиве. Черные цвета меняются на белые, красные – на зеленые, голубые – на желтые и наоборот.

Станция Московского центрального кольца «Деловой центр» покрыта изумрудно-зеленой прозрачной крышей – как в «Волшебнике Изумрудного города» (Рис. 10). Когда на поезде выезжаешь из под купола этой станции, все вокруг несколько секунд кажется красновато-розовым. Так проявляет себя инерция зрительного восприятия.

Относительность восприятия размеров природных объектов.

Когда полная Луна склоняется низко над горизонтом, она визуально имеет намного больший размер, чем когда находится высоко в небе (Рис. 11). Это явление волновало многих ученых, пытавшихся найти ему разумное объяснение. Сегодня принято считать, что это – обычная оптическая иллюзия. Известно, что визуальное восприятие размеров видимого человеком объекта определяется габаритами других предметов, наблюдаемых по соседству. Когда Луна находится низко над горизонтом, в поле зрения человека попадают дома, деревья и другие более мелкие и, как правило, более темные объекты. На их фоне ночное светило кажется большим, чем оно есть в действительности.

Этим же принципом относительности восприятия размеров природных объектов объясняется иллюзия Эббингауза (Рис. 12). Размеры оранжевых кругов одинаковы, но зрение обманывает нас: кажется, что в окружении маленьких шариков оранжевый круг больше. Предметы всегда будут казаться больше своей реальной величины на фоне более мелких предметов, и наоборот.

Не менее известной иллюзией восприятия размера является иллюзия Мюллера-Лайера (Рис. 13). Посмотрев на рисунок, многие скажут, что отрезок со стрелками наружу длиннее отрезка со стрелками, направленными внутрь. На самом деле отрезки равны.

Еще один пример такого вида иллюзии – иллюзия Понцо(Рис. 14). Всем кажется, что дальний отрезок больше ближнего. Однако они равны. Иллюзия создается из-за ошибки нашего мозга, потому что он привык, что, чем дальше предмет, тем он меньше.

Иллюзии искажения формы.

Параллельные линии будут восприниматься как непараллельные, если их рассматривать на фоне взаимно пересекающихся косых линий (Рис. 15). Круг теряет свою правильную форму, если его рассматривать на фоне кривых линий.

Этот вид иллюзий находит свое объяснение в том, что резко выраженные особенности фона влияют на восприятие расположенных на этом фоне предметов.

3. Искусственные иллюзии, связанные с намеренным изменением (искажением) окружающего пространства.

Этот тип иллюзий включает большое количество находок человека по обману зрительного восприятия за счет изменения окружающего пространства. Этим методом активно пользуются фокусники-иллюзионисты. Иллюзии в цирке создаются за счет использования специальных приспособлений – двойное дно, специальные пружины, скрытые перегородки, определенная установка зеркал. Хитроумные аппараты осуществляют всевозможные «загадочные» исчезновения и появления вещей и людей, служат для парения предметов и людей в воздухе (Рис. 16), распиливания их или сжигания.

Но не только иллюзионисты намеренно искажают наше зрительное восприятие окружающего мира. Как мы видели, активно этим пользуются архитекторы (еще со времен Древней Греции), а также художники, дизайнеры.

Например, иллюзорный «Растаявший дом» (Рис. 17). Это лишь рисунок на брезенте, которым закрыли дом в Париже, находящийся на реконструкции. Идея и воплощение принадлежат художнику Питеру Давали.

Одним из лучших примеров оптической иллюзии в архитектуре является дом таможенной службы в Мельбурне, Австралия (Рис. 18). Каждый этаж дома одинаковой высоты, хотя создается впечатление, будто они то расширяются, то сужаются. Этот дом воспроизводит так называемую «иллюзию стенки кафетерия», которую заметили в 1979 году в одной из кофеен английского города Бристоль.

Не менее яркое впечатление производят сегодня на жителей городов обманные граффити в стиле стрит-арт: рисунки на стенах домов или на асфальте (Рис. 19-21). Под определенным углом просмотра они смотрятся очень эффектно!

«Невозможные фигуры». Интересные оптические иллюзии, вызванные попыткой нашего сознания представить видимое изображение в реальности, относятся к классу так называемых «невозможных» фигур (Рис. 22). Такие фигуры представляют собой двухмерное изображение трехмерных, объемных объектов. Но при внимательном их рассмотрении становится ясно, что такие фигуры нарушают привычные закономерности.

Запоминающимся примером комплексного искусственного преобразования окружающего пространства служит комната Эймса. Это помещение неправильной формы, используемое для создания трехмерной оптической иллюзии. Комната, спроектированная американским офтальмологом Альбертом Эймсом, построена так, что спереди выглядит как обычная комната кубической формы с задней стенкой и двумя боковыми стенами, параллельными друг другу и перпендикулярными к горизонтальным плоскостям пола и потолка. Однако истинная форма комнаты трапециевидная: стены наклонены, потолок и пол также находятся под наклоном, а один из углов находится гораздо ближе к зашедшему в комнату наблюдателю, чем другой.

В результате оптической иллюзии человек, стоящий в одном углу, кажется наблюдателю гигантом, в то время как человек, стоящий в другом углу, – карликом. Иллюзия настолько убедительна, что человек, идущий вперед и назад от левого угла в правый угол, «растёт» или «уменьшается» на глазах.

Принцип комнаты Эймса широко используется в кино и на телевидении для создания спецэффектов, когда человека на самом деле нормального роста необходимо показать в качестве гиганта или карлика.

4. Искусственные, нацеленные на изменение (обман) работы зрительного восприятия.

Примером иллюзий такого типа может служить оптическая иллюзия «Вращающиеся змеи» (Рис. 23), которую разработал японский ученый-врач Акиоши Китаока. Ощущение движения неподвижной картинки возникает, когда глаз цепляется за мелкие детали, как бы «ощупывает» изображение. Если взгляд остановить, иллюзия движения пропадает.

Одно и то же вращающееся изображение может вращаться в разные стороны. Большинство иллюзий движения неподвижных картинок построены на регулярном повторе разных по яркости или цвету фрагментов. Разглядывая их, глаз совершает быстрые скользящие движения – саккады. Саккады играют ключевую роль в рассматривании иллюзий подобного типа. В ходе экспериментов ученые выяснили, что при взгляде на такие картинки активизируются те же нейроны, что и при взгляде из окна быстро движущегося поезда, когда кажется, что пейзаж «едет мимо», а не наоборот.

Стереоскопические картинки не только интересны и необычны (Рис. 24, 25). На первый взгляд они представляют собой неразборчивые узоры, но если посмотреть на картинку правильно, можно увидеть то, что на самом деле изображено на ней. Для этого следует попытаться перефокусировать взгляд на условную точку позади картинки, одновременно совместив схожие узоры, находящиеся поблизости. Тогда стереокартинка начнет раздвигаться вглубь и вширь, открывая глазу невидимое ранее объемное пространство с объемными фигурами.

Также к категории искусственных иллюзий, задействующих сложные механизмы зрительного восприятия, относится популярное сейчас 3D-кино, которое смотрят в специальных 3D-очках.

Часть 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

ОПТИЧЕСКИХ ИЛЛЮЗИЙ

Для проверки гипотезы и воссоздания условий, при которых возникают оптические иллюзии, было проведено несколько практических экспериментов.

Эксперименты на преломление света в разных средах.

1. Было проведено наблюдение за цветным изображением, расположенным позади кастрюли с кипящей водой, и установлено, что поднимающийся пар искажает (преломляет) световые лучи, идущие от изображения к глазу.

2. Было проверено, что изображение позади банки с налитой в нее водой (например, стрелочки) меняется на зеркальное. Слои воды и стекла преломляют световые лучи.

3. Проведен эксперимент на визуальное восприятие стеклянного шарика в двух средах: в пресной воде и в подсолнечном масле. В стакане с водой шарик был хорошо виден, а масле – практически не виден (Рис. 26). Объяснение найдено в научно-популярной литературе: коэффициенты преломления света у стекла и масла практически одинаковые, а прозрачные объекты с одинаковым коэффициентом преломления света визуально сливаются.

Эксперимент, выявляющий механизм инерции зрительного восприятия.

1. Просмотр нескольких видеороликов, на которых негативное цветное изображение сменялось черно-белым, показал, что такое изображение визуально воспринимается как цветное – сетчатка «раскрашивает» его противоположными цветами: – черный заменяется белым, зеленый – красным; желтый – голубым, и наоборот.

2. Схожий эффект можно было наблюдать, выезжая на поезде из-под зеленого купола станции «Деловой центр» Московского центрального кольца (Рис. 10): все вокруг приобретало красновато-розоватые тона.

В научно-популярной литературе было найдено объяснение этому явлению. Колбочки (клетки-рецепторы) на глазном дне воспринимают три цвета: красный, зеленый и голубой. Если долго и пристально смотреть на зеленый цвет, рецепторы, отвечающие за него, перегружаются, и вместо них активно начинают работать красный и голубой рецепторы.

3. Механизм инерции зрительного восприятия проверялся на быстро сменяющихся картинках с помощью специальной быстро вращающейся картонки, на одной стороне которой был нарисован аквариум, а на другой – рыбка. Картинки совмещались – рыбка попадала в аквариум. Также был приобретен и изучен альбом «Синематографика». Было установлено, что перемещение специальной разлинованной пластины визуально связывает отдельные «кадры» и создает иллюзию оживления картинок.

4. Еще одним ярким экспериментом стало создание волчка или диска Бэнхема (Рис. 27). Черно-белые полосы при вращении создавали иллюзию цвета. Можно было разглядеть и фиолетовый, и зеленоватый, и коричневый цвета, которых в действительности не было. Интересно, что точного и окончательного объяснения этой иллюзии у ученых нет до сих пор.

Эксперимент, выявляющий стробоскопический эффект.

Загадка вращающегося поочередно то в одном, то в другом направлении миража спиннера, о котором речь шла в начале работы, связана с тем, что называют стробоскопическим эффектом. И причина возникновения этой иллюзии, как было установлено, вызвана быстрым, незаметным глазу мерцанием искусственных источников освещения. Это мерцание «покадрово» высвечивало разные положения лепестков спиннера, так что глазу казалось, что он кружится то в одном, то в другом направлении. Дневной свет не мерцает, поэтому в естественных условиях этой иллюзии не наблюдалось.

Глазу кажется, что спиннер вращается в противоположном направлении, когда в каждой последующей высвеченной мерцающей лампой позиции лепесток спиннера «не успевает» достичь той точки, в какой он находился в момент предыдущей вспышки.

Стробоскопический эффект объясняет иногда наблюдаемое в кинематографе явление, когда, например, колеса начинают вращаться в обратном движению транспортного средства направлении. Кадры кинопленки поочередно «схватывают» такие позиции вращающегося колеса, которые создают иллюзию обратного вращения.

«Ожерелья» цифр на калькуляторе также объяснялись мерцанием светодиодных ламп дисплея; при быстром движении калькулятора в воздухе каждая «вспышка» «повисала» своим отдельным «кадром». А вот накладывались кадры друг на друга в силу инерции зрения. Интересно здесь то, что мозг человека как бы задерживает на несколько мгновений отдельные зрительные образы, из-за чего быстро сменяющиеся впечатления сливаются в связную целостную картину. Именно поэтому в темноте горящим угольком-точкой можно рисовать в воздухе разные линии и другие фигуры.

Оказалось, что еще в 1765 году французский физик Шевалье д’Арси предоставил в Академию наук доклад об опыте с вращением в темноте колеса, на обод которого прикреплялись раскаленные угли. На основании этого опыта д’Арси утановил, что длительность «персистенции сетчатки человеческого глаза», то есть задержки зрительного образа, длится примерно тринадцать сотых секунды. По современным представлениям – около 0,06 секунды.

Анкетирование учащихся 3-4-х классов Одинцовской лингвистической гимназии.

Проведенное анкетирование среди учащихся 3-4-х классов Одинцовской лингвистической гимназии (см. Приложения №№ 1, 2) показало, что учащиеся начальной школы в целом слабо ориентируются в оптических иллюзиях, легко покупаются на зрительные обманы. В четырех ключевых тестовых вопросах только 39% участников опроса (чуть больше 1/3) дали верные ответы. А стереоскопическую картинку, приведенную в самом конце теста, правильно распознать не смог никто из 44 участников опроса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе исследования мы пришли к выводу: осознанию процесса собственного зрительного восприятия нужно уделять внимание, нужно учиться контролировать собственные впечатления, проверять себя и не доверять всему подряд на глаз. Следует подключать логику и производить необходимые измерения.

В процессе проведения исследования и практических экспериментов было найдено подтверждение тому, что возникновение оптических иллюзий связано с нарушениями привычных, устойчивых механизмов зрительного восприятия окружающего пространства, а также по причине изменений (нарушений) в работе механизмов зрительного восприятия. Более того, изучение научно-популярной литературы показало, что большую роль в возникновении оптических иллюзий играет работа не только зрительного аппарата (глаза, сетчатки), но и работа мозга, в том числе, воображения.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Артамонов И.Д. Иллюзии зрения. – М., 1969.

Большая электронная энциклопедия Кирилла и Мефодия.

Дёмин П. Физические эксперименты и психологические иллюзии. – М., 2006.

Луизов А.В. Цвет и свет. – М., 1989.

Перельман Я.И. Занимательная физика. – М., 2010.

Пирожников Л.Б. Что такое голография? М., – 1982.

Рутерсвард О. Невозможные фигуры. – М., 1990.

http:/noviten.Com N. // Зрительные иллюзии и феномены.

http:/basik.ru. // Зрительные иллюзии и феномены

http://illuzi.ru/node/633#ill_info // сайт, посвященный оптическим иллюзиям

http://proglaza.ru/stroenieglaza/setchatka.html // Строение сетчатки глаза человека

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

АНКЕТА

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

РЕЗУЛЬТАТЫ АНКЕТИРОВАНИЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

ИЛЛЮСТРАЦИИ