Муниципальное общеобразовательное учреждение
«Гуманитарно-педагогический лицей»
Оптические иллюзии
в огненном шоу.
Выполнила: Ускова Ольга,
учащаяся 10б класса
МОУ «ГПЛ» г. Ухты
Научный руководитель:
,
учитель физики
Ухта
2012
Содержание.
| Введение.................................................................................................................... | 3 |
| Глава I. Каким образом видит человек....................................................... | 6 |
| Глава II. Классификация иллюзий.............................................................. | 8 |
| Глава III. Что такое инерция зрения и визуальная непрерывность?....... | 10 |
| Описание экспериментов......................................................................................... | 12 |
| Опыт 1. Визуальная непрерывность........................................................... | 12 |
| Опыт 2. Инерция зрения.............................................................................. | 13 |
| Опыт 3. Слияние цветов.............................................................................. | 14 |
| Опыт 4. Строение пой.................................................................................. | 15 |
| Опыт 5. а) Частота вращения...................................................................... | 17 |
| Опыт 5. б) Скорость вращения пой............................................................ | 19 |
| Опыт 5. в) Ускорение вращения пой.......................................................... | 20 |
| Опыт 6. а) Учет инерции при вращении рук поистера............................. | 21 |
| Опыт 6. б) Расчет силы натяжения нити в нижней точке траектории.... | 22 |
3.10. Опыт 6. в) Расчет силы натяжения нити в верхней точке траектории. | 23 |
3.11. Опыт 7. Расчет количества энергозатрат................................................ | 24 |
| Вывод........................................................................................................................ | 26 |
| Список литературы.................................................................................................. | 27 |
Введение.
Фаер-шоу зародилось на побережье Тихого океана, предположительно в Новой Зеландии в племени маори. Для аборигенов изящное вращение небольшого камешка, обёрнутого в ткань и привязанного на недлинную веревку (снаряд назывался «пои» — «мяч на веревке») служило как развлекательным, так и культовым целям. Часто вместо камешка аборигены использовали более мягкий наполнитель, например, шерсть или корни растений. Мужчины-аборигены крутили пои для развития силы и ловкости, а женщины — для развлечения. В ХХ веке пои переняли у новозеландских аборигенов артисты бродячих австралийских цирков. Так в 1960—1970-х годах уже и в Западной Европе, и в Америке появились фаер-шоу — танцы с огнем под бой барабанов и бубнов.
В середине XX века философия фаер-шоу была позитивно принята молодёжными субкультурами (хиппи). Фаер-шоу и хиппи стали неразрывно связанными. В конце ХХ века этот вид искусства кроме физической направленности стал обретать философский смысл единения со стихией.
Сейчас это искусство трансформировалось в более безопасные представления, где факелы заменены светодиодными поями (на маорийском языке poi означает «шарик» на верёвке).
Парадоксально, но любоваться фигурами, создаваемыми поистерами (- это человек, который крутит пои и/или другой огненный реквизит), мы можем из-за несовершенства человеческого зрения.
90% информации человек получает с помощью зрения, но мало кто задумывается, как это происходит. Чаще всего глаз считают похожим на фотоаппарат или телекамеру, проецирующую внешние объекты на сетчатку, которая является светочувствительной поверхностью. Мозг "смотрит" на эту картинку и "видит" все, что нас окружает[2].
А достоверна ли информация, которую мы видим? Зная особенности зрения, человек может анализировать полученную информацию, понимать, когда глаза его обманывают, а когда изображение реально.
Иллюзии - это искаженное, неадекватное отражение свойств воспринимаемого объекта. В переводе с латыни слово "иллюзия" означает "ошибка, заблуждение". Это говорит о том, что иллюзии с давних времен интерпретировались как некие сбои в работе зрительной системы[3].
Какая из двух линий длиннее? (рис. 1. Иллюзия Мюллера-Лайера) Это одна из самых известных оптико-геометрических иллюзий – иллюзия Мюллера-Лайера.
