Введение. Статья относится к области физики, разделу волновой оптики, и конкретно,  спектру видимых электромагнитных волн солнечного света. В статье приводится графическая колориметрическая система основных цветов (в дальнейшем ГКС), которая была использована в патенте на изобретение «Устройство для колориметрии» автора Г.А. Анкудо BY 11778 C1 2009.04.30 [1](C.109),

Достоинство ГКС в том, что она связывает все естественные цвета солнечного спектра с их цветовыми параметрами: длиной волны, яркостью, насыщенностью и, вновь введенным параметром,  процентным содержанием основных цветов в составных. Зная один из них можно, определить  все остальные. Параметры связаны не только геометрическим построением, но и математическим расчетом, на основе которого сформулирован  угловой закон разложения света в спектр после преломления в среде.

 В системе используются все цвета солнечного спектра и соответствующие им длины волн всего видимого диапазона электромагнитных волн солнечного света. Отпадает необходимость определять точные границы между цветами. Появляется возможность уточнить параметры длин волн, значения которых имеют разные величины в различных справочниках. Система позволит точнее и легче управлять цветом, открывает новые возможности для изучения физических свойств цвета. В области цветоведения ГКС является новым цветовым кругом, в котором впервые цвета связаны с их физическими параметрами, а также впервые определено место белого и черного цветов относительно хроматических цветов спектра.

Теоретическая модель. ГКС  поясняется чертежом Рис.1.  В основу предлагаемой системы положено свойство трех цветов красного, желтого и синего быть 100% чистыми цветами. Они в данной системе являются основными. Каждый из них свободен от примеси  двух других.  Все остальные цвета  смешанные, так как состоят каждый из двух основных. Установлен следующий порядок в расположении цветов. В углах основного равностороннего треугольника АВС по его биссектрисам расположены основные цвета: OA —

                   

                                                                  Рис. 1

красный, без примеси желтого и синего, OB — желтый, без примеси красного и синего и OС — синий без примеси красного и желтого. Таким образом, в угловой развертке спектра они находятся друг от друга на наибольшем расстоянии 120º, что обеспечивает их взаимонезависимость. В углах вспомогательного треугольника DEF, который равен основному треугольнику ABC, имеет с ним общий центр O, и противоположно направленные вершины, по его биссектрисам расположены смешанные цвета: OD — оранжевый, OE — зеленый и OF – фиолетовый. В углублениях между лучами звезды по ее осям расположены  смешанные цвета: Og — пурпурный, Oh — оранжево-красный, Ok — желто-оранжевый, Ol — желто-зеленый, Om — голубой, On — фиолетово-синий. Остальные цвета, которые также являются смешанными, плавно переходят один в другой и расположены равномерно по всей площади образовавшейся шестилучевой звезды на ее осях.

Известные справочные значения длин волн [2](C.1011) соответственно их цветам, в удобном масштабе отложены от центра O шестилучевой звезды по ее осям. Полученные точки соединены плавной кривой, которая является геометрическим местом точек, обозначающих длины электромагнитных волн, соответствующие всем цветам спектра видимого диапазона, иначе называемой локусом. Таким образом, мы имеем кривую, выражающую угловую зависимость  длин электромагнитных волн видимой части солнечного излучения.

Как известно лучше всего глаз человека воспринимает желто-зеленую часть спектра, а именно 556 нм [3](С. 106)(С. 94). Естественно предположить, что этот цвет самый яркий в спектре, следовательно, в угловой развертке спектра противоположный ему цвет,  является самым темным. Эта самая темная часть спектра расположена как с одной, так и с другой стороны его, то есть, как со стороны длинных, так и со стороны коротких волн, где кончается видимая часть спектра. Если рассматривать спектр в затемненном пространстве, то за областью фиолетового цвета можно видеть именно черный цвет, так же, как и за областью красного цвета.  Линия, проведенная через точку 556 нм и центр системы O, является основной осью системы и обозначена PR. Она разделяет спектр на две половины  длинноволновую и коротковолновую.

Если провести на графике через точку локуса 556 нм линию, перпендикулярную оси PR, то понятно, что все длины волн, расположенные на локусе, ниже нее, будут соответствовать цветам с меньшей яркостью и тем меньшей, чем дальше от нее находятся, приближаясь к черному цвету.Если из обозначенных точек локуса, опустить перпендикуляры на ось PR,  то их основания расположатся в порядке уменьшения яркости, соответствующих  цветов, от максимальной в точке R, до минимальной  в точке P или P1. Поэтому ось PR может служить шкалой яркостей. Шкала длинных волн имеет длину 556 нм + 780 нм = 1336 нм, а шкала коротких волн 556 нм + 450 нм = 1006 нм (по построению). В масштабе: 1 деление равно 10 нм, т. е. в делениях шкала длинных волн имеет длину 55,6 + 78,0 = 133,6 делений, а шкала коротких волн (RP1) 55,6 + 45,0 = 100,6 делений. Чтобы перейти к единицам яркости максимальную яркость в точке R нужно разделить на максимальное число делений той или другой шкалы.

Не решенным остается вопрос, должны ли длинноволновая и коротковолновая  части спектра иметь разные шкалы? Если судить по суммарной длине волн, то длина коротковолновой части меньше, чем длинноволновой. Угловой размер их в графике системы одинаков – по 180 градусов. Проекции длин волн с локуса на ось яркостей оканчиваются для коротких волн приблизительно на 450 нм, а для длинных волн приблизительно на 780 нм, т. е. соответствуют предельным значениям коротких и длинных волн видимого света (точных данных  в литературе нет). Однако в радуге цвет неба за фиолетовым цветом светлее, чем цвет неба за красным цветом. Поэтому необходимы экспериментальные исследования в данном вопросе.  Примем пока, что длинноволновая и коротковолновая части спектра, каждая, должны иметь свою шкалу яркостей, так как они имеют разную длину в угловой развертке спектра.

Стороны основного треугольника ABC разделены на 100 частей, и являются шкалами, определяющими процентное содержание основных цветов (красного, желтого и синего) в составных (всех остальных). Это новый параметр, который дает цвету количественную характеристику. Данные шкалы названы шкалами «насыщенности», поскольку они позволяют определять также параметр насыщенность. Рассмотрим Рис.1, желательно в компьютере. В углах основного треугольника, непосредственно прилегающие к биссектрисам, цвета, визуально, имеют наибольшую цветность. Наименьшей цветностью обладают цвета: оранжевый, зеленый и фиолетовый, расположенные на осях, соответственно, OD, OE, OF, следовательно, они обладают и наименьшей насыщенностью, поскольку, как известно, «цветность является качественной характеристикой цвета и представляет собой совокупность цветового тона и насыщенности» [4] (C.136).

Насыщенность и процентное содержание основных цветов в составных измеряются в процентах, но имеют разные значения. Так цвет, расположенный на оси OA,  процентный состав которого 100% красного, имеет и насыщенность, равную 100%; цвет, расположенный на оси Ok, состоящий из 69% желтого и 31% красного, имеет насыщенность 69%, то есть процент того цвета, которого в нем больше, в данном случае — желтого. Такое представление насыщенности вполне, обосновано, так как именно больший процент содержащегося в нем цвета больше отличает цвет от белого цвета. Известно, что насыщенность цвета, «есть степень его свободы от примеси белого цвета» [4](С. 135).

Таким образом, в ГКС имеются шкалы, по которым можно определить  все цветовые параметры: цветовой тон, длину волны, яркость, насыщенность. При этом, имея лишь один параметр, можно определить все остальные.

  Длина волны измеряется в нанометрах и составляет миллионные доли миллиметра. Например, для наглядности, длина волны красного цвета 640 нм составляет 640 миллионных долей миллиметра. Выделить одну длину волны не реально, но  ГКС  позволяет производить расчет параметров для любого спектрального цвета, соответствующего любому выбранному  значению длины волны.

 

Расчет.

                                                                                                                                                                                                                                                         

             Поскольку параметры связаны геометрическим построением на плоскости, рассчитывать их можно по формуле:

                                 cosa = L / l                                                         (1)

где:

     a – центральный угол между прямой PR и прямой, соединяющей центр Oc локусом, измеряемый в градусах,

     l – длина волны, равная расстоянию от центра O до локуса в нм,

     L – прилежащий катет треугольника с углом a, образованного проекцией длины волны на шкалу яркостей. Основание проекции обозначает яркость цвета соответствующей  длины волны, так как яркость зависит от  расстояния, на которое данная длина волны  отстоит  от самого яркого места спектра (556 нм – точка R).

L измеряется  в соответствии с размерностью гипотенузы.

Точка  R обозначает  максимальную, а точка Р минимальную яркость, на шкале яркостей PR. Одновременно прямая PR, как было объяснено выше, по построению является суммой отрезков, обозначающих длины волн 556 нм  и 780 нм и равна 1336 нм, или для коротких волн 556 нм и 450 нм и равна 100,6 нм.   

Так как, по построению,   одно деление равно 10 нм,  то максимальная яркость

для длинных волнYmax   = 133. 6 делений, для коротких волн Ymax = 100,6 делений.

Отрезок OR = 55,6 делений, отрезок OP = 78 делений, отрезок OP1 = 45 делений.

За максимальную яркость Ymax принимается яркость в самой светлой точке спектра R, где длина волны равна 556 нм.

 Чтобы перейти к единицам яркости, нужно максимальную яркость в точке R  Ymax разделить на число делений 133.6 – получим значение одного деления в единицах яркости, например, в кд/м².

      1 деление (по шкале яркостей) =  Ymax кд/м² / 133,6 (для длинных волн).                    (2)

      1 деление (по шкале яркостей) =  Ymax кд/м² / 100,6 (для коротких волн).                    (3)

Яркость изменяется в соответствии с изменением длин волн, значения которых расположены на локусе. Локус представляет собой закон изменения длин волн в угловой развертке спектра. Поскольку все значения длин волн с локуса спроецированы, или могут быть спроецированы, на прямую PR, и соответствуют величине L, входящей в формулу (1) и являющейся прилежащим катетом, то яркость изменяется в соответствии с  изменением величины этого катета. Так как построение системы было проведено в делениях, то расчет производится также в делениях.

Для длинных волн имеем

                                               Y = 78 ±L (делений),

Для коротких волн имеем           

                         Y = 45 ±L (делений).                                                                                     Из формулы (1) L = cosa ∙ l, откуда:

                                               Y = 78  ±  cosa ∙ l(делений),                                 

                                                           Y = 45  ±  cosa ∙ l(делений).  

 Так как, отрезок OP в делениях равен 78, и отрезок OP1 равен 45, а максимальная яркость Yмах для них одинакова, то выражением Ymах– 55,6 (делений), которое для длинных волн равно 78, а для коротких волн 45, можно два предыдущих уравнения объединить в одну универсальную формулу

                                        Y = Ymах– 55, 6 ±  cosa ∙ l(делений).                                  (4)

Таким образом, формула (4) является универсальной для расчета цветовых характеристик в любой четверти окружности, оси которой PR и HM. Она представляет собой  угловой закон разложения света в спектр после преломления в среде.

Насыщенность любого цвета находится из пропорции:

                                                      120°   –  100 %                                                          (5)

                                                         b°   –     Х %,

где 120° — центральные углы между вершинами в треугольнике ABC,

 b° – центральные углы в треугольниках AOB, BOC, AOC, между осью, на которой расположен определяемый цвет, и ближайшей к ней стороной.

                                          Х % = 100%  ∙ b° / 120° = (0,83∙b) %

                                                        Х % = 0,83b%                                                          (6)

Х%  – насыщенность, как процент содержания в определяемом цвете близлежащего 100%-ого цвета.

                                                         Х% = 100 %  — Х %.                                                 (7)

Пример 1. Расчет яркости. Определим параметры выбранного нами, желто-оранжевого цвета, расположенного на оси Ok, угол a которой равен 45°.

Известно, что  cos 45°= 0,7071, Ymах– 55, 6 (делений) = 78 (для длинных волн), длину волны определим по пересечению оси угла 45° с локусом  l = 585 нм или 58,5 (делений).

 По формуле (4) определим яркость выбранного цвета в делениях:

 Y = Yмах– 55, 6 ±  cosa ∙ l(делений) = 78 + 0, 7071∙58, 5 = 119.365 (делений).

Примем значение яркости  Ymах = 50 кд/м²

                Значение одного деления в единицах яркости найдем по формуле (2).

1 деление (по шкале яркостей) =  Ymax кд/м² / 133,6  = 50 кд/м²/ 133,6 = 0,374 кд/м², следовательно,яркость желто-оранжевого цвета в солнечном спектре при максимальной яркости в т. 556 нм равной 50 кд/м²  можно вычислить, умножив значение яркости одного деления на число делений, обозначающих величину яркости выбранного цвета:

Y = 119,365 ∙0,374 кд/м²= 44,642кд/м².

Пример 2. Расчет длины волны по известной величине яркости цвета. Например,

Y = 1 кд/м², найти длину волны цвета, расположенного в длинноволновой части спектра.

Примем  значение яркости  Ymах = 50 кд/м², как  в предыдущем примере. Значение одного деления будет также равно 1 деление = 0,374 кд/м².  Найдем значение яркости в точке O шкалы яркостей.

          YO  = 55,6 (делений)  ∙0,374 кд/м² = 20,79 кд/м².

 Так как заданное значение яркости Y = 1 кд/м² меньше этого значения, следовательно, расположено в нижней четверти длинноволновой части спектра, поэтому выражение ±cosa ∙ l(делений) имеет знак минус. Формула (4) примет вид:

                   cosa ∙ l(делений) = 78 – Y(делений).

Из формулы (1) L = cosa ∙ l(делений) = 78 — Y(делений)  или в нанометрах:

 Заданная яркость Y(делений) равна  1 кд/м² / 0,374 кд/м² = 2,67(делений)

                    cosa ∙ l(делений) = 78 – 2,67 = 75,33 (делений) , откуда в нанометрах

                                                   l нм = 753,3 нм / cosa.     

  Отложив от точки O шкалы яркостей  753,3 нм вниз по оси PR, и возведя перпендикуляр из полученной точки до пересечения с локусом, соединим полученную точку на локусе с точкой O, измерим полученный угол  a..

В данном случае он равен приблизительно 7,5°. Найдем значение cos 7,5° = 0,99, тогда искомое значение длины волны  l нм = 753,3 нм /0,99 = 760,9 нм.

Пример 3. Определим насыщенность желто-оранжевого цвета (из примера 1), длина волны которого 585 нм, а угол b°, равный 30°, обозначен на рис.1.

Из формулы (6) имеем  Х % = 0,83∙30% = 24,9%

Из формулы (7) имеем: Х %= 100 % — 24, 9% = 75,1%, следовательно, насыщенность желто-оранжевого цвета, расположенного на оси Ok  составляет 75,1%.

Эксперименты, наблюдения, использование предыдущего опыта известных физиков и исследователей цвета. Чтобы убедиться в том, что в спектре  имеет место белый цвет,  был проведен опыт. Для опыта  использована призма равнобедренная прямоугольная с длиной ребра 55 мм. Щель для входного луча шириной 8 мм, длиной также 55 мм, расположена параллельно преломляющемуребру. Изображения получились в виде отрезка радуги.

Фотографии были сделаны на разных расстояниях от призмы. Фото 1 – фотография спектра на экране, расположенном вблизи призмы, фото 2 – на экране, расположенном на расстоянии 20 см от призмы, фото 3 – экран на расстоянии 1 м от призмы, фото 4 — экран на расстоянии 6 м от призмы.

           

Фото 1. Спектр у выхода из призмы.

Фото 2. Спектр на расстоянии 20 см от призмы.

Фото 3. Спектр на расстоянии 1 м от призмы

Фото 4. Спектр на расстоянии 6 м от призмы.

Фото 1 демонстрирует, что действительно в самой яркой области спектра присутствует белый цвет, причем ширина области белого цвета здесь наибольшая, заметно влияние белого света не только на цвета спектра, но и на все окружающее пространство. Длинноволновая часть спектра визуально состоит всего из двух цветов – желтого и красного, нет плавности перехода между цветами, изображение выглядят в виде цветовых порогов. Коротковолновая часть спектра визуально состоит также из двух цветов голубого и синего в виде цветовых порогов. Можно сделать вывод, что сразу после выхода из призмы, где яркость луча наибольшая, цвета, имеющие меньшую насыщенность, оранжевый,  зеленый и фиолетовый, входят в область белого цвета,  то есть имеют белый цвет,  а  насыщенные цвета – желтый, красный, голубой и синий расположены на краях спектра, где яркость меньше.

На фото 2 область белого цвета меньше, меньше и его влияние на окружающее пространство, цветовые пороги длинноволновой и коротковолновой частей спектра несколько шире, чем на фото 1.

На фото 3 области белого цвета уже нет, но зеленый цвет пока отсутствует, цветовые пороги шире, переход от цвета к цвету происходит плавно.

На фото 4 (фото повернуто на 90), область белого цвета отсутствует, появился зеленый цвет.

Был проведен опыт, доказывающий влияние яркости солнца на цвета спектра.

Фото5a. Сделано  23.10. 2010  в 12:52

Фото5b. Сделано 23.10. в 12:52.  за легким облаком.

Рассмотрим представленные фотографии (Фото 5a, Фото 5b), выполненные на одном экране, в одно и то же время дня, отличающиеся тем, что Фото 5b выполнено, когда небольшое облако уменьшило яркость лучей Солнца. Это привело к уменьшению яркостей всех цветов, перемещению цветов к центру спектра и уменьшению длины спектра. Образовался зеленый цвет. На месте области белого цвета, в нижней части желтой полосы появился оранжевый цвет. Все это говорит о произошедших изменениях в спектре при уменьшении облаком яркости Солнца. Если брать конкретное место, например, нижнюю часть желтой полосы, то очевидно изменение цвета желтого на оранжевый   в данном конкретном месте экрана. Перемещение всех цветов как длинноволновой, так и коротковолновой частей спектра, к центру спектра, говорит о перемещении их в противоположном направлении. С уходом облака яркость солнца увеличилась, спектр стал прежним, то есть длинноволновая и коротковолновая части разошлись в противоположные стороны.  Таким образом, цвета  коротковолновой и длинноволновой частей спектра, с изменением яркости перемещаются в противоположных направлениях по отношению к самой яркой области белого цвета.

 О том,  как изменяется спектр при увеличении мощности излучения, можно судить по описанным в литературе С.И. Вавиловым опытам по изучению видимости спектра в областях предельно коротких и предельно длинных волн. Он пишет: «…при сравнительно мощном излучении удается видеть ультрафиолетовые лучи в интервале приблизительно от 400 до 300 нм и инфракрасные – от 750 до 950 нм… » [3] (С. 94). Это говорит о том, что появление большой яркости приводит к расширению спектра электромагнитных волн солнечного света, то есть к включению в видимую часть спектра больших  длин волн с одной стороны и меньших длин волн с другой стороны. Это еще одно подтверждение того, что  с изменением яркости длинноволновая и коротковолновая части спектра изменяются  в противоположных направлениях по отношению к основной оси системы PR.

Фотографии (6, 7) иллюстрируют опыт по исследованию многоцветного луча, выходящего из призмы.

             

   Фото 6.

 Фото 7.

На  фото 6 представлен след выходящего луча на экране, расположенном вдоль луча. Размер входной щели равен 4 мм. Длина преломляющего ребра призмы 55 мм.Рассматривая преломленный многоцветный луч, выходящий из призмы, можно заметить, что  ближе к призме он состоит из области белого цвета, обрамленной с одной стороны красным, с другой стороны синим цветом, которые распространяются вдоль луча под  небольшим углом друг к другу, образованным за счет углов преломления красного и синего цветов (фото 6).  Это говорит о том, что выходящий из призмы луч является расходящимся, следовательно, угасающим. В расходящемся луче плотность светового потока постепенно уменьшается, следовательно, уменьшается сила света и яркость. Известно, что«яркость – характеристика удельной интенсивности, измеряется силой света, излучаемой единицей поверхности. Сила света измеряется плотностью светового потока, излучаемого в малом телесном угле к величине этого угла. Сила света измеряется в канделах. Единицей яркости является кандела на квадратный метр» [4] (С.134-136).Благодаря различным углам преломления, различные длины волн отстоят на разных расстояниях от самого яркого места преломленного луча (556 нм),  поэтому имеют разные яркости и окрашены в цвета, соответствующие их яркостям.То есть светлые цвета ближе к центру, а темные ближе к краям.

Цвета спектра, примыкающие к области белого цвета, постепенно теряют свою яркость и,  с удалением  от призмы у краев белой области появляются новые цвета, рядом с красным – желтый, а рядом с синим – голубой, а за синим — фиолетовый. Область белого цвета при этом уменьшается. Затем появляется цвет оранжевый, и наконец, появляется цвет зеленый, область белого цвета исчезает.

 Уместно вспомнить, что при нагревании черного тела, возникают цвета в соответствии с увеличением цветовой температуры. Возможно, в случае с угасанием многоцветного луча происходит обратный процесс: угасание «раскаленного тела», имеющего белый цвет,  который сопровождается появлением цветов. Слова «раскаленное тело» взято в кавычки, потому, что в данном случае мы имеем дело не непосредственно с раскаленным телом, а только с лучом солнечного света, который, тем не менее, имеет свою температуру, свою энергию, свою яркость.

            Все это говорит о том, что область белого цвета состоит из упорядоченных преломлением в призме электромагнитных  лучей солнечного света, расположенных в соответствии со своим углом преломления и, следовательно,  длиной волны.

Неверно утверждение, что белый цвет возникает благодаря сложению длин волн разных цветов. Для этого они должны были соединиться. Но все лучи вышедшие из призмы следуют по прямой. Нельзя утверждать также, что область белого цвета состоит из лучей света не успевших еще диспергировать, то есть преломиться, значит, процесс дисперсии выходит за   рамки призмы. Не преломившиеся лучи имели бы другое направление, но этого не происходит. Все лучи следуют в одном направлении с углами преломления, находясь в расходящемся выходном луче. Белый цвет их обусловлен большой плотностью  и, следовательно, яркостью. Наибольшей яркостью обладает область в месте расположения длины волны 556 нм. Чем дальше от нее расположены длины волн, тем темнее их цвет, тем раньше они приобретают свой цвет. Первыми приобретают свой  цвет краевые части  луча  красный и синий, так как они находятся на наибольшем расстоянии от центральной части, там, где яркость наименьшая. Кроме того, это наиболее насыщенные цвета, поэтому они мало подвержены влиянию яркости. При достаточно сильном увеличении можно заметить, что они появляются еще в призме. (Интересно, что цвет тех же краев во входном луче противоположен, то есть синий край имеет цвет красный, а красный край — цвет  синий. Они также проходят немного внутрь призмы. Однако центральная часть луча внутри призмы остается белой. Фото 7). Если прикрыть часть выходного луча  по поверхности призмы параллельно входной  щели (фото 8), то вопреки ожиданию, что часть цветов будет  закрыта, этого не произойдет. Будем иметь более узкий луч, краевые лучи которого у самой призмы будут по-прежнему — красный и синий, а область белого цвета несколько уже. Это говорит о том, что часть луча, находящаяся в призме, в любом месте, обладает свойством упорядоченного преломления световых  волн, в зависимости от их длины. Закрывая часть луча, находящегося в призме, мы фактически создаем новый выходящий из призмы луч, который  ‘уже первоначального, но имеет те же краевые части красную исинюю.

    

Фото 8

Фото 9

Если преграду выходящему лучу отодвинуть от призмы, то часть цветов  будет закрыта (фото 9). Это еще раз подтверждает то, что многоцветный луч, выходящий из призмы, состоит из отдельных лучей, которые в белой области имеют белый цвет, а в дальнейшем приобретают цвет, соответствующий своей длине волны. На этом же фото видно, что след от выходящего луча, скользящего по экрану, параллельному лучу, много менее яркий, чем изображения спектра на перпендикулярных к лучу экранах. Это потому, что скользящий луч является краевым и теряет часть яркости, предположительно, из-за соприкосновения с экраном, лишенным источников световой энергии. Кроме того можно сделать вывод, что любые краевые части любых лучей имеют меньшую яркость. Это видно, например, на всех фотографиях спектра  (фото 1, 2, 3, 4, 5a, 5b). Поперечные края спектров (фото 1, 2) в области белого цвета имеют цвет зеленый и оранжевый, а поперечные края спектров (фото 3, 4, 5a, 5b) имеют цвета заметно более темные, по сравнению с остальными цветами спектра.  Когда длина щели была уменьшена приблизительно на треть, изображение спектра приобрело вид почти круга с белым цветом внутри него (фото 10).

                                       

 Фото 10

Такой ж вид имеет спектр, полученный через круглое небольшое отверстие.  Поэтому в треугольнике Максвелла белый цвет расположен в средней части треугольника, также как и в цветовом графике системы XYZ. [4] (Рис. V. 7, рис. V.10 С. 64-65).

Итак, из рассмотрения  многоцветного луча, выходящего из призмы, становится понятным, что, чем дальше отнести экран от призмы, тем больше размер изображенного спектра. Многоцветный преломленный луч является расходящимся,  плотность его, как светового потока, постепенно уменьшается, яркость, составляющих его цветов также уменьшается, и в конечном итоге, сливается с черным цветом или с цветом окружающего пространства, то есть гаснет. Но угасание многоцветного луча, выходящего из призмы, происходит не только вдоль луча, но и поперек его, то есть в самом спектре (фото 4, 5). Цвета спектра, примыкающие к области белого цвета, постепенно теряют свою яркость и, переходят в область черного цвета, которая есть, как со стороны длинноволновой, так  и со стороны коротковолновой частей спектра.

                  

С одной стороны – это длинноволновый путь (цвета: желтый, оранжевый, красный и пурпурный), с другой стороны – коротковолновый путь (цвета: зеленый, голубой, синий и фиолетовый).Если цветные фотографии спектра представить в черно-белом (полутоновом) изображении (фото 5a с областью белого цвета), (фото 5b с зеленым цветом), то получим фотографическое представление яркости (фото 11, 12). Хорошо видно, что именно  центральная часть спектра самая   яркая, а цвета, длинноволновой и коротковолновой частей спектра постепенно теряя яркость, переходят в  черный цвет. Можно сделать вывод что там, где имеет место преломление лучей, переход от белого к черному цвету, иначе угасание света, происходит по двум цветным путям длинноволновому и коротковолновому.

Французский ученый философ, физик, математик и физиолог Декарт,   пытался обнаружить цветовую  связь между черным и белым цветами, но  искал ее в различных пропорциях смешения белого и черного. Это не так уж далеко от истины, если понять, что пропорция смешения черного и белого – это и есть яркость. Предположение Декарта  о том, что дисперсия есть цветной переход между белым и черным подтвердилось. Только происходит он по двум путям: длинноволновому и коротковолновому.

Выше было доказано, что выходящие из призмы, преломленные электромагнитные волны не сразу обретают свой цвет. Вначале они белые, все, кроме двух краевых, красного и синего, которые имеют наибольшую насыщенность, поэтому менее других подвержены изменению цветов от яркости.

 Это подтверждается опытом с освещением окрашенных поверхностей солнечным лучом, прошедшим через собирающую линзу. При этом, цвет освещаемой поверхности,

              

Фото 13

приходит к белому цвету через соответствующие цвета спектра, например, красный – через оранжевый и желтый, синий – через голубой, черный – через все цвета спектра, белый не имеет заметного цветового перехода (Фото 13).

Насыщенность в спектре электромагнитных волн солнечного света и в ГКС также неразрывно связана с цветом, так как является характеристикой его процентного содержания. Из опыта предшествующего опыта развития науки о цвете, особенно опыта работы создателей цветного телевидения, были взяты многие результаты  и сделаны логические выводы. Например, при составлении цветовых смесей было найдено, что, «если увеличить (или уменьшить) интенсивность первичных цветов в одинаковое число раз, то цветовой тон смеси останется неизменным, изменится, лишь ее яркость» [4] (с. 139)(цв. рис.V.6) В этом случае имеют дело с первичными, то есть насыщенными цветами,  поэтому цвет сохраняется. Насыщенные цвета меньше подвержены изменению яркости. «Любое изменение относительных интенсивностей смешиваемых цветов неизбежно приводит к изменению результирующей смеси». То есть,  изменение интенсивности, следовательно,  яркости, приводит к изменению цвета. Это еще одно подтверждение того, что от изменения яркости цвета, особенно, малонасыщенные, изменяются.

Можно сделать вывод, что  параметры цвета: яркость, цвет, насыщенность и  длина волны, взаимосвязаны, что видно также из графика системы.

Глаза человека, благодаря способности зрачков сужаться, и тем самым уменьшать яркость проецируемого на сетчатку изображения, не могут отразить всей картины изменения цветов при изменении яркости источника света. Поэтому  трудно увидеть, что не только длины волн неразрывно связаны с цветом, но также неразрывно с ним связана и яркость. При фотографировании окружающего мира роль зрачков в фотоаппарате играет выдержка. Если фотоаппарат установить между затененной и освещенной частями фотографируемой поверхности, выдержка будет усредненной. Тогда можно заметить на сколько один и тот же цвет изменяется на свету и в тени. Например, зеленый цвет на свету

содержит больший процент желтого, а в тени больший процент синего. Оранжевый цвет на свету, в тени становится красным, а светло-оранжевый в тени оