Физические експерименти і психологічні ілюзії

Физические експерименти і психологічні иллюзии

П.Дёмин Многие досліди «Физпрактикума» побудовано отож у них потрібні складні прилади й установки. Не лише дозволяє кожному читачеві повторити експерименти, а й надає їм додаткову ефектність — цікаво досліджувати нетривіальні фізичні явища з допомогою самих нехитрих коштів. Однак у таких дослідах можна зустрітися і з труднощами, зокрема з помилками сприйняття. Якщо серйозної експериментальної установці реєструючим елементом служить точний прилад, то дослідах «физпрактикума» результат реєструє сам експериментатор — ока, вуха, руки. А «показання» органів чуття людини неоднозначні і залежить від безлічі побічних чинників, починаючи з умов спостереження та закінчуючи настроєм наблюдателя.

Иллюзий, що з людськими почуттями, відомо дуже багато; переказати їх лише у статті було б навіть важко. Не усі вони можна вважати ілюзіями у його буквальному розумінні, тобто якимось випадковим чи підбудованим обманом — що часом є просто особливі властивості наших органів почуттів, ми не знаємо, або забуваємо. Такі ілюзії часом грають значної ролі й у наукові дослідження. Приклад цього служить оптичний ефект, з яким так іронічно чи інакше зіштовхувався кожен, — параллакс.

Параллаксом називають позірна відносне усунення об'єктів, що є на різному відстані від спостерігача. Це усунення виникає на своєму шляху його очей. Так, визираючи у вікно поїзда, можна побачити, що ближні дерева йдуть тому набагато швидше, ніж далекі, а самі далекі взагалі майже відстають — пейзаж за вікном як повертається навколо точки, у якій погляд перетинає лінію горизонту. Чимале значення має тут інший, простіший випадок параллакса — зміна показань приладу залежно від становища очі; на своєму шляху очі вліво стрілка і натомість шкали зсувається вправо, і навпаки. Коли ви будинку знайдеться ніякого стрелочного приладу, експеримент можна поставити з вагами у книгарні. Коли вашу купівлю покладуть ними, зробіть крок ліворуч. Свідчення терезів зменшаться на одне-два розподілу. Зробіть кроків зо два вправо, і показання збільшаться. Вага купівлі, виявляється, залежить від вашого становища перед прилавком.

Чтобы позбутися помилки параллакса, в точних приладах стрілку роблять дуже тонкої, а під шкалою мають дзеркальну смужку. При зчитуванні показань приладу голову потрібно тримати те щоб сама стрілка і його свій відбиток у дзеркалі збігалися. Тоді погляд суворо перпендикулярний площині шкали і помилка виключена. До жалю, в повному обсязі помилки параллакса таким легким шляхом піддаються виправленню. Скажімо, при реєстрації быстро-протекающих процесів з допомогою деяких високошвидкісних кінокамер виникають параллактические спотворення, пов’язані з відносним рухом плівки і елементів оптичної системи. Боротьба такими спотвореннями — складна технічна задача.

Еще один приклад шкідливою ілюзії. Поставте на аркуш паперу перевернений склянку і, обводячи олівцем його край, намалюйте друг за одним три дуги: маленьку, з центральним кутом близько 10 градусів, середню, з кутом градусів сорок, ще більшу, градусів сто двадцять. Порівняйте їх кривизну. Навіть чудово знаючи, що вони накреслені з допомогою одного склянки, отже, радіус їх кривизни і той ж, важко позбутися враження, ніби маленька дуга має мінімальну кривизну, а велика — максимальну. Цікаво, що з дугами, перевищують половину окружності, ілюзія немає; спостерігач чітко бачить справжній діаметр таких великих дуг й помічає, що він однаковий в усіх кривых.

Многие знають досвід з цими двома мильними пухирями, які з'єднують між собою однієї трубкою. Тиск всередині міхура назад пропорційно його радіусу, і тому повітря з меншого міхура перетворюється на більший, поки від меншого не буде лише невеличкий сегмент, має хоча б радіус кривизни, як і великий міхур. Проте коли ви проробите цим досвідом самі, вам напевне здаватиметься, що кривизна уцілілого міхура набагато більше кривизни маленького шматочка мильної плівки в в протиріччя з названим законом. Можете не перевіряти формулу для тиску всередині міхура: в усьому винен оптична ілюзія, описана в прикладі з дугами. І ця ілюзія виявляється у іншій ситуації. Якість поверхні часто контролюють по правильності картини інтерференційних смуг, виникає при відображенні світла, наприклад, за досконалістю форми кілець Ньютона. Цей простий досвід легко проробити вдома, досить на пласку платівку покласти лінзу опуклістю донизу й розглядати точку торкання на темному тлі. Ви побачите концентричні кольорові кільця (кільця Ньютона). Складаючи дві плоскі платівки, можна спостерігати ряди паралельних чи розбіжних смуг, вісімки і складніші картини. Смуги вигинаються тим крутіше, ніж швидше змінюється товщина повітряного зазору між двома скляними поверхнями, тобто що більше ними нерівностей. Але коли ви захочете порівняти якість поверхні на різних роботах, слід пам’ятати, що довга интерференционная смуга може бути вигнутій сильніше, ніж коротка, навіть тоді як дійсності це так.

