VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Оптические иллюзии
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Посредством глаза, а не глазом,
смотреть на мир умеет разум
Уильям Блейк
Введение
Изучение и объяснение оптических иллюзий является актуальным. Зрительные иллюзии очень интересный и необычный феномен, с которым может встретиться в жизни любой человек, но при этом не каждый знает и понимает, что с ним происходит. Столкнувшись с оптической иллюзией люди, наверняка, задают себе вопрос, почему же так получается, и пытаются раскрыть тайну этого явления.
Для меня стала интересна тема знания истинных причин иллюзий. Ведь знание причин помогает объяснить обманы зрения и даже устранить суеверия, с ними связанные. Большинство обманов зрения обусловлено тем, что мы не только смотрим, но и бессознательно рассуждаем.
Цель состоит в том, чтобы изучить оптические иллюзии, ознакомиться с видами иллюзий и узнать как можно применять полученные знания в повседневной и научной деятельности.
Объект – оптические иллюзии.
Предмет – виды оптических иллюзий и разнообразное использование оптических иллюзий в нашей жизни.
Гипотеза: оптические иллюзии это не вымысел, а реальность. Оптические иллюзии окружают нас повсюду и этот поразительный мир скрывает в себе не всегда секрет фокуса, а чаще это лишь обман зрения.
Задачи:
Изучение понятия «оптические иллюзии».
На конкретных примерах раскрыть разновидности оптических иллюзий.
Исследовать применение оптических иллюзий в жизни.
Основная часть
С давних пор люди не только поражаются обманом зрения и забавляются зрительными иллюзиями, но и сознательно используют их в своей практической деятельности, пытаясь изобразить объёмные тела на плоскости так, чтобы чувствовалась глубина пространства.
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.
Сталкиваясь с разными природными иллюзиями, люди научились использовать в своих целях определенные оптические закономерности
В Древнем Риме дома украшали 3D мозаиками, а в Греции для постройки величественных пантеонов использовали перспективу.
Ошибки восприятия умели использовать ещё древние зодчие, когда создавали разные архитектурные формы. Чтобы скорректировать искажения, мастера прибегали к оптическим поправкам ещё на стадии проектирования сооружения. Они сознательно нарушали геометрию строения: изменяли пропорции, отклоняли элементы от вертикали или горизонтали, искривляли их контуры и т.п. Считается, что более всех преуспели в этом искусстве греки, научившиеся придавать архитектурным формам особую пластичность и выразительность (Приложение 1.Рис.1). Угловые колонны Парфенона афинского Акрополя кажутся по толщине одинаковыми с остальными, хотя диаметр их больше, также больше диаметр каждой колонны внизу, по сравнению с диаметром вверху, что придает сооружению особую величественность.
Оптические закономерности восприятия пространства были знакомы и древнерусским зодчим. Один из примеров – Троицкий собор в Троице-Сергиевой лавре, сооруженный в 1422 году (Приложение 1, Рис. 2). 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.
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 opticalart – «оптическое искусство»).
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.
Понятие оптической иллюзии
Что же такое оптическая иллюзия
Человеческий организм – сложнейшая саморегулирующая система. Наши органы чувств передают информацию об окружающем мире и изменениях вокруг, позволяя организму запоминать и по-своему интерпретировать результаты. Но иногда даже совершенная система может давать сбой и ошибаться.
Оптическая иллюзия, также зрительная иллюзия — ошибка в зрительном восприятии, вызванная неточностью или неадекватностью процессов неосознаваемой коррекции зрительного образа или попросту говоря оптический обман нашего мозга.
Когда наш глаз получает картинку – включается огромное количество процессов в нашем мозге. Мы начинаем анализировать этот процесс словно компьютер. Начинается анализ расположения основных граней и углов, структура цвета на виде или позиция источника света. И во многих случаях этот анализ неосознанно получается неточен – происходит коррекция зрительных образов
Наше восприятие зависит от освещения, угла зрения, фокусировки, игры цвета, теней и объема картинки. Оптические иллюзии – не плод воображения, не галлюцинация, а вполне реальная вещь, которую мы воспринимаем искаженной в силу разных причин.
Чаще всего глаз считают похожим на фотоаппарат или телекамеру, проецирующую внешние объекты на сетчатку глаза, которая является светочувствительной поверхностью. Мозг «смотрит» на эту картинку и «видит» всё, что нас окружает. Но это далеко не так.
Во-первых, изображение на сетчатке перевёрнуто.
Во-вторых, из-за несовершенных оптических свойств глаза, картинка на сетчатке расфокусирована, то есть размыта.
В-третьих, глаз совершает постоянные движения, значит, изображение находится в постоянной динамике.
В-четвёртых, глаз моргает приблизительно 15 раз в минуту, поэтому изображение через каждые 5 - 6 секунд престаёт проецироваться на сетчатку.
Так что же «видит» мозг? Поскольку человек обладает бинокулярным зрением, то фактически он видит два размытых, дёргающихся и периодически исчезающих изображения, а поэтому возникает проблема совмещения информации, поступающей через левый и правый глаз. Значит, оптические иллюзии - это действие, когда мы видим совершенно иное, чем оно есть на самом деле.
Основными причинами возникновения оптических иллюзий учёные называют следующие:
- Естественные нарушения восприятия, когда идущий от предмета свет наши глаза воспринимают ошибочно, передавая ложную информацию в мозг.
- Нарушения происходят уже во время передачи по нервным путям к мозгу.
- Мозг неправильно интерпретирует сигналы, поступающие от глаз.
Виды и типы оптических иллюзий
Все оптические иллюзии принято делить на три вида:
1.Естественные, которые создаёт сама природа, например, миражи.
2.Искусственные, то есть придуманные человеком, например, фокусы иллюзионистов.
3.Смешанные, естественные иллюзии, воссозданные человеком, это и модель миража, и иллюзионные картинки.
Универсальной классификации зрительных иллюзий не существует, так как механизмы и причины их появления довольно разнообразны и во многом не изучены. Ученые создали необычную классификацию, которая разделяет все виды оптических обманных восприятий по разным признакам.
Зрительные искажения:
Искривляющие иллюзии
Иллюзия восприятия размера
Иллюзия глубины и объема
Иллюзия цвета и контраста
Иллюзия движения
Перевертыши
Двойственные образы
Невозможные объекты
Распознавание образа
Оптическое искусство
Выделяют два типа иллюзий - те, которые основываются на определенных физических условиях, и те, которые обусловлены психологически.
Иллюзии второго типа связаны с особенностями восприятия, например, геометрических фигур, когда в зрительных образах искажаются их пропорции, цвета и прочее.
Это уже больше физиология и психология.
Естественные или Природные явления
Издавна люди наблюдали необычные объекты, а потом рассказывали об их чудесном исчезновении. Примерами иллюзий первого типа могут служить миражи или искажение предметов при восприятии их в воде или через призму. Объяснение таких иллюзий лежит вне психологии. Здесь больше физика.
Миражи. Между двумя атмосферными слоями с разными температурами и плотностью происходит резкое преломление световых лучей. (Приложение 2)
Северное и южное полярное сияние. (Приложение 3)
Фата-Моргана. (Приложение 4)
Марево. (Приложение 5)
Смешанные иллюзии
2.1 Искривляющие иллюзии
Известно, что на сетчатке глаза возникает изображение, состоящее из светлых и темных областей, свет от ярко освещенных участков как бы перетекает на темные участки. Это называется иррадиацией.
Чередование высококонтрастных четырехугольников создает иллюзию искривления линии, хотя, на самом деле, отрезок параллелен краям картинки. (Приложение 6. рис 1)
Иллюзия искривления происходит за счет чередования красных и белых точек, в результате чего создается ощущение искажения плоскости. (Приложение 6. рис 2) .
Параллельные линии будут восприниматься как непараллельные, если их рассматривать на фоне взаимно пересекающихся косых линий. (Приложение 6. рис 3)
Круг теряет свою правильную форму, если его рассматривать на фоне кривых линий .В центре рисунка изображены квадраты, а не фигуры с неровными сторонами. А еще мы можем увидеть несуществующие пульсирующие квадраты по всему полю рисунка. (Приложение 6, рис 4)
2. 2 Иллюзия восприятия размера
Причина ошибки в том, что у человека есть бинокулярное зрение - серединка от общей картины, воспринимаемой глазами; по мере удаления от середины взгляда зрение перестает быть таким же четким, как в радиусе бинокулярного. Поэтому взгляд человека «приковывается» к пересекающей линии, а то, что левее и правее падает за радиус наиболее четкого зрения. Горизонталь поделена надвое, поэтому и кажется меньше, попадая в слабые фланги рисунка.
Иллюзии часто приводят к совершенно неверным количественным оценкам реальных геометрических величин. Глазомерные оценки геометрических реальных величин очень сильно зависят от характера фона изображения. Это относится к длинам, площадям, радиусам кривизны. Это так же справедливо и в отношении углов, форм и так далее.
Одной из самых известных иллюзий восприятия размера является иллюзия Мюллера - Лайера. (Приложение 7. Рис 1)
Отрезок со стрелками наружу кажется длиннее отрезка со стрелками, направленными внутрь. На самом деле отрезки равны. Все дело в том, что стрелки направления служат в одном случае как ложное удлинение, а в другом - укорачиванием. Стрелки, направленные навстречу друг другу, являются «продолжением» горизонтальной линии, а стрелки, идущие в разных направлениях, наоборот - «ограничителями» длины.
Еще один пример такого вида иллюзии – иллюзия Понцо. Дальний отрезок кажется гораздо больше ближнего. Однако, и в этом случае, они равны. Иллюзия создается из-за ошибки нашего мозга, потому что он привык, что, чем дальше предмет, тем он меньше. (Приложение 7.Рис.2)
Вертикальная линия кажется нам немного длиннее горизонтальной. На самом деле они равны. (Приложение 7. Рис .3)
Комната Эймса(Приложение 7. Рис .4)
2.3 Иллюзия восприятия глубины и объема
Иллюзии восприятия глубины — неадекватное отражение воспринимаемого предмета и его свойств.
Решетка Геринга (иллюзия мерцающей решетки).На пересечении белых линий, между черными квадратами образуются так называемые вспышки серого цвета.( Приложение 8. Рис .1)
Иллюзия лестницы Шредера - наглядный пример иллюзии восприятия глубины и объема. ( Приложение 8. Рис .2)
Необыкновенный цилиндр. ( Приложение 8. Рис 3)
Куб Неккера (Приложение 8. 4)
Благодаря правильному расположению теней, фигура кажется уходящей вглубь. (Приложение 8. 5)
2. 4 Кажущиеся фигуры
В оптической иллюзии “Треугольник Kanizsa” мы видим треугольник, которого на самом деле нет. В иллюзии можно увидеть на картинке белый равносторонний треугольник.. Эффект обусловлен иллюзорностью контуров предметов. Мы склонны игнорировать пробелы и воспринимать контурные линии, чтобы сделать картинку как единое целое. (Приложение 9. Рис.1), (Приложение 9. Рис.2).
2.5 Иллюзия восприятия цвета и контраста
Важнейшим свойством нашего глаза является его способность различать цвета.
На рисунке среди полос синего и желтого цвета видно два оттенка красного и два оттенка зеленого цвета, хотя реально есть только один красный и один зеленый цвет. Ошибка возникла из-за яркости фона и цвета окружающих предметов. (Приложение 10. Рис. 1), (Приложение 10. Рис. 2).
Иллюзия Маха. Плавный переход цвета воспринимается как полосы. На границе белого видна еще более белая полоса, а на границе черного - еще более черная. Полосы Маха - иллюстрация того, что в глазу работает "механизм", усиливающий контраст на границе объекта. (Приложение 10. рис.3).
2.6 Иллюзия движения
Иллюзии движения - самые впечатляющие и самые труднообъяснимые. Смотришь на неподвижные объекты, а они начинают двигаться. Одно и то же вращающееся изображение может вращаться в разные стороны.
(Приложение 11. рис.1), (Приложение 11. рис.2).
Большинство иллюзий движения построены на регулярном повторе разных по яркости или цвету фрагментов. Ведущую роль в иллюзии движения играет периферическое зрение. (Приложение 11. рис.3), (Приложение 11. рис.4), (Приложение 11. рис.5), (Приложение 11. рис.6).
2.7 Двойственные изображения
Двойственные изображения - это изображения, в которых человек
выделяет для себя либо фон, либо фигуру в зависимости от его восприятия
картинки. (Приложение 12. рис.1,2,3,4).
2.8 Изображения – перевёртыши
Вид оптической иллюзии, в которой от направления взгляда зависит характер воспринимаемого объекта.
С одной стороны видишь одно изображение, а если перевернуть – то совсем другое. (Приложение 13. рис.1,2,3,4 ).
2.9 Невозможные фигуры и объекты
Существует огромный класс так называемых "невозможных фигур",
ошибочно или умышленно нарисованных с ошибками, в результате чего
возникают забавные визуальные эффекты.
На самом деле все невозможные фигуры могут существовать в реальном мире. Все объекты, нарисованные на бумаге, являются проекциями трёхмерных объектов. При взгляде на такой объект из определённой точки он будет выглядеть невозможным, но при обзоре с любой другой точки эффект невозможности будет теряться.
Невозможный трезубец (Приложение 14, рис 1) , Треугольник Пенроуза (Приложение 14,рис 2,3,4 ,5), Невозможные бруски (Приложение14, рис.6)
Куб Эшера ( Приложение 14, рис. 7), Невозможная лестница , скамейка ( Приложение 14, рис 9,10), Животные ( Приложение 14, рис 11,12,13,14)
2. 10 Распознавание образов
При распознавании объекта нервной системой выделяется его форма - контур, границы контрастов. Зрительным анализатором выделяются характерные свойства контура, такие как линии с определённой ориентацией, углы, более сложные узлы. Иллюзии распознавания образов характеризуются тем, что порой на изображении очень сложно определить то, что на нём изображено (Приложение 15. Рис 1,2,3 )
2.11 Оптическое искусство
Умелое использование иллюзий в изобразительном искусстве расширяет возможности художника или архитектора. (Приложение 15. Рис. 1,2,3,4,5,6,)
Заключение
Рассмотрев и изучив разные оптические иллюзии, можно выделить основные причины их возникновения:
1. Законы физики – преломление и отражение световых лучей мы
наблюдали в миражах.
2. Особенности строения нашего глаза - мы видим иллюзию восприятия цвета и иллюзию движения.
3. Оптический обман зрения, который возникает из-за ошибок нашего
мозга, когда он анализирует увиденное. Благодаря этим ошибкам,
мы видим иллюзии восприятия размера, глубины и объема и другие
иллюзии.
Наш головной мозг строит искаженные образы реальности. Он способен создавать видимость того, чего не существует в действительности и в то же время не замечать очевидное.
Оптические иллюзии сопровождают нас в течение всей жизни. Поэтому, знание основных видов, причин и возможных последствий воздействия на человека необходимо каждому из нас.
Список литературы
Демин П. Физические эксперименты и психологические иллюзии / П.Демин.//Журнал " Наука и жизнь".-М. -1986.-№3.- с. 136 – 138.
