Valon vuorovaikutus ympäristössä.

Taiteilijalle tuskin löytyy toista aihetta jolla voisi olla yhtä suurta merkitystä, kuin mitä valon ja materian käyttäytyminen voi tarjota. Kun avaat silmäsi ja katsot ympärillesi, kaikki näkemäsi perustuu tähän.

Ympäröivän maailman ymmärtäminen on hyödyllistä kaikille tieteestä ja modernista teknologiasta kiinnostuneille ja erityisesti taiteilijoille. Se tarjoaa valtavan määrän eri käytännön mahdollisuuksia työskentelyyn, siihen miten lähestyä teosta ja valintoja joita teet materiaaleillasi.

Maalit, hiilet ja grafiitit ovat kaikki materiaaleja, jotka ilmentyvät näkökenttääsi samasta syystä. Niitä kaikkia sitovat samat lait. Valo käyttäytyy tietyllä ja ennustettavalla tavalla havaittavissa olevassa universumissamme. Sukelletaan aiheeseen syvemmälle.

1729 Ranskalainen matemaatikko, tähtitieteilijä ja geofyysikko Pierre Bouguer julkaisi kirjansa - Optical treatise on the gradation of light. Tämä on yksi varhaisimmista fotometrian tutkimuksista. Bouguer teki kokeita, mitä tapahtuu näkyvälle valon voimakkuudelle, kun se kulkee eri aineiden läpi, kuten lasin, nesteiden jne. Hän myös vertasi taivaankappaleiden näennäistä kirkkautta kynttilän tavallisen liekin valoon. Tutki valon absorptiota (imeytymistä) ilmakehässä ja muotoili Bouguerin lain. Joka tunnetaan nykyään nimellä Beer - Lambert laki. Näistä saavutuksista häntä pidetään fotometrian isänä. Kuitenkin, kun käydään läpi fotometrian historiaa, Johann Lambertin saavutukset jättävät varjoonsa Bouguerin, vaikkakin Lambert viittaa useaan otteeseen Bouguerin löydöksiin kirjassaan Photometria, joka julkaistiin vuonna 1760. Tämä saattaa johtua Lambertin tutkimuksien puhtaasti matemaattisemmasta luonteesta.

Mutta mitä fotometria oikeastaan ​​on?

Yksinkertaisesti sanottuna fotometria tutkii ja mittaa valon käyttäytymistä sen matkatessa tilan ja aineen läpi meille näkyvässä spektrissä. Valo on sähkömagneettista säteilyä, jonka silmämme voivat havaita. Näkyvää säteilyä. Valolla on vain muutamia tapoja olla vuorovaikutuksessa ympäristössä.

Emissio, läpäisy, taittuminen, heijastus ja absorptio.

Nämä vuorovaikutukset tapahtuvat myös näkyvän spektrimme ulkopuolella,toisin sanoen, alueilla mitä silmämme eivät pystyvät havaitsemaan. Katsotaanpa näitä lähemmin ymmärtääksemme, minkä tyyppisiä vuorovaikutuksia ne ovat.

Emissio, hyvin lyhyesti sanottuna, on valon syntymä.

Kaikki aine koostuu atomeista, jotka koostuvat osahiukkasista, kuten protoneista, neutroneista ja elektroneista. On olemassa erilaisia ​​​​atomeja, kun ne yhdistyvät ja muodostavat ryhmiä jotka ovat kemiallisesti sitoutuneita toisiinsa, niitä kutsutaan elementeiksi tai molekyyleiksi. ( ei niin yksinkertaista, mutta yritämme pitää tämän lyhyenä ) Eri alkuaineilla on eri atominumerot, mitä tämä tarkoittaa esimerkiksi että hapen atominumero on 8 - sen atomit sisältävät 8 protonia ja 8 elektronia. Uraanin atominumero on 92 - sen atomit sisältävät 92 protonia ja 92 elektronia. Jokaiseen atomiin liittyy joukko energiatasoja, tietyn alkuaineen kaikilla atomeilla on samat energiatasot, mutta jokaisella elementillä on ainutlaatuinen joukko energiatasoja, jotka liittyvät sen atomeihin. Kuin sormenjälki.

Elektroneja on atomin energiatasoilla, ja niiden on aina oltava yhdellä niistä, mutta ne voivat hypätä edestakaisin energiatasojen välillä. Tasolta toiselle hyppääminen vaatii täsmälleen yhtä paljon energiaa kuin näiden energiatasojen välinen ero on. Ei enempää, ei vähempää. Kun elektroni imee energiaa ympäristöstä, se hyppää korkeammalle energiatasolle kääntäen atomin perustilasta virittyneeseen vaiheeseen. Mutta se ei pysy tuolla korkeammalla tasolla, se palaa perustilaan ja vapauttaa sen absorboituneen energian valon ja lämmön muodossa. Tätä prosessia kutsutaan emissioksi hyvin yksinkertaistetulla tavalla esitettynä, todellisuudessa asia on hieman monimutkaisempi mutta meille ilmiön luonteen ymmärrys riittää.

Vapautuneen energian määrästä riippuen se vastaa tiettyä valon aallonpituutta. Jos se on näkyvässä spektrissämme, se esiintyy tietyn värisenä. Nyt ymmärrät että valo kantaa energiaa.

Transmissio tapahtuu, kun aine päästää valon kulkemaan läpi, kuten ikkunan lasi.

Mutta meillä on paljon parempia ja kiehtovampia esimerkkejä läpäisystä. Punainen hyytelö näyttää punaiselta, koska se koostuu aineesta, joka absorboi muita valon aallonpituuksia, mutta ei punaisen aallonpituutta. Heijastamisen sijaan se sallii punaisen valon kulkea läpi. Samalla tavalla, jos asetat palan läpinäkyvää teippiä taskulampun päälle ja värjäät sen punaisella tussilla, olet luonut suodattimen. Muste imee muut aallonpituudet, mutta antaa punaisen kulkea läpi ja näin olet tehnyt punaisen taskulampun.

Laita vettä lasiin ja katso sitä eri värisessä valossa, se mahdollistaa jokaisen värin läpäisyn. Jos laitamme sinne materiaa esim. hedelmää, ja teemme vaikkapa appelsiinimehua. Se muuttuu keltaiseksi, mutta ei läpäisyn takia. Se mitä nyt tapahtuu, on että oranssi imee itseensä loput värit ja mehu muuttuu sameaksi, emme näe siitä läpi. Sen sijaan että se antaisi keltaisen valon kulkea läpi, se pomppaa takaisin koska sitä hyljitään.

Tätä hylkimistä kutsutaan heijastukseksi.

Yleensä kun ajattelemme heijastusta, mieleemme tulevat peilit tai kiiltävät kiillotetut metallit tai ehkä järven pinta. Kiinteät aineet imevät valoa, ja mikä ei imeydy, se heijastuu. Joten hauskalla tavalla väri, jonka näemme esineessä, ei ole sitä mitä se todellisuudessa on. Mutta miksi tämä on tärkeää ymmärtää, jos olet taiteilija? Katsotaanpa tätä pikaisesti.

Seuraavassa kuvassa punainen pallo on esitetty muita värejä absorboivana kiinteänä materiaalina.

Punainen maalisi on materiaalia, joka tekee saman.

Tarkasteltaessa seuraavaa kuvaa, sininen - oranssin vastaväri, voimme nähdä mitä värejä se poistaa näyttääkseen siniseltä.

Jos ajattelet näitä kahta maalien sekoittamisen kautta, lisäämällä oranssia ja sinistä maalia yhteen, se mitä teet lisäämisen sijaan johtaakin värin poistoon. Sekoitat yhteen materiaaleja jotka nyt poistavat kaiken näkyvän valon kuvan osoittamalla tavalla. Tästä syystä maalisi muuttuu ruskeaksi, harmaaksi, likaiseksi tummaksi väriksi joka on lähellä mustaa. Tämä ilmiö on absorptio.

Vaikka nämä tieteelliset asiat voivat ensisilmäyksellä tuntua vaikealta tai tylsältä ymmärtää, niillä on huomattava arvo käytännön ratkaisuihin joita teet visuaalisen taiteen luomisprosessissasi.

Viimeinen listallamme on Refraktio ( Taittuminen)

Tyypillinen taittuminen näkyy sateenkaaressa, vesipisarat tavallaan "hidastavat" valoa ja eri tavalla jokaisella väriä vastaavalla aallonpituudella. Joten värit näyttävät kulkevan hieman eri kulmassa siihen pisteeseen, että ne voidaan havaita yksittäisinä väreinä. Vesi heijastaa niitä myös eri suuntiin, tätä kaoottista pomppimista kutsutaan sironnaksi. Toinen tapa ymmärtää sitä on tarkastella kiteitä tai niistä valmistettuja esineitä, kuten prismoja. Kun aine erottaa värit valosta kulkiessaan sen läpi.

Fotometria tutkii ja mittaa, mitä tapahtuu valon voimakkuudelle näiden näkyvien vuorovaikutuksien aikana. Lambertin Photometria esitti merkittäviä edistysaskeleita tällä alalla, mutta jäi hieman huomiotta koska pääkysymys optiikassa tuona aikana oli:

Mikä on valon luonne?

Lambertin työn ei katsottu olevan merkityksellinen tähän aiheeseen lainkaan, ja se liitettiin optisen tieteen valtavirtaan vasta lähes vuosisata julkaisemisensa jälkeen, jolloin tähtitiede ja kaupallinen valaistus kehittyivät siihen pisteeseen, että ne tarvitsivat fotometriaa. Ja arvatkaapa mitä nykyaikana tietokoneiden grafiikan kehityksessä käytettiin renderöintien tuottamiseen tarvittavien radiositeettilaskelmien perustana? Lambertin laskelmia.

Jos olet kokeillut 3D-mallinnusta ja renderöintiä, materiaalilla leikkiessäsi olet ehkä törmännyt termiin albedo.

Lambert oli henkilö joka esitteli tämän termin meille. Se viittaa materiaalien kykyyn heijastaa valoa. Tai ehkä löysit emission, nyt ymmärrät että se viittaa kohteeseen valon lähteenä ympäristössä.

Lambertin kosinilaki sanoo, että ihanteellisesta diffuusisti heijastavasta pinnasta havaittu säteilyn voimakkuus on suoraan verrannollinen tarkkailijan näkölinjan ja pintanormaalin välisen kulman kosiniin. Kuulostaako liian monimutkaiselta? Tämän lain avulla voimme laskea "karkeilta" pinnoilta heijastuneen valon voimakkuuden. Pystymme jäljittelemään, miltä eri kohteet näyttävät erilaisissa valaistusolosuhteissa, esimerkiksi pelien tai elokuvien 3D-renderöinnissä. Toisin sanoen tämä tarkoittaa, että Lambertin lakia noudattavan pinnan sanotaan olevan Lambertilainen ja se osoittaa Lambertin heijastuskyvyn. Täydellisellä lambertialaisella pinnalla on sama kirkkaus katselukulmasta riippumatta. Valkoinen paperi on hyvä esimerkki jostakin, joka demonstroi lähes täydellistä lambertilaista pintaa. Lähimmäksi täydellisyyttä pääsee luomamme materiaali Spectralon.

Bouguerin ja Lambertin työ fotometrian kehittämisessä tuli hyödyllisemmäksi muiden tieteenalojen edistyessä. Bouguer keksi ensimmäisen heliometrin, jonka myöhemmin viimeisteli ei kukaan muu kuin Joseph von Fraunhofer, joka keksi ensimmäisen modernin spektroskoopin.

Vuonna 1854 saksalainen fyysikko ja kemisti August Beer julkaisi omien tutkimuksiensa tulokset teoksessaan Johdanto korkeampaan optiikkaan. Hänen työnsä yhdistettynä Bouguer/Lambert-lakiin muodostavat niin sanotun Beer-Lambertin lain. Pohjimmiltaan sitä käytetään määrittämään valoa absorboivien kemiallisten lajien pitoisuuksia. Kun tämä kaikki yhdistetään, syntyy uusi tähtitieteen ala, spektroskopia.

Aiemmin kävimme läpi kuinka valo syntyy ja sitä miten tuon prosessin aikana tapahtuu lähes taianomaisia ​​asioita, mitä emme pysty paljain silmin havaitsemaan. Spektroskopia tutkii ja mittaa valon vuorovaikutusta aaltopituuksilla joihin me emme kykene. Se mitä imeytyy, vapautuu jne. Ne ovat kuin sormenjälkiä prosessiin osallistuvista aineista. Näin tiedämme, mistä valonlähde jota kaukaisuudesta tarkkailemme on tehty. Mistä planeetat on tehty? Onko sillä ilmakehää, ja jos on, mitä se sisältää? Minkä kokoisia ne ovat ja kuinka kaukana ne ovat meistä? Mikä on niiden lämpötila? Eikä siinä kaikki mitä voimme tehdä, se laajeni myös lääketieteeseen, terveydenhuoltoomme ja lopulta siihen, mitä kuvantamismahdollisuuksia meillä on kehomme tarkastamiseen, kuten magneettikuvaukseen. Mutta se on täysin eri tarina. Kaikki alkoi kuitenkin Bouguerista ja Lambertista. Jos tämä aihe oli sinulle mielenkiintoinen, voit lukea POV:ni, kuinka soveltaa tätä käytännön ratkaisuissasi visuaalisen taiteen luomisessa.

Valo käyttäytyy tarkasti ennustettavalla tavalla fyysisessä todellisuudessamme.

Mikko

14. HEINÄKUUTA 2024