Еще ошибочней бувають результати порівняльної оцінки площ, і обсягів. Це особливо несподівано, що лінійні розміри тренований очей оцінює досить вдало. Спробуйте вгадати, скільки раз обсяг куба, зображеного малюнку справа, більше обсягу лівого куба? Яке співвідношення між обсягами циліндрів? Эллипсоидов? Хвилинку, не читайте далі текст! Зробіть оцінку і запам’ятайте числа.

.

Рис. 1. Результати порівняльної оцінки площ, і объемов, А тепер перевірте результати. Обсяг правого куба більше обсягу лівого вдвічі, обсяги циліндрів ставляться до тридцяти, эллипсоидов — до трьом. А наскільки площа чорного кільця менше площі білого кола, який вона ограничивает?

.

Рис. 2. Наскільки площа чорного кільця менше площі білого кола, який вона ограничивает?

Измерив їх, неважко переконатися, що площі рівні. У разі ілюзія посилюється не лише «провокаційним» питанням, а й спеціальної забарвленням: чорні предмети здаються людському оку менше білих. Цей ефект називають іррадіацією, Значення таких помилок щодо оцінки площі й обсягу нашим дослідів очевидно.

Целый ряд зорових ілюзій пов’язані з рухом. Підвісьте на темному тлі яскравий грузик на білої нитці і спробуйте розглядати цей маятник двома очима, помістивши перед них темне скло (підійде скло від сонцезахисних очок). Ви помітите, що маятник описує витягнутий еліпс. Прибравши скло, легко переконатися, що як раніше гойдається одноплощинно. Закрийте склом інший очей, і маятник знову поторохтить по еліпсу, лише у інший бік (якщо скло перед лівим оком, маятник здається обертовим по годинниковий стрілці, якщо перед правим — проти годинниковий стрілки). Ілюзія буде ще сильніше, якщо зосередити погляд на нитки неподалік точки підвісу, Ця ілюзія пояснюється тим, що наша очей помічає світлі предмети швидше, ніж темні (різниця у часу, звісно, дуже невелика — частки секунды.

Качающийся маятник видно оку, закритому склом, трохи відстаючим порівняно з своїм істинним становищем, а інший очей бачить його звісно ж. Це неузгодженість і породжує враження об'ємності при пласкому русі маятника. Такі ілюзії можуть призвести до помилок щодо руху предмета, по-різному рассеивающего світ у різних направлениях.

Механизм людського зору загалом досить складний й остаточно незрозумілий: у ньому беруть участь як кришталик і сітківка, але й він мозок. Тому, за випадкових переходах уваги спостерігача також можуть бути деякі ілюзії. Загальновідомий приклад — «выворачивающийся куб», який здається йому зверненим до нас різними гранями залежно від цього, який з його вершин зосереджений погляд. Іншу ілюзію тієї самої типу можна спостерігати з допомогою картонного пропелера, обертового у невеликому цвяшку. Таку вертушку потрібно розглядати в сутінкової кімнаті і натомість світлого вікна, щоб повністю бачити лише її контур і мати можливості визначити, яка з лопатей пропелера стоїть ближче, яка далі. Іноді мені здається, що пропелер обертається до однієї бік, інколи ж — до іншої. Зосередившись, можна невеликим зусиллям уяви «переключати» напрям обертання вертушки за власним бажанням. Так, що в ній напрям обертання вертушки! Здатність людини, бачити очевидно: він сподівається побачити, значно ширше, і це доводять багато курйозні примеры.

В книзі М. Миннарта «Світло і колір у природі» зазначено, що різні люди бачать у розташуванні плям на Місяці досить чіткий малюнок, утворює людське обличчя профіль, анфас чи три чверті, жіночу постать, стару бабу з в’язанкою хмизу, зайця, омара й багато іншого. Едгар По у своєму оповіданні «Сфінкс» описує, як неправильне уявлення відстань до об'єкта може викликати помилкову оцінку його розмірів. Невеликий комаха, повільно повзуче по павутинці за віконним склом, здалося оповідачеві величезним чудовиськом, стрімко нерухомих по віддаленому холму, а слабкий звук, виданий комахою, видався йому гучним криком. Остання деталь показує, що такому обману схильна як зір, а й слух. Незнайомі, незрозумілі звуки часто лякають людини тільки тому, що, які мають точних даних про відстані до їх джерела, він перебільшує їх гучність. Втім, акустичні обмани зустрічаються рідше, ніж зорові, бо від вух у головний мозок надходить значно менше інформації, ніж від очей. З особливостей слуху стоїть підкреслити лише один. Наша здатність визначати на слух, де міститься джерело звуку, полягає в різною силі сигналів, які у праве і ліве вухо; ми очікуємо знайти джерело з протилежного боку, звідки звук голосніше. Якщо ж сила обох сигналів однакова (наприклад, коли джерело перебуває у вертикальної площині, що проходить через центр голови), звук здається раздающимся просто у мозку, і точне становище джерела вказати важко. Зав’яжіть очі вашому товаришу і попросіть його визначити місце, у якому ви постукали ложечкою по склянці. Він правильно знаходити це найкраще місце завжди, крім, коли відстань від склянки до обох вух виявиться одинаковым.