Посмотрев на этот рисунок, большинство наблюдателей скажет, что правый отрезок со стрелочками направленными внутрь длиннее левого со стрелочками наружу.
Впечатление настолько сильное, что, согласно экспериментальным данным, 82% испытуемых утверждают, что длина правого отрезка на 25-30% превышает длину правого[5].
Какая часть длиннее? (рис.2. Иллюзия Мюллера-Лайера)
Это так же одна из разновидностей иллюзии Мюллера-Лайера. Смотря на это изображение, мы задаемся вопросом какая часть длиннее, естественно красная точка это середина. Следовательно, обе части одинаковые.
Актуальность работы:
Уже второй год я занимаюсь огненным шоу. Это одна из разновидностей циркового выступления (выступления оригинального жанра), заключающаяся в исполнении различных трюков с огнем, а также использовании огня для реализации творческой идеи. Само огненное шоу построено на зрительных иллюзиях.
Цель моей исследовательской работы – описать на основе экспериментов оптические иллюзии, характерные для огненного шоу.
Задачи:
- познакомиться со строением глаза, и узнать каким образом видит человек; изучить некоторые оптические зрительные иллюзии; исследовать визуальную непрерывность в кино и в огненном шоу.
Методы исследования:
Сбор и систематизация информации. Составление обобщающих таблиц. Подготовка и проведение экспериментов. Фото - и видео съемка.История открытий оптических иллюзий.
Впервые исследование в области оптических геометрических иллюзий было сделано физиком Владимиром Андреевичем Оппелем [8]. Затем было более 200 научных работ на эту тему, где все авторы пытались найти свое объяснение этой проблеме. Каждый ученый долго разыскивал свою теорию на этот счет, однако, видимо, никто так и не догадался, что эти иллюзии, скорее являются правилом, нежели исключением и что эти особенности зрения и восприятия накладывают свой отпечаток на всю нашу повседневную жизнь, а не только на отдельные картинки. С особенностями зрения были очень хорошо знакомы древние греки - расстояние между колоннами Парфенона были разными, а зрителями воспринимались как одинаковые - иллюзия. Но один архитектор, более близкий нашему времени спроектировал здание с очень высокой точностью, а когда его построили, то оказалось, что если наблюдать спереди, то линия крыши вогнута наружу, если сбоку, то - вовнутрь. Все расстояния были четко промерены, но неточности не нашлось - особенности человеческого зрения. Как одну из задач этой научной работы мы попытались классифицировать наиболее известные оптико-геометрические иллюзии и объяснить возможность появления некоторых из них.
Глава I. Каким образом видит человек?
В книге "Офтальмология" дана статья о работе световоспринимающего аппарата, в которой автор поясняет о том, как видит человек [6]:
"Свет проходит через прозрачные среды глаза и попадает на сетчатку, где его воспринимают фоторецепторы — колбочки и палочки, включающие в себя фотохимические реакции разрушения и восстановления зрительного пурпура. Продукты химических превращений в фоторецепторах, а также возникающие при этом электрические потенциалы служат раздражающим фактором для других слоев сетчатки, где возникают импульсы возбуждения, несущие зрительную информацию к центральной нервной системе"
На основе этой статьи можно сделать вывод, что человек видим таким образом:
Однако не все так просто. Во-первых, изображение на сетчатке перевернуто. Во-вторых, из-за несовершенных оптических свойств глаза картинка на сетчатке размазана. В-третьих, глаз совершает постоянные движения: скачки при рассматривании изображений, мелкие непроизвольные колебания, относительно медленные, плавные перемещения при слежении за движущимся объектом. Таким образом, изображение находится в постоянной динамике. В-четвертых, глаз моргает приблизительно 15 раз в минуту, а это значит, что изображение через каждые 5-6 секунд перестает проецироваться на сетчатку.
