Размытый край тени обычно возникает потому, что лампа, окно или Солнце освещают предмет не из одной математической точки. Разные участки источника посылают свет немного с разных направлений. Возле границы тени предмет закрывает лишь часть источника, поэтому освещённость меняется постепенно. Эта переходная область называется полутенью. Чем больше видимый размер источника и чем дальше предмет от поверхности, на которую падает тень, тем заметнее обычно её мягкий край.
Тень складывается из множества перекрытий
Представим непрозрачный шар перед белой стеной и очень маленькую лампу. Для каждой точки стены можно задать простой вопрос: существует ли прямой путь от лампы, который не перекрыт шаром? Если путь свободен, точка освещена; если закрыт, прямой свет туда не приходит. В приближении геометрической оптики переход получается резким, потому что источник почти не имеет собственного размера.
Теперь заменим маленькую лампу большим светящимся диском. Его можно мысленно разделить на множество крошечных источников. Каждый создаст немного смещённую тень того же шара. Там, где все такие тени накладываются, источник полностью скрыт. Ближе к краю перекрываются только некоторые из них. Сумма освещённости создаёт плавный переход вместо одной строгой линии.
Полная тень и полутень
В области полной тени препятствие закрывает весь рассматриваемый источник. В полутени видна только его часть. А за внешним краем полутени источник снова доступен целиком. При этом слова «полная тень» не обещают абсолютной черноты: туда могут попадать отражения от потолка, пола и других вещей. Речь идёт о перекрытии определённого прямого источника света.
Удобно мысленно посадить маленького наблюдателя в разные точки стены. Из тёмного центра лампы не видно, из переходной полосы виден её кусочек, а из освещённой области – вся светящаяся поверхность. Этот мысленный опыт объясняет полутень лучше, чем представление о загадочном «растекании темноты». Темнота ничего не испускает: меняется доля доступного света.
Почему возле стены контур чётче
Поднесите ладонь почти вплотную к столу под широкой лампой: её тень будет сравнительно резкой. Поднимите ладонь, сохраняя положение источника, и переходная полоса расширится. На большем расстоянии небольшое различие направлений лучей успевает превратиться в заметное смещение между отдельными тенями. Геометрия даёт им больше пространства, чтобы разойтись.
Поэтому ножка чашки у самой столешницы может отбрасывать чёткий контур, тогда как тень верхнего края той же чашки выглядит мягче. Предмет один, лампа одна, но расстояние от разных его частей до принимающей поверхности неодинаково. Похожую подсказку используют художники, когда передают положение вещей и глубину пространства. О роли освещения в изображении объёма рассказывает материал «Свет и тень».
Имеет значение видимый размер лампы
Важен не только физический диаметр светильника, но и то, насколько большим он кажется из положения предмета. Маленький светодиод рядом и крупный светильник далеко могут иметь сопоставимый угловой размер. Если отодвигать один и тот же источник, его видимый размер уменьшается, и при подходящей геометрии тень становится резче. Одновременно меняются яркость и масштаб, поэтому бытовое сравнение требует аккуратности.
Широкий плафон с матовой поверхностью обычно даёт более мягкие тени, чем маленький открытый источник. Но внешний корпус лампы может быть большим, а реально светящаяся зона – маленькой. Прозрачный абажур и матовый рассеиватель тоже работают по-разному. Смотрите на ту поверхность, от которой приходит свет к предмету, а не только на размеры всей настольной лампы.
Почему солнечные тени тоже бывают мягкими
Солнце находится далеко, однако на небе выглядит диском, а не точкой. Его лучи приходят от разных участков этого диска. У предмета рядом с землёй полутень узкая, а у высоко расположенной ветки переход может стать заметно шире. Дальний источник поэтому не обязательно создаёт идеально острый край: имеет значение его угловая протяжённость.
Та же геометрия помогает понимать затмения: для наблюдателей в разных местах небесное тело закрывает весь солнечный диск или только его часть. Но наблюдать Солнце через предметы и случайные фильтры опасно для зрения. Причины и ограничения разобраны отдельно в статье о том, почему нельзя смотреть на солнечное затмение без защиты. Для домашней демонстрации достаточно обычного безопасного светильника.
Несколько ламп и пасмурное небо
Если включены две небольшие лампы, можно увидеть две частично перекрывающиеся тени. Самое тёмное место получает меньше прямого света от обеих. Между контурами остаются участки, куда светит одна лампа, пока другая закрыта предметом. Если источников много и они расположены тесно, отдельные контуры могут сливаться в широкий неравномерный край.
При облачности значительная часть неба становится большой светящейся областью. Свет приходит со множества направлений, и резкие тени нередко почти исчезают. Похожий эффект возникает у окна, если основным источником служит вся его светлая площадь. Отражающие стены дополнительно подсвечивают затенённые участки, уменьшая контраст. Размер полутени и глубина её тона при этом остаются разными характеристиками.
Нужна ли для объяснения дифракция
Свет обладает волновыми свойствами и может огибать края препятствий. При подходящих размерах и условиях дифракция создаёт характерные изменения освещённости. Однако широкая мягкая тень от руки под большой комнатной лампой обычно объясняется прежде всего протяжённостью источника. Для такого наблюдения не требуется предполагать, что свет сильно загибается вокруг пальцев.
Проверить основную причину можно без сложного оборудования: оставьте один светильник, поднесите непрозрачную карточку к стене, затем плавно отдалите её. Следите именно за переходной полосой. Если она расширяется, перед вами наглядный результат наложения теней от разных частей лампы. Размытость здесь сообщает вполне конкретную вещь: источник имеет размер, а между предметом и поверхностью есть расстояние.
