На какое расстояние видит глаз человека. Наблюдение и видимость. Психология зрительного восприятия

02.07.2020

Теоретически пятно света от отдаленного точечного источника при фокусировании на сетчатке должно быть бесконечно малым. Однако поскольку оптическая система глаза несовершенна, такое пятно на сетчатке даже при максимальном разрешении оптической системы нормального глаза обычно имеет общий диаметр приблизительно 11 мкм. В центре пятна яркость самая высокая, а по направлению к его краям яркость постепенно убывает.

Средний диаметр колбочек в ямке сетчатки (центральная часть сетчатки, где самая высокая острота зрения) равен примерно 1,5 мкм, что составляет 1/7 диаметра пятна света. Однако поскольку пятно света имеет яркую центральную точку и затененные края, человек в норме может различить две отдельные точки при расстоянии на сетчатке между их центрами около 2 мкм, что немного больше ширины колбочек центральной ямки.

Нормальная острота зрения человеческого глаза для различения точечных источников света составляет примерно 25 дуговых сек. Следовательно, когда световые лучи от двух отдельных точек достигают глаза под углом 25 сек между ними, они обычно распознаются как две точки вместо одной. Это означает, что человек с нормальной остротой зрения, глядя на два ярких точечных источника света с расстояния 10 м, может различить эти источники как отдельные объекты лишь в том случае, если они находятся на расстоянии 1,5-2 мм друг от друга.

При диаметре ямки меньше 500 мкм менее 2° поля зрения попадают в область сетчатки с максимальной остротой зрения. Вне области центральной ямки острота зрения постепенно ослабевает, снижаясь более чем в 10 раз при достижении периферии. Это происходит потому, что в периферических частях сетчатки по мере удаления от центральной ямки все большее число палочек и колбочек связывается с каждым волокном зрительного нерва.

Клинический метод определения остроты зрения . Карта для тестирования глаз обычно состоит из букв различных размеров, помещенных на расстоянии около 6 м (20 футов) от тестируемого человека. Если человек с этого расстояния хорошо видит буквы, которые должен видеть в норме, говорят, что его острота зрения равна 1,0 (20/20), т.е. зрение нормальное. Если человек с этого расстояния видит только те буквы, которые в норме должны быть видны с 60 м (200 футов), говорят, что у человека зрение 0,1 (20/200). Другими словами, клинический метод оценки остроты зрения использует математическую долю, отражающую отношение двух расстояний, или отношение остроты зрения данного человека к нормальной остроте зрения.

Существуют три главных способа , с помощью которых человек обычно определяет расстояние до объекта: (1) размеры изображений известных объектов на сетчатке; (2) феномен параллакса перемещения; (3) явление стереопсиса. Способность определять расстояние называют восприятием глубины.

Определение расстояния по размером изображений известных объектов на сетчатке глаза. Если известно, что рост человека, которого вы видите, равен 180 см, определить, как далеко от вас человек, можно просто по размеру его изображения на сетчатке. Это не значит, что каждый из нас сознательно думает о размере на сетчатке, но мозг обучается автоматически вычислять расстояния до объектов по размерам изображений, когда данные известны.

Определение расстояния по параллаксу перемещения . Другим важным способом определения расстояния от глаза до объекта является степень изменения параллакса перемещения. Если человек смотрит вдаль совершенно неподвижно, никакого параллакса нет. Однако при смещении головы в одну или другую сторону изображения близко расположенных объектов быстро движутся по сетчатке, тогда как образы отдаленных объектов остаются почти неподвижными. Например, при смещении головы в сторону на 2,54 см изображение объекта, расположенного на этом расстоянии от глаз, движется практически через всю сетчатку, тогда как смещение изображения объекта, удаленного от глаз на 60 м, не ощущается. Таким образом, при использовании механизма меняющегося параллакса можно определять относительные расстояния до различных объектов даже одним глазом.

Определение расстояния с помощью стереопсиса . Бинокулярное зрение. Другой причиной ощущения параллакса является бинокулярное зрение. Поскольку глаза сдвинуты относительно друг друга чуть больше 5 см, изображения на сетчатках глаз отличаются друг от друга. Например, объект, находящийся перед носом на расстоянии 2,54 см, формирует изображение на левой стороне сетчатки левого глаза и на правой стороне сетчатки правого глаза, тогда как изображения небольшого объекта, расположенного перед носом и отстоящего от него на 6 м, формируются в тесно корреспондирующих точках в центрах обеих сетчаток. Изображения красного пятна и желтого квадрата проецируются в противоположных участках двух сетчаток в связи с тем, что объекты находятся на разном расстоянии перед глазами.

Такой тип параллакса бывает всегда при зрении двумя глазами. Именно бинокулярный параллаке (или стереопсис) практически полностью отвечает за гораздо более высокую способность к оценке расстояния до близко расположенных объектов для человека с двумя глазами по сравнению с человеком, имеющим только один глаз. Однако стереопсис фактически бесполезен для восприятия глубины на расстояниях за пределами 15-60 м.

Рассказывает об удивительных свойствах нашего зрения - от способности видеть далекие галактики до возможности улавливать невидимые, казалось бы, световые волны.

Окиньте взглядом комнату, в которой находитесь – что вы видите? Стены, окна, разноцветные предметы – все это кажется таким привычным и само собой разумеющимся. Легко забыть о том, что мы видим окружающий нас мир лишь благодаря фотонам - световым частицам, отражающимся от объектов и попадающим на сетчатку глаза.