Поскольку человек обладает бинокулярным зрением [7], то есть мы видим окружающий мир двумя глазами, при котором изображения, получаемые на сетчатке правого и левого глаза, объединяются в одну общую картину, то фактически он видит два размытых, дергающихся и периодически исчезающих изображения, а значит, возникает проблема совмещения информации, поступающей через правый и левый глаз. До сих пор учёные многих направлений пытаются выяснить каким образом мы воспринимаем окружающий мир, в особенности иллюзии.
Глава II. Классификация иллюзий.
На сегодняшний день известно множество иллюзий. В таблице 1 ниже проиллюстрированы наиболее известные из них [1].
Таблица 1.
Название | Пример |
Восприятие глубины – при внимательном рассмотрении этой картинки мы можем почувствовать, что изображение обладает объёмностью [4]. |
Рис. 6. Иллюзия восприятия глубины. |
Восприятие размера – на первый взгляд большинство людей скажут, что нижняя фигура длиннее верхней, хотя на самом деле они одинаковы. |
Рис. 7. Иллюзия восприятия размера. |
Восприятие цвета – этот пример знаком художникам. Кажется, что изображенные лошади разного цвета, но при близком рассмотрении можно с полной уверенностью сказать, что цвет один и тот же. |
Рис. 8. Иллюзия восприятия размера. |
Двойственные образы – профиль или анфас? На первый взгляд большинство людей скажут, что это профиль. Но если мы закроем ладонью нос, то сможем с полной уверенностью сказать, что это анфас[4]. |
Рис. 9. Двойственный образ |
Картинки-перевертыши – наиболее распространенный вид иллюзий. На первой картинке мы видим бокал перевернутым к верху дном на подносе, а на второй наоборот – повернутым дном вниз. |
Рис. 10. Картинка-перевертыш |
Известно, что изображение, попав нам в глаз и дойдя до сетчатки по специальным мозговым каналам, попадает в головной мозг, где и формируется. При этом импульсы зрительной системы ничем не отличаются от импульсов нервных клеток носа, кожи уха. Мозг воспринимает их сообщения зрительными образами только потому, что знает, откуда они пришли. Там человек и представляет изображение. Но почему мозг способен представить изображение. Этим вопросом с недавнего времени занимается психология.
Мозг человека, помимо восприятия, мышления, памяти и ряда других психических процессов имеет особенную форму психики, присущую исключительно людям - воображение.
Воображение выводит человека за пределы его сиюминутного существования, напоминает ему о прошлом, открывая будущее. Обладая богатым воображением, человек может «жить» в разном времени, что не может позволить себе никакое другое живое существо в мире. Прошлое зафиксировано в образах памяти, произвольно воскрешаемых усилием воли, будущее представлено в мечтах и фантазиях.
Воображение во многом помогает человеку в тех случаях жизни, когда практические действия или не возможны, или затруднены, или просто нецелесообразны (бесполезны).
От восприятия воображение отличается тем, что его образы не всегда соответствуют реальности, в них есть элементы фантазии, вымысла. Если воображение рисует сознанию такие картины, которым ничего или мало чего соответствует в действительности, то оно носит название фантазии [9].
Глава III. Что такое инерция зрения и визуальная непрерывность?
Однако в огненном шоу преимущественно используется инерция зрения (кинематографический принцип). Этот эффект впервые был продемонстрирован 28 декабря 1895 года в индийском салоне «Гран-кафе» в Париже, где состоялся публичный показ «Синематографа братьев Люмьер», что ознаменовало рождение кинематографа.
Инерция зрения — это запаздывание нашей запоздание зрительной реакции относительно реально движущегося предмета, а также эффект сглаживания его рывков при условии, что их частота не менее, чем 16 кадров в секунду.