Перельман Я.И. Занимательная физика. Книга 2. Глава 9/ Я.И.Перельман .-М. :"Наука",1981. - 242 с.
Перельман Я.И. Оптические иллюзии , Серия: "Дом занимательных наук"/Я.И.Перельман. - Изд-во СЗКЭО, 2016. - 144 с.
Раков Д.Л. Парадоксальный мир невозможных фигур и оптических иллюзий /Д.Л. Раков , Ю.А. Печейкина -М.: Либроком ,2017. - 200с.
Толанский С. Оптические иллюзии/ С.Толанский; пер. с англ.под ред. К.А. Любарского. - М. : Издательство "Мир", 1967.- 145с.
10 сумасшедших оптических иллюзий [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.infoniac.ru/news/10-sumasshedshih-opticheskih-illyuzii.html, свободный. - Загл.с экрана.
Занимательная физика .Иллюзии [Электронный ресурс].-Режим доступа : http://illuzi.ru/node/633#end, свободный. - Загл. с экрана.
Не верьте своим глазам: Путеводитель по оптическим иллюзиям [Электронный ресурс ]. - Фактрум. - Режим доступа : http://www.factroom.ru/science/optical-illusions-guide, свободный.-Загл. с экрана.
Оптическая иллюзия - это... [Электронный ресурс]. Режим доступа : https://dikc.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/1076883, свободный.- Загл. с экрана.
Оптическое искусство - Википедия [Электронный ресурс]. Режим доступа : ru.wikipedia.org/wiki/Оптическая_иллюзия, свободный. - Загл. с экрана.
Самые невероятные оптические иллюзии [Электронный ресурс ]. Режим доступа : https://mnogoto4ka.ru/samye-neveroyatnye-opticheskie-illyuzii, свободный. - Загл. с экрана.
Приложение 1
Рис. 1 Парфенон Рис. 2 Троицкий собор
Приложение 2
Мираж в пустыне
Приложение 3
Северное сияние
Приложение 4
Фата Моргана
Приложение 5
Марево. Мерцающий воздух создает эффект мокрой дороги, причем вблизи
она абсолютно сухая
Приложение 6
Рис.1.
Рис 2.
Рис .3
Рис.4
Приложение 7
Рис.1 Иллюзия Мюллера-Лайера
Рис .2 Рис .3
Рис. 4 Комната Эймса
Приложение 8
Рис. 1 Решетка Геринга
(иллюзия мерцающей решетки) Рис. 2 Лестница Шрёдера
Рис. 3 Необыкновенный циллиндр Рис. 4 Куб Неккера
Рис .5
Приложение 9
Рис.1 Треугольник и квадрат которых нет. Рис.2
Приложение 10
Рис. 1 Рис .2
Рис . 3 Иллюзия Маха.
Приложение 11
Рис. 1 Рис . 2
Рис .3“Вращающийся змей ”,А. Китаока Рис. 4
Рис. 5 Рис. 6
Приложение 12
Рис. 1 Рис. 2 Ваза или лица
Рис. 3 Рис. 4 Дон Кихот
Приложение 13
Рис. 1 Рис. 2
Рис .3 Рис .4
Приложение 14
Рис.1 Невозможный трезубец Рис. 2 Треугольник Пенроуза
Треугольник Пенроуза возможен, представлен в:
Рис. 3 Австралия Рис. 4 Немецкий технический музей Рис . 5
Рис. 6 НевозможныеРис 7. Куб ЭшераРис.8 Невозможная лестница
бруски
Рис.9 Невозможная скамейка Рис.10 Три или четыре Рис.13 Сколько ног
у жирафа?
Рис .11 Сколько динозавриков Рис. 12 Невозможный слон
Рис.14 Змея
Приложение 15
Рис. 1 Рис .2
Рис. 3
Приложение 16
Рис .1 Рис .2
Рис .3 Рис. 4
Рис. 5 Рис. 6
Рис . 7
Рис .8