В сетчатке каждого из наших глаз расположено примерно 126 млн светочувствительных клеток. Мозг расшифровывает получаемую от этих клеток информацию о направлении и энергии попадающих на них фотонов и превращает ее в разнообразие форм, цветов и интенсивности освещения окружающих предметов.

У человеческого зрения есть свои пределы. Так, мы не способны ни увидеть радиоволны, излучаемые электронными устройствами, ни разглядеть невооруженным глазом мельчайшие бактерии.

Благодаря прогрессу в области физики и биологии можно определить границы естественного зрения. "У любых видимых нами объектов есть определенный "порог", ниже которого мы перестаем их различать", - говорит Майкл Лэнди, профессор психологии и нейробиологии в Нью-Йоркском университете.

Сперва рассмотрим этот порог с точки зрения нашей способности различать цвета - пожалуй, самой первой способности, которая приходит на ум применительно к зрению.

Правообладатель иллюстрации SPL Image caption Колбочки отвечают за цветовосприятие, а палочки помогают нам видеть оттенки серого цвета при низком освещении

Наша способность отличать, например, фиолетовый цвет от пурпурного связана с длиной волны фотонов, попадающих на сетчатку глаза. В сетчатке имеются два типа светочувствительных клеток - палочки и колбочки. Колбочки отвечают за цветовосприятие (так называемое дневное зрение), а палочки позволяют нам видеть оттенки серого цвета при низком освещении - например, ночью (ночное зрение).

В человеческом глазе есть три вида колбочек и соответствующее им число типов опсинов, каждый из которых отличается особой чувствительностью к фотонам с определенным диапазоном длин световых волн.

Колбочки S-типа чувствительны к фиолетово-синей, коротковолновой части видимого спектра; колбочки M-типа отвечают за зелено-желтую (средневолновую), а колбочки L-типа - за желто-красную (длинноволновую).

Все эти волны, а также их комбинации, позволяют нам видеть полный диапазон цветов радуги. "Все источники видимого человеком света, за исключением ряда искусственных (таких, как преломляющая призма или лазер), излучают смесь волн различной длины", - говорит Лэнди.

Правообладатель иллюстрации Thinkstock Image caption Не весь спектр полезен для наших глаз...

Из всех существующих в природе фотонов наши колбочки способны фиксировать лишь те, которые характеризуются длиной волн в весьма узком диапазоне (как правило, от 380 до 720 нанометров) – это и называется спектром видимого излучения. Ниже этого диапазона находятся инфракрасный и радиоспектры – длина волн низкоэнергетических фотонов последнего варьируется от миллиметров до нескольких километров.

По другую сторону видимого диапазона волн расположен ультрафиолетовый спектр, за которым следует рентгеновский, а затем - спектр гамма-излучения с фотонами, длина волн которых не превышает триллионные доли метра.

Хотя зрение большинства из нас ограничено видимым спектром, люди с афакией - отсутствием в глазу хрусталика (в результате хирургической операции при катаракте или, реже, вследствие врожденного дефекта) - способны видеть ультрафиолетовые волны.

В здоровом глазе хрусталик блокирует волны ультрафиолетового диапазона, но при его отсутствии человек способен воспринимать волны длиной примерно до 300 нанометров как бело-голубой цвет.

В исследовании 2014 г. отмечается, что в каком-то смысле мы все можем видеть и инфракрасные фотоны. Если два таких фотона практически одновременно попадут на одну и ту же клетку сетчатки, их энергия может суммироваться, превратив невидимые волны длиной, скажем, в 1000 нанометров в видимую волну длиной в 500 нанометров (большинство из нас воспринимает волны этой длины как холодный зеленый цвет).

Сколько цветов мы видим?

В глазе здорового человека три типа колбочек, каждый из которых способен различать около 100 различных цветовых оттенков. По этой причине большинство исследователей оценивает количество различаемых нами цветов примерно в миллион. Однако восприятие цвета очень субъективно и индивидуально.

Джемесон знает, о чем говорит. Она изучает зрение тетрахроматов – людей, обладающих поистине сверхчеловеческими способностями к различению цветов. Тетрахроматия встречается редко, в большинстве случаев у женщин. В результате генетической мутации у них имеется дополнительный, четвертый вид колбочек, что позволяет им, по грубым подсчетам, видеть до 100 млн цветов. (У людей, страдающих цветовой слепотой, или дихроматов, всего два типа колбочек - они различают не более 10 000 цветов.)

Сколько нам нужно фотонов, чтобы увидеть источник света?

Как правило, колбочкам для оптимального функционирования требуется гораздо больше света, чем палочкам. По этой причине при низком освещении наша способность различать цвета падает, а за работу принимаются палочки, обеспечивающие черно-белое зрение.

В идеальных лабораторных условиях на тех участках сетчатки, где палочки по большей части отсутствуют, колбочки могут активироваться при попадании на них всего нескольких фотонов. Однако палочки справляются с задачей регистрации даже самого тусклого света еще лучше.

Правообладатель иллюстрации SPL Image caption После операции на глазе некоторые люди приобретают способность видеть ультрафиолетовое излучение

Как показывают эксперименты, впервые проведенные в 1940-х гг., одного кванта света достаточно для того, чтобы наш глаз его увидел. "Человек способен увидеть один-единственный фотон, - говорит Брайан Уонделл, профессор психологии и электротехники в Стэнфордском университете. – В большей чувствительности сетчатки просто нет смысла".

В 1941 г. исследователи из Колумбийского университета провели эксперимент – испытуемых заводили в темную комнату и давали их глазам определенное время на адаптацию. Для достижения полной чувствительности палочкам требуется несколько минут; именно поэтому, когда мы выключаем в помещении свет, то на какое-то время теряем способность что-либо видеть.

Затем в лицо испытуемым направляли мигающий сине-зеленый свет. С вероятностью выше обычной случайности участники эксперимента регистрировали вспышку света при попадании на сетчатку всего 54 фотонов.

Не все фотоны, достигающие сетчатки, регистрируются светочувствительными клетками. Учитывая это обстоятельство, ученые пришли к выводу, что всего пяти фотонов, активирующих пять разных палочек в сетчатке, достаточно, чтобы человек увидел вспышку.

Самый маленький и самый удаленный видимые объекты

Следующий факт может вас удивить: наша способность увидеть объект зависит вовсе не от его физических размеров или удаления, а от того, попадут ли хотя бы несколько излучаемых им фотонов на нашу сетчатку.

"Единственное, что нужно глазу, чтобы что-то увидеть, - это определенное количество света, излученного или отраженного на него объектом, - говорит Лэнди. – Все сводится к числу достигших сетчатки фотонов. Каким бы миниатюрным ни был источник света, пусть даже он просуществует доли секунды, мы все равно способны его увидеть, если он излучает достаточное количество фотонов".

Правообладатель иллюстрации Thinkstock Image caption Глазу достаточно небольшого количества фотонов, чтобы увидеть свет

В учебниках по психологии часто встречается утверждение о том, что в безоблачную темную ночь пламя свечи можно заметить с расстояния до 48 км. В реальности же наша сетчатка постоянно бомбардируется фотонами, так что один-единственный квант света, излученный с большого расстояния, просто затеряется на их фоне.

Чтобы представить себе, насколько далеко мы способны видеть, взглянем на ночное небо, усеянное звездами. Размеры звезд огромны; многие из тех, что мы наблюдаем невооруженным взглядом, достигают миллионов км в диаметре.

Однако даже самые близкие к нам звезды расположены на расстоянии свыше 38 триллионов километров от Земли, поэтому их видимые размеры настолько малы, что наш глаз не способен их различить.

С другой стороны, мы все равно наблюдаем звезды в виде ярких точечных источников света, поскольку испускаемые ими фотоны преодолевают разделяющие нас гигантские расстояния и попадают на нашу сетчатку.

Правообладатель иллюстрации Thinkstock Image caption Острота зрения снижается по мере увеличения расстояния до объекта

Все отдельные видимые звезды на ночном небосклоне находятся в нашей галактике – Млечном Пути. Самый удаленный от нас объект, который человек в состоянии разглядеть невооруженным глазом, расположен за пределами Млечного Пути и сам представляет собой звездное скопление – это Туманность Андромеды, находящаяся на расстоянии в 2,5 млн световых лет, или 37 квинтильонов км, от Солнца. (Некоторые люди утверждают, что особо темными ночами острое зрение позволяет им увидеть Галактику Треугольника, расположенную на удалении около 3 млн световых лет, но пусть это утверждение останется на их совести.)

Туманность Андромеды насчитывает один триллион звезд. Из-за большой удаленности все эти светила сливаются для нас в едва различимое пятнышко света. При этом размеры Туманности Андромеды колоссальны. Даже на таком гигантском расстоянии ее угловой размер в шесть раз превышает диаметр полной Луны. Однако до нас долетает настолько мало фотонов из этой галактики, что она едва различима на ночном небе.

Предел остроты зрения

Почему же мы не способны разглядеть отдельные звезды в Туманности Андромеды? Дело в том, что у разрешающей способности, или остроты, зрения есть свои ограничения. (Под остротой зрения подразумевается способность различать такие элементы, как точка или линия, как отдельные объекты, не сливающиеся с соседними объектами или с фоном.)

Фактически остроту зрения можно описывать так же, как и разрешение компьютерного монитора - в минимальном размере пикселей, которые мы еще способны различать как отдельные точки.

Правообладатель иллюстрации SPL Image caption Достаточно яркие объекты можно разглядеть на расстоянии в несколько световых лет

Ограничения остроты зрения зависят от нескольких факторов - таких как расстояние между отдельными колбочками и палочками сетчатки глаза. Не менее важную роль играют и оптические характеристики самого глазного яблока, из-за которых далеко не каждый фотон попадает на светочувствительную клетку.

В теории, как показывают исследования, острота нашего зрения ограничивается способностью различать около 120 пикселей на угловой градус (единицу углового измерения).

Практической иллюстрацией пределов остроты человеческого зрения может являться расположенный на расстоянии вытянутой руки объект площадью с ноготь, с нанесенными на нем 60 горизонтальными и 60 вертикальными линиями попеременно белого и черного цветов, образующими подобие шахматной доски. "По всей видимости, это самый мелкий рисунок, который еще в состоянии различить человеческий глаз", - говорит Лэнди.

На этом принципе основаны таблицы, используемые окулистами для проверки остроты зрения. Наиболее известная в России таблица Сивцева представляет собой ряды черных заглавных букв на белом фоне, размер шрифта которых с каждым рядом становится все меньше.

Острота зрения человека определяется по тому, на каком размере шрифта он перестает четко видеть контуры букв и начинает их путать.

Правообладатель иллюстрации Thinkstock Image caption В таблицах для проверки остроты зрения используются черные буквы на белом фоне

Именно пределом остроты зрения объясняется тот факт, что мы не способны разглядеть невооруженным глазом биологическую клетку, размеры которой составляют всего несколько микрометров.

Но не стоит горевать по этому поводу. Способность различать миллион цветов, улавливать одиночные фотоны и видеть галактики на удалении в несколько квинтильонов километров – весьма неплохой результат, если учесть, что наше зрение обеспечивается парой желеобразных шариков в глазницах, соединенных с полуторакилограммовой пористой массой в черепной коробке.

II. УСЛОВИЯ И СПОСОБЫ НАБЛЮДЕНИЯ ДАЛЕКИХ ПРЕДМЕТОВ

Кругозор места наблюдения

Обозревать далеко расположенную местность можно не с каждого пункта. Очень часто окружающие нас близкие предметы (дома, деревья, холмы) заслоняют собой горизонт.
Часть территории, которую можно просматривать с какого-нибудь места, принято называть кругозором этого пункта. Если близкие предметы загораживают горизонт и поэтому вдаль смотреть нельзя, то говорят, что кругозор очень мал. В некоторых случаях, как, например, в лесу, в густом кустарнике, среди тесно расположенных построек, кругозор может ограничиваться немногими десятками метров.
Для наблюдения за противником чаще всего нужно смотреть вдаль, и поэтому для наблюдательных пунктов (НП) стараются выбирать пункты с хорошим, широким кругозором.
Чтобы окружающие предметы не мешали видеть, нужно расположиться выше их. Поэтому открытым кругозором чаще всего отличаются позиции, расположенные достаточно высоко. Если какой-нибудь пункт находится выше других, то говорят, что он "командует" над ними. Таким образом, хороший кругозор во все стороны может быть достигнут тогда, когда пункт наблюдения находится в точке, которая командует над окружающей местностью (рис. 3).

Вершины гор, холмов и других возвышенностей являются пунктами, с которых обычно открывается широкий вид на окружающую низменность. На равнине, где местность плоская, наилучший кругозор получается при подъеме на искусственные сооружения и постройки. С крыши высокого дома, с вышки завода, с колокольни почти всегда можно обозревать очень далекие части ландшафта. Если нет подходящих построек, то иногда сооружают специальные наблюдательные вышки.
Еще в глубокую старину на вершинах холмов и крутых обрывах воздвигали специальные дозорные башни и с них следили за окрестностью, чтобы заблаговременно заметить приближение неприятельского войска и не быть застигнутыми врасплох. Отчасти с этой же целью сооружались башни в старинных крепостях и замках. В древней Руси дозорными вышками служили колокольни церквей, в Средней Азии - минареты мечетей.
В наше время специальные вышки для наблюдения очень распространены. Часто среди лесов и полей нашей страны попадаются бревенчатые вышки, или "маяки". Это либо геодезические "сигналы", с которых ведут наблюдения при съемке местности, либо посты пожарной лесной охраны, с которых в засуху следят за лесом и замечают возникающие лесные пожары.
Высота всяких наземных сооружений, естественно, ограничена. Чтобы подняться над землей еще выше и этим еще больше расширить свой кругозор, пользуются летательными средствами. Уже в годы первой мировой войны для наблюдения широко применяли привязные змейковые аэростаты (так называемые "колбасы"). В корзине аэростата сидел наблюдатель, который мог подниматься на высоту 1000 м и более, часами оставаться в воздухе и следить за обширной территорией. Но аэростат слишком уязвимая цель для противника: его легко сбить как с земли, так и с воздуха. Поэтому наилучшим средством для проведения разведки следует считать самолет. Способный подниматься на большую высоту, двигаться с большой скоростью над территорией противника, уходить от преследования и активно отражать нападение неприятельских воздушных сил, он позволяет не только вести наблюдение над своей территорией, но и производить во время войны глубокую разведку в тылу неприятеля. При этом визуальное наблюдение часто дополняется фотографированием изучаемой местности, так называемой аэрофотосъемкой.

Дальность открытия

Пусть наблюдатель находится на совершенно открытом и ровном месте, например, на берегу моря или в степи. Поблизости никаких крупных предметов нет, горизонт ничем не загорожен. Какое пространство сможет обозревать наблюдатель в этом случае? Где и чем будет ограничен его кругозор?
Каждому известно, что в этом случае границей кругозора будет линия горизонта, т. е. та черта, на которой небо как будто сходится с землей.
Что же представляет собой этот горизонт? Здесь надо вспомнить уроки географии. Земля кругла, и поэтому ее поверхность везде выпуклая. Вот эта кривизна, эта выпуклость поверхности Земли и ограничивает кругозор на открытом месте.
Пусть наблюдатель стоит в точке Н (рис. 4). Проведем линию НГ, которая касается шаровидной поверхности земли в точке Г. Очевидно, что та часть земли, которая к наблюдателю ближе, чем Г, будет видна; что же касается земной поверхности, лежащей дальше Г, например, точка В, то ее видно не будет: ее загородит выпуклость земли между Я и В. Проведем круг через точку Г с центром у подножия наблюдателя. По этому кругу для наблюдателя и лежит его видимый горизонт, т. е. граница земли и неба. Заметьте, что от наблюдателя этот горизонт виден не на перпендикуляре к отвесу, а несколько книзу.

Из чертежа легко понять, что чем выше поднимается наблюдатель над поверхностью земли, тем дальше от него отодвинется точка касания Г и, следовательно, тем шире будет его кругозор. Например, если наблюдатель спустится с верхушки башни Н на нижнюю площадку, то он сможет видеть землю только до точки, которая гораздо ближе точки Г.
Значит, даже и тогда, когда ничто не заслоняет горизонта, подъем кверху расширяет кругозор и позволяет видеть дальше. Следовательно, и в совсем открытых местах выгодно выбирать для пункта наблюдения возможно более высокую точку. Математическое изучение вопроса показывает 1: для того, чтобы горизонт расширился в два раза, надо подняться на высоту в 2х2=4 раза большую; чтобы расширить горизонт в три раза, в 3х3=9 раз большую и т. д. Иначе говоря, чтобы горизонт отодвинулся в N раз дальше, надо подняться в N 2 раз выше.

В таблице 1 дается расстояние видимого горизонта от пункта наблюдения при подъемах наблюдателя на разные высоты. Приведенные здесь цифры - это граница, до которой можно обозревать самую поверхность земли. Если же речь идет о наблюдении высокого предмета, как, например, мачты корабля К, изображенной на рис. 4, то она будет видна значительно дальше, так как ее верхушка будет выдаваться над линией видимого горизонта.

Расстояние, начиная с которого какой-нибудь предмет, например, гора, башня, маяк, корабль, становится видимым из-за горизонта, называется дальностью открытия . (Иногда его называют также "дальностью видимости", но это неудобно и может повести к путанице, так как дальностью видимости принято называть расстояние, на котором предмет становится видимым в тумане.) Это тот предел, дальше которого увидеть этот предмет с данного пункта нельзя ни при каких условиях.
Дальность открытия имеет большое практическое значение, особенно в море. Ее легко рассчитывать, пользуясь таблицей дальности горизонта. Дело в том, что дальность открытия равна дальности горизонта для пункта наблюдения плюс дальность открытия для верхушки наблюдаемого предмета.

Приведем пример такого расчета. Наблюдатель стоит на прибрежном обрыве на высоте 100 м над уровнем моря и ожидает появления из-за горизонта корабля, мачты которого имеют высоту 15 м. На какое расстояние должен подойти корабль, чтобы наблюдатель мог его заметить? По таблице дальность горизонта для пункта наблюдения будет 38 км, а для мачты корабля - 15 км. Дальность открытия равна сумме этих чисел: 38+15=53. Значит, мачта корабля появится на горизонте, когда корабль подойдет к пункту наблюдения на 53 км.

Кажущиеся размеры предметов

Если понемногу удаляться от какого-нибудь предмета, то видимость его будет постепенно ухудшаться, различные детали будут пропадать одна за другой, и рассматривать объект будет все труднее и труднее. Если предмет мал, то на известном расстоянии его совсем нельзя будет различить, даже в том случае, если его ничто не загораживает и воздух совершенно прозрачен.
Например, с расстояния в 2 м можно разглядеть малейшие морщинки на лице человека, которых с расстояния в 10 м уже не видно. На расстоянии 50-100 м человека не всегда можно узнать, при удалении на 1000 м трудно определить его пол, возраст и форму одежды; с расстояния 5 км его вообще не увидишь. Рассматривать предмет издалека трудно вследствие того, что чем дальше предмет, тем меньше его видимые, кажущиеся размеры.
Проведем из глаза наблюдателя две прямые линии к краям предмета (рис. 5). Составленный ими угол называется угловым поперечником предмета . Его выражают в обычных для угла мерах - градусах (°), минутах (") или секундах (") и их десятых.

Чем дальше предмет, тем меньше его угловой поперечник. Для того, чтобы найти угловой поперечник предмета, выраженный в градусах, надо взять его действительный, или линейный, поперечник и разделить на расстояние, выраженное в тех же мерах длины, а то, что получится, умножить на число 57,3. Таким образом:

Чтобы получить угловой размер в минутах, надо вместо 57,3 взять множитель 3438, а если надо получить секунды, то - 206265.
Приведем пример. Солдат имеет рост 162 см. Под каким углом будет видна его фигура с расстояния в 2 км? Замечая, что 2 км составляют -200000 см, вычисляем:

В таблице 2 даются угловые размеры предмета в зависимости от его линейных размеров и расстояния.

Острота зрения

Способность видеть далекие предметы у разных людей не одинакова. Один прекрасно видит мельчайшие детали удаленной части ландшафта, другой плохо различает подробности даже сравнительно близко расположенных предметов.
Способность зрения различать тонкие, мелкие по угловым размерам детали называется остротой зрения , или разрешающей способностью . Для людей, которым по роду своей деятельности приходится следить за удаленными частями ландшафта, например для летчиков, моряков, шоферов, паровозных машинистов, острое зрение совершенно необходимо. На войне оно является ценнейшим качеством каждого солдата. Человек с плохим зрением не может хорошо целиться, вести наблюдение за удаленным противником, он плох в разведке.
Как же измерить остроту зрения? Для этого разработаны весьма точные приемы.
Нарисуем на белом картоне два черных квадрата с узким белым промежутком между ними и хорошо осветим этот картон. Вблизи ясно видны и квадраты и этот промежуток. Если начать постепенно отходить от рисунка, то угол, под которым виден промежуток между квадратами, будет уменьшаться, и различать рисунок будет все труднее и труднее. При достаточном удалении белая полоса между черными квадратами совсем исчезнет, и наблюдатель вместо двух отдельных квадратов увидит одну черную точку на белом фоне. Человек с острым зрением может заметить два квадрата с большего расстояния, чем тот, у кого зрение менее острое. Поэтому угловая ширина промежутка, начиная с которой квадраты видны раздельно, может служить мерой остроты.
Найдено, что для человека с нормальным зрением; наименьшая ширина промежутка, при которой два черных изображения видны раздельно, составляет 1". Острота такого зрения принимается за единицу. Если удается увидеть как раздельные изображения при промежутке между ними в 0",5, то острота будет 2; если же объекты разделяются лишь при ширине промежутка в 2", то острота будет 1/2 и т. д. Таким образом, для того, чтобы измерить остроту зрения, надо найти наименьшую угловую ширину промежутка, при которой два изображения видны как раздельные, и на нее разделить единицу:

Для испытания остроты зрения применяют рисунки разного очертания. Читатель, вероятно, знает таблицы с буквами разной величины, которыми проверяют зрение врачи-глазники (окулисты). На такой таблице нормальный глаз с остротой, равной единице, разбирает буквы, толщина черных линий которых равна 1". Более острый глаз может разбирать буквы и мельче, менее острый - лишь те буквы, которые крупнее. Разные буквы имеют неодинаковые очертания, и поэтому некоторые из них разбирать легче, а другие труднее. Этот недостаток устраняется, если пользоваться специальными "пробами", где наблюдателю показывают одинаковые фигуры, повернутые различным образом. Некоторые из таких проб изображены на рис. 6.

Рис. 6. Образцы фигур для испытания остроты зрения.
Слева - две черные полосы, наблюдается исчезновение белого промежутка между ними. Посредине - кольцо с разрывом, направление этого разрыва должен указать испытуемый. Справа - в виде буквы Е, поворот которой указывает наблюдатель.

Близорукость и дальнозоркость

По своему устройству глаз очень похож на фотографический аппарат. Он тоже представляет собой камеру, правда, круглой формы, на дне которой получается изображение наблюдаемых предметов (рис. 7). Изнутри глазное яблоко устлано особой тонкой пленкой, или кожицей, называемой сетчатой оболочкой , или ретиной . Она вся усеяна громадным количеством очень мелких телец, каждое из которых соединено тонкой ниточкой нерва с центральным зрительным нервом и далее с мозгом. Одни из этих телец короткие и называются колбочками , другие же, продолговатые, называются палочками . Колбочки и палочки представляют собой орган нашего тела, воспринимающий свет; в них под действием лучей получается особое раздражение, которое по нервам, как по проводам, передается в мозг и воспринимается сознанием, как ощущение света.
Световая картина, воспринимаемая нашим зрением, составляется из множества отдельных точек - раздражений колбочек и палочек. В этом глаз тоже похож на фотографию: там изображение на снимке тоже слагается из множества мельчайших черных точек - зерен серебра.
Роль объектива для глаза играет отчасти студенистая жидкость, наполняющая глазное яблоко, отчасти прозрачное тело, расположенное непосредственно за зрачком и называемое хрусталиком . По своей форме хрусталик напоминает двояковыпуклое стекло, или линзу, но от стекла отличается тем, что состоит из мягкого и упругого вещества, отдаленно напоминающего студень.
Для того, чтобы получить хороший, отчетливый снимок, фотографический аппарат надо сначала "навести на фокус". Для этого заднюю рамку, которая несет фотографическую пластинку, передвигают взад и вперед, пока не найдут такое расстояние от объектива, на котором изображение на матовом стекле, вставленном в рамку, будет наиболее отчетливым. Глаз не может раздвигаться и сдвигаться, а потому задняя стенка глазного яблока не может приближаться или удаляться от хрусталика. Между тем, для разглядывания далеких и близких предметов фокусировка должна быть разная. В глазу это достигается изменением формы хрусталика. Он заключен в особую кольцевую мышцу. Когда мы разглядываем близкие предметы, то эта мышца сжимается и надавливает на хрусталик, который от этого выпячивается, становится более выпуклым, и поэтому фокус его делается короче. Когда взор переводится на далекие предметы, то мышца ослабляется, хрусталик растягивается, становится более плоским и длиннофокусным. Этот процесс, который происходит непроизвольно, называется аккомодацией .
Нормальный здоровый глаз устроен так, что благодаря аккомодации он может с полной резкостью видеть предметы, начиная с расстояния в 15-20 см и до сильно удаленных, какими можно считать Луну, звезды и другие небесные светила.
У некоторых людей глаз имеет неправильное строение. Задняя стенка глазного яблока, на которой должно получаться резкое изображение разглядываемого предмета, расположена от хрусталика либо ближе, чем следует, либо слишком далеко.
Если внутренняя поверхность глаза чересчур сдвинута вперед, то как бы хрусталик ни напрягался, изображение близких предметов получается за нею, и поэтому на светочувствительной поверхности глаза изображение выйдет неясным, размытым. Такой глаз видит близкие предметы размазанными, расплывчатыми, - недостаток зрения, называемый дальнозоркостью . Человеку, страдающему таким недостатком, трудно читать, писать, разбираться в мелких предметах, хотя вдаль он видит отлично. Для устранения затруднений, связанных с дальнозоркостью, приходится надевать очки с выпуклыми стеклами. Если к хрусталику и другим оптическим частям глаза добавить выпуклое стекло, то фокусное расстояние делается короче. От этого изображение рассматриваемых предметов приближается к хрусталику и попадает на сетчатую оболочку.
Если сетчатая оболочка расположена от хрусталика дальше, чем полагается, то изображения далеких предметов получаются перед ней, а не на ней. Глаз, страдающий таким недостатком, видит далекие предметы очень неясно и размыто. Против такого недостатка, называемого близорукостью , помогают очки с вогнутыми стеклами. При таких стеклах фокусное расстояние становится длиннее, и изображение далеких предметов, отодвигаясь от хрусталика, попадает на сетчатую оболочку.

Оптические приборы для наблюдения на далекие расстояния

Если предмет виден плохо из-за того, что его угловые размеры слишком малы, то его можно рассмотреть лучше, приблизившись к нему. Очень часто сделать это невозможно, тогда остается только одно: рассматривать предмет через такой оптический прибор, который показывает его в увеличенном виде. Прибор, позволяющий успешно наблюдать далекие предметы, изобрели давно, более трехсот лет назад. Это - зрительная труба, или телескоп.
Всякая зрительная труба в основном состоит из двух частей: из большого двояковыпуклого стекла (линзы) на переднем, обращенном к предмету конце (рис. 8), которое называется объективом , и второго, меньшего по размерам, двояковыпуклого стекла, к которому прикладывают глаз и которое называется окуляром . Если труба направлена на сильно удаленный предмет, например, на далекий фонарь, то лучи подходят к объективу параллельным пучком. При прохождении через объектив они преломляются, после чего сходятся конусом, и в точке их пересечения, называемой фокусом , получается изображение фонаря в виде светлой точки. Это изображение разглядывают через окуляр, действующий наподобие лупы, вследствие чего оно сильно увеличивается и кажется гораздо больше.
В современных телескопах объектив и окуляр составляют из нескольких стекол различной выпуклости, чем достигаются гораздо более четкие и резкие изображения. Кроме того, в трубе, устроенной так, как это показано на рис. 8, все предметы будут видны в перевернутом виде. Видеть людей, бегущих головой вниз по висящей вверху над небом земле, нам было бы непривычно и неудобно, а поэтому в трубы, предназначенные для наблюдений за земными предметами, вставляются особые дополнительные стекла, или призмы, которые поворачивают изображение в нормальное положение.

Прямое назначение зрительной трубы - показывать удаленный предмет в увеличенном виде. Телескоп увеличивает угловые размеры и этим как бы приближает предмет к наблюдателю. Если труба увеличивает в 10 раз, то это значит, что предмет на расстоянии в 10 км будет виден под таким же углом, под каким невооруженным глазом он виден с расстояния 1 км. Астрономы, которым приходится наблюдать очень удаленные объекты - Луну, планеты, звезды, применяют огромные телескопы, диаметр которых равен 1 м и более, а длина доходит до 10-20 м. Такой телескоп может дать увеличение более чем в 1000 раз. Для рассматривания земных предметов столь сильное увеличение в большинстве случаев совершенно бесполезно.
В армии основным прибором для наблюдения считается полевой бинокль . Бинокль - это два маленьких телескопа, скрепленных вместе (рис. 9). Он позволяет смотреть двумя глазами сразу, что, конечно, гораздо удобнее, чем наблюдение одним глазом при одиночной зрительной трубе. В каждой половинке бинокля, как и во всяком телескопе, есть переднее стекло - объектив - и задние стекла, составляющие окуляр. Между ними расположена коробка, заключающая призмы, посредством которых поворачивается изображение. Бинокль такого устройства называется призматическим .
Наиболее распространенный тип призматического бинокля - шестикратный, т. е. дающий увеличение в 6 раз. Применяются также бинокли с увеличением в 4, 8 и 10 раз.

Помимо биноклей, в военном деле в некоторых случаях применяются зрительные трубы с увеличением от 10 до 50 раз, а кроме того, перископы .
Перископ - это сравнительно длинная труба, которая предназначена для наблюдений из-за укрытия (рис. 10). Солдат, ведущий наблюдение перископом, сам остается в окопе, выставляя наружу лишь верхнюю часть прибора, несущую объектив. Это не только предохраняет наблюдателя от огня противника, но и облегчает маскировку, поскольку маленький кончик трубы замаскировать гораздо легче, чем всю фигуру человека. Длинные перископы применяются на подводных лодках. Когда нужно вести наблюдение скрытно от противника, лодка остается под водой, выставляя над поверхностью моря лишь едва заметный конец перископа.
У читателя может возникнуть вопрос, почему в военном деле применяются только приборы со сравнительно слабым увеличением, не превосходящим 15-20-кратное? Ведь не трудно сделать телескоп с увеличением в 100-200 раз и даже больше.
Есть ряд причин, затрудняющих в походе применение зрительных труб с большим увеличением. Во-первых, чем сильнее увеличение, тем меньше поле зрения прибора, т.е. тот участок панорамы, который в нем виден. Во-вторых, при сильном увеличении всякая тряска, дрожание трубы затрудняют наблюдение; поэтому телескоп с сильным увеличением нельзя держать в руках, а надо класть на специальную подставку, устроенную так, что трубу можно легко и плавно поворачивать в разные стороны. Но самым главным препятствием является атмосфера. Воздух у земной поверхности никогда не бывает спокоен: он колеблется, волнуется, дрожит. Сквозь этот движущийся воздух мы и смотрим на далекие части ландшафта. От этого изображения далеких предметов портятся: форма предметов искажается, неподвижный в действительности объект все время шевелится и меняет свои очертания, так что разобрать его детали нет никакой возможности. Чем больше увеличение, тем сильнее все эти помехи, тем заметнее искажения, вызванные колебаниями воздуха. Это приводит к тому, что применение чрезмерно сильно, увеличивающих приборов при наблюдении вдоль земной поверхности оказывается бесполезным.

Поверхность Земли изгибается и пропадает из поля видимости на расстоянии 5 километров. Но острота нашего зрения позволяет видеть далеко за горизонт. Если бы Земля была плоской, или если б вы стояли на верху горы и смотрели на гораздо больший участок планеты, чем обычно, вы смогли бы увидеть яркие огни на расстоянии сотен километров. В темную ночь вам удалось бы даже увидеть пламя свечи, находящейся в 48 километрах от вас.

Насколько далеко может видеть человеческий глаз зависит от того, сколько частиц света, или фотонов, испускает удаленный объект. Самым далеким объектом, видимым невооруженным глазом, является Туманность Андромеды, расположенная на громадном расстоянии в 2,6 миллионов световых лет от Земли. Один триллион звезд этой галактики испускает в общей сложности достаточно света для того, чтоб несколько тысяч фотонов каждую секунду сталкивались с каждым квадратным сантиметром земной поверхности. В темную ночь этого количества достаточно для активизации сетчатки глаза.

В 1941 году специалист по вопросам зрения Селиг Гехт со своими коллегами из Колумбийского университета сделал то, что до сих пор считается надежным средством измерения абсолютного порога зрения - минимального количества фотонов, которые должны попасть в сетчатку, чтобы вызвать осознание визуального восприятия. Эксперимент устанавливал порог в идеальных условиях: глазам участников давали время, чтобы полностью привыкнуть к абсолютной темноте, сине-зеленая вспышка света, действующая как раздражитель, имела длину волны 510 нанометров (к которой глаза наиболее чувствительны), и свет был направлен на периферический край сетчатки, заполненный распознающими свет клетками палочками.

По данным ученых, для того, чтоб участники эксперимента смогли распознать такую вспышку света более чем в половине случаев, в глазные яблоки должно было попасть от 54 до 148 фотонов. На основании измерений ретинальной абсорбции ученые подсчитали, что в среднем 10 фотонов в действительности впитываются палочками сетчатки человека. Таким образом, абсорбция 5-14 фотонов или, соответственно, активация 5-14 палочек указывает мозгу, что вы что-то видите.

«Это действительно очень малое количество химических реакций», - отметили Гехт и его коллеги в статье об этом эксперименте.

Принимая во внимание абсолютный порог, яркость пламени свечи и расчетное расстояние, на котором светящийся объект тускнеет, ученые пришли к выводу, что человек может различить слабое мерцание пламени свечи на расстоянии 48 километров.

Объекты величиной с человека различимы как протяженные на расстоянии лишь около 3 километров. В сравнении на таком расстоянии мы смогли бы четко различить две фары автомобиля.Но на каком расстоянии мы можем распознать, что объект представляет собой нечто большее, чем просто мерцание света? Чтобы объект казался пространственно протяженным, а не точечным, свет от него должен активировать не менее двух смежных колбочек сетчатки - клеток, отвечающих за цветное зрение. В идеальных условиях объект должен лежать под углом не менее 1 аркминута, или одна шестая градуса, чтобы возбудить смежные колбочки. Эта угловая мера остается одной и той же вне зависимости от того, близко или далеко находится объект (удаленный объект должен быть гораздо больше, чтобы находиться под тем же углом, что и ближний). Полная Луна лежит под углом 30 аркминут, тогда как Венера едва различима как протяженный объект под углом около 1 акрминуты.

Поверхность Земли в поле вашего зрения начинает искривляться примерно на расстоянии 5 км. Но острота человеческого зрения позволяет видеть гораздо дальше горизонта. Если бы не было искривления, вы смогли бы разглядеть пламя свечи в 50 км от вас.

Дальность видения зависит от количества фотонов, испускаемых удалённым объектом. 1 000 000 000 000 звёзд этой галактики коллективно излучают достаточно света для того, чтобы несколько тысяч фотонов достигало каждого кв. см Земли. Этого хватает чтобы возбудить сетчатку человеческого глаза.

Так как, находясь на Земле, проверить остроту человеческого зрения невозможно, учёные прибегли к математическим расчётам. Они выяснили, что для того, чтобы увидеть мерцающий свет, нужно, чтобы на сетчатку попало от 5 до 14 фотонов. Пламя свечи на расстоянии 50 км, учитывая рассеивание света, даёт это количество, и мозг распознаёт слабое свечение.

Как узнать кое-что личное о собеседнике по его внешнему виду