В немом кинематографе стандартная частота киносъемки и кинопроекции составляла 16 кадров в секунду. С появлением в кино звука стандартом стала частота 24 кадра в секунду, потому что старая скорость непрерывного движения кинопленки оказалась недостаточной для получения необходимого частотного диапазона качественной оптической фонограммы. Для замедления или ускорения движения на экране существует ускоренная и замедленная съемки. Киносъемка с частотой смены кадров, отличной от стандартной, позволяет наблюдать на экране процессы, невидимые глазом или привносит в кинофильм дополнительный художественный эффект.
В отличие от телевидения, не имеющего общемирового стандарта кадровой частоты, в звуковом кинематографе частота кадров стандартизирована и 24 кадра в секунду является стандартной частотой съемки и проекции во всем мире. Вместе с тем, попытки увеличить частоту съемки и проекции для усиления эффекта присутствия, начавшиеся практически сразу после появления кинематографа, не прекращаются по сей день. Основы иллюзии движения построены на инерции зрения.
Визуальная непрерывность — это главный эффект, вызывающий интерес к проблеме инерции зрения. Кинематограф нам это убедительно доказал, а современные визуальные технологии — тем более. Если, например, на одном и том же экране монитора изображение исчезнет и в тот же момент появится в другом его месте, то у вас возникнет иллюзия, что изображение «перелетело». То есть вы как бы увидите его быстрый полёт. Данное явление наиболее широко используется в кинематографе, поскольку достаточно быструю подачу отрывочных кадров наше сознание превращает в мягкую непрерывную динамику. Оптимальная частота кадров просто совпадает с частотой нашей внутренней реставрации при зрительном восприятии, и тогда мы видим, как будто и впрямь изображение не прерывается, не скачет, а идёт плавно, согласно нашему обыденному жизненному опыту. Опыт для нашего восприятия играет существенную роль, так как сознание производит свой синтез целых динамичных картин по отдельным поступающим впечатлениям. И это также используется в искусстве фокусника, который сначала показывает нам нормальное и последовательное поведение предмета, а затем совершает с ним действие, противоречащее нашему обыденному опыту.
Описание экспериментов.
На основе теоретических знаний нами были проведены ряд опытов, для подтверждения и опровержения гипотез.
Опыт 1. Визуальная непрерывность.
Оборудование: вертушка (рис.11), фотоаппарат.
Выводы:
Данным опытом мы подтвердили существование визуальной непрерывности. При быстром вращении вертушки картинки накладывали друг на друга, и получалось видео. При медленном вращении картинки были видны нам по отдельности (см. рисунок 12).
Опыт 2 . Инерция зрения
Оборудование: фотоаппарат, бенгальские огни.
Выводы:
При быстром движении огня (чаще, чем 24 кадра в секунду) каждое положение огня сливается в линию, и мы получаем перед собой полноценный рисунок ( рис.13, 14).
Опыт 3. Слияние цветов
Выводы:
При быстром вращении диска с нанесенными основными цветами, такими как синий, оранжевый, зеленый, все цвета сливаются воедино, и диск кажется нам белым (рис.15, 16).
Опыт 4. Строение пой.
Оборудование: фотоаппарат, пои.
Наиболее распространенный реквизит, используемый в огненных шоу – пои. Это пара фитилей или грузов прикрепленных к шнуру или цепи. На выступлениях при вращении пой используется разная траектория, благодаря чему получаются различные рисунки.
Светодиодные пои для того чтобы уберечь их от удара помещены в специальный силиконовый чехол, как показано на рисунке 17, без чехла их строение можно увидеть на рисунке 18. Они имеют довольно простую конструкцию: микросхема, батарейка и 3 диода. Светодиодные лампы соединены параллельно, чтобы при перегорании одной лампы остальные горели.
Схематическое устройство пой:
1 – источник тока – пальчиковая батарейка 4,5 Вольт
2 – соединительные провода
3, 4, 5 – светодиодная лампа*
Так как возможно перегорание одной из ламп, то они соединяются параллельно.