Может підвести навіть такий просте почуття, як дотик. Схрестите вказівний і середній пальці однієї руками і торкніться ними гострого ребра якогось предмета (столу, шафи) те щоб відчути його кінчиками обох пальців. Закрийте очі й зосередьтеся на відчуттях своїх пальців. Вам видасться, що ви ощупываете не одне, а через два ребра. Проведіть пальцями вздовж ребра до кінця — це посилить ефект. Злегка поверніть пальці довкола їхнього осі в інший бік — два уявних ребра розійдуться трохи убік, та був знову зблизяться. Проведіть тепер пальцями від перенісся до кінчика носа, і вам видасться, що з вас два носа замість одного. Ця ілюзія пов’язані з незвичним взаємним розташуванням пальців: сигнали, що посилаються ними на мозок, «расшифровываются» по старої схеми, що тепер відповідає действительности.

Особенно важко розпізнаються ілюзії, причина яких криється у незвичному поєднанні відчуттів різних органів почуттів. Покладіть у мушлю повітряну кульку, наповните його водою і спробуйте підняти. Можливо, з першого спроби не вдасться — ви мимоволі зробите занадто слабке зусилля і будете здивовані великим вагою кульки. Тим більше що, якби та кількість води було чи в каструлю, ви відразу доклали б потрібну силу. Важкість води асоціюється з відчуттям жорсткого корпусу каструлі, а тонкі гумові стінки повітряної кульки асоціюються з його незначним вагою. Це спочатку й виводить на заблуждение.

Наш вестибулярний апарат також працює точно, якщо зорові образи суперечать її відчуттям. Це породжує помилки у визначенні вертикалі, і горизонталі. Велосипедисту, спускающемуся схилом, дорога здається менш крутий, ніж насправді, — який звик до горизонтальному становищу землі очей автоматично робить поправку, відраховуючи кути від площині дороги. Інший приклад. Іноді доводиться підніматися по виключеному ескалатору. Зверніть увагу, наскільки невпевненими бувають кілька перших кроків. Звичка нахилятися вперед, ніж впасти, ступивши на відмираючу з-під ніг стрічку, настільки сильний, що ми несвідомо дотримуємося її, коли бачимо, що щаблі нерухомі. Відчуття вертикального і горизонтального напрямів залежить тільки від зорових вражень, а й від стереотипів, сформованих у мозку людини. З цього випливає, до речі, що це досліди по механіці потрібно проводитися поверхні, горизонтальність якої перевірено будь-яким рівнем, Не тільки нашими власними ощущениями.

Может видатися, що ілюзії і обмани почуттів виявляється у особливі умови і навряд чи зустрінуться нам під час проведення дослідів. Можливо, над кожному експерименті вони грають помітну роль. Проте зустрічаються ситуації, які і їх обліку не пояснити. Ось із подібних ситуаций.

Поставьте на плиту чайник із кількістю води та дайте їй закипіти. Потім, виключивши вогонь, злегка підніміть чайник. Постарайтеся запам’ятати відчуття тепла, яке передалося вам від нагрітої ручки. Тепер швидко долийте в чайник один-два літра холодної води з заздалегідь приготовленою каструлі. Закрийте покришку і знову підніміть чайник, оцінюючи температуру ручки. Ви із подивом знайдете, що вона тільки стала холодніше, а навіть дещо нагрілася! Можна довго сушити мізки з того, чому ручка чайника нагрівається при доливании до нього холодної води, можна навіть придумати кілька пояснень різною труднощі й різною правдоподібності. А справжнє пояснення зовсім просто. Звісно ж, швидко досвіду ручка не встигла ні охолонути, ні нагрітися. Більше гарячої вона видається тільки тому, що чайник став важче, та її ручка з більшою силою тисне на вашу ладонь.

Описание помилок наших органів почуттів можна було продовжити; їх причини бувають як психофізіологічними, а й суто фізичними, і це, крім практичних міркувань, також приваблює до них увагу фізика. Принаймні, такі помилки є настільки великий і дуже цікавий предмет досліджень, що людина, познакомившийся із нею ближче, не пошкодує про витрачених зусиллях, навіть коли йому потім вийде мати справу з ілюзіями і використовувати отримані знань у конкретної работе.

Список литературы

Я.И.Перельман. Цікава фізика. Москва — Ленінград. 1947 г.

М.Миннарт. Світло і колір у природі. Москва. 1958 г.

Д.Р.Джадд. Г. Вышецки. Колір у науці й техніці. Москва. 1978 г.

С.Толанский. Оптичні ілюзії. Москва 1967 г.