При этом напряжение в поях равно:
U1=U2=U3;
Общая сила тока в поях равна:
Iобщ=I1+I2+I3;
Общее сопротивление в поях равно:
;
*В этом опыте мы также решили сравнить светодиодные лампы с обычными лампами накаливания. Все результаты, полученные нами, приведены в таблице 2:
Таблица 2.
Тип лампы Параметр | Светодиодная лампа 9 Вт | Лампа накаливания 60 Вт |
Потребляемая мощность | 9 Вт | 60 Вт |
Сила тока | 0,072 А | 0,27 А |
Рабочая температура | 70оС | 180оС |
Срок службы | 30000 ч | 1000 ч |
Прочность | Миниатюрная и прочная | Крупная и хрупкая |
Анализируя данные, приведенные в таблице можно сделать выводы, что целесообразней использовать светодиодные лампы, так как они более удобны для световых представлений.
Опыт 5. а) Частота вращения пой.
Максимальную частоту вращения пой можно высчитать по формуле:
; где N – количество полных оборотов, совершенных за единицу времени;
t – время, за которые совершены обороты, измеряется в секундах.
На выступлениях используется примерно такая частота для создания более эффектного шоу, но эта частота меньше 24 кадров в секунду. Поэтому линия движения пой не выглядит непрерывной. Результаты представлены на фото (рис. 20, 21, 22, 23):
Выводы:
При вращении пой используется разная траектория движения, благодаря чему создаются различные зрительные иллюзии. Именно этот метод используется людьми для создания такого красочного шоу, как огненное.
Опыт 5. б) Скорость вращения пой.
В предыдущем опыте мы выяснили, что максимальная частота вращения пой равна 10,5 Гц, исходя из этих данных мы можем найти максимальную скорость по формуле:
;
Где L - длина окружности, по которой движется поя и равная 2рR, измеряется в метрах; T - это время одного оборота, измеряется в секундах.
Период у нас неизвестен, но мы можем найти его по данной формуле:
;
где N – количество полных оборотов, совершенных за единицу времени;
t – время, за которые совершены обороты, измеряется в секундах.
Следовательно:
, а значит
;
Вывод:
Скорость вращения пой сравнима со средней скоростью поезда, значит, по технике безопасности стоять рядом с поистером нельзя.
Опыт 5. в) Ускорение вращения пой.
И так, пои при движении обладают центростремительным ускорением, которое направленно в центр окружности, т. е в место где, человек держит в рук пои.
В предыдущем опыте мы выяснили, что максимальная скорость пой примерно равна 
, а значит центростремительное ускорение можно найти по формуле:
;
Где 
- скорость вращения пой, измеряется в метрах в секунду;
R - радиус окружности, измеряется в метрах.
;
Вывод:
Именно из-за такого большого ускорения поистеры довольно таки часто меняют веревочки, на которые крепятся пои, потому что нити перетираются и есть возможность травмировать людей.
Опыт 6. а) Учет инерции при движениях рук поистера.
Так как пои имеют массу m=60г = 0,06 кг, то его движение обладает инерцией, то есть их нельзя остановить мгновенно, согласно Й Ньютона.
Й закон Ньютона:
Существуют такие системы отсчета, относительно которых тело (материальная точка) при отсутствии на неё внешних сил сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения.
ЙЙ закон Ньютона:
Ускорение а тела зависит от действующей на него силы F от массы самого тела m
a = F / m.
3 закон Ньютона:
Сила действия равна силе противодействия. Следовательно на руки поистера действует такая же сила, которая используется при кручении.
Опыт 6. б) Расчет силы натяжения нити в нижней точке траектории.
По второму закону Ньютона мы можем рассчитать силу натяжения в нижней точке траектории (рис. 25 ).
Расчет:
По ЙЙ закону Ньютона:
Опыт 6. в) Расчет силы натяжения нити в верхней точке траектории.
По второму закону Ньютона мы можем рассчитать силу натяжения в верхней точке (рис. 26).
Расчет:
По ЙЙ закону Ньютона:
Вывод: Таким образом средняя сила натяжения нити соответствует силе, затраченной на подъём гири в 9 кг! ( Или полного ведра с водой ). Поэтому нити поя довольно часто разрываются и их приходится менять.
Опыт 7. Расчет количества энергозатрат.
Поистер, вращая пои, совершает работу равную 
.
Значит энергия, затрачиваемая на 1 оборот 
, тогда потенциальную энергию мы можем найти по формуле:
, сделав расчеты мы получили
.
Так же мы можем найти кинетическую энергию, с помощью данной формулы:
, сделав расчеты мы получили
.
Следовательно, теперь мы можем найти энергию затрачиваемую на 1 оборот, она равна: 
.
Если в среднем выступление поистеров длится около 3,5 минут, и при условии что один оборот совершается за 0,09 секунд, количество оборотов за номер равно:
.
Значит за все выступление поистер затрачивает энергию равную:
.
1 Дж = 0,239 калории
1 калория = 4,187 Дж
Соответствие продуктов и полученных при их потреблении калорий, представлены в таблице 3.
Таблица 3.
Продукт (100 г) | Количество ккал | Количество необходимое поистеру |
Яблоко | 45 | 17г |
Апельсин | 38 | 20 г |
Молоко 4,5% | 72 | 11 г |
И так выводы выше проиллюстрированных опытов представлены в таблице 4:
Таблица 4.
Частота | 10,5 Гц |
Период | 0,09 сек |
Скорость |
|
Центростремительное ускорение |
|
Средняя сила натяжения нити | 87,36 Н |
Количество энергозатрат за 1 выступление | 32кДж |
Выводы:
В ходе нашей работы мы доказали, что в основе огненного шоу лежат оптические иллюзии. Благодаря чему поистеры могут получить красочные фигуры, создающие огненное шоу.
Наше зрение несовершенно, и иногда мы видим не то, что существует в действительности. Но тот факт, что огромное большинство людей получают иногда одинаковые ошибочные зрительные впечатления, говорит об объективности нашего зрения и о том, что оно, дополняемое мышлением и практикой, дает нам относительно точные сведения о предметах внешнего мира.
С другой стороны, тот факт, что разные люди в процессе зрительного восприятия обладают различной способностью ошибаться, иногда видят в предметах то, чего другие не замечают, говорит о субъективности наших зрительных ощущений и об их относительности.
С помощью данной работы мы рассмотрели разные виды оптических иллюзий и провели их классификацию. Мы смогли ответить на вопрос: «Можно ли верить своим глазам?».
Подобные знания могут избавить от неприятностей, связанных со зрительными обманами, дают возможность понять причины природных явлений.
Не стоит забывать, что оптические иллюзии вызваны физиологией, а именно строением глаза и сопровождают нас в течение всей жизни. Поэтому знание основных их видов, причин и возможных последствий необходимо каждому человеку.
Список литературы.
птические иллюзии / С. Толанский – М.: Мир,1967. ак мы видим то, что видим / В. Демидов – М.: Знание, 1987. Артамонов зрения / - М.: Наука, 1961. евозможные фигуры / О. Рутерсвард – М.: Стройиздат, 1990. щущение и восприятие / Х. Шиффман – СПб: Питер, 2003. Бойкова : Учебное пособие / // Работа световоспринимающего аппарата глаза - М.:РИОР, 2007. - С. 18-19. Бойкова : Учебное пособие / // Процесс получения изображения - М.:РИОР, 2007. - С. 16. Перельман механика. / - М-Л.: Гостехиздат, 1948. — C. 172. лучши свой интеллект / К. Рассел, Ф. Картер - Минск, «Попурри», 1996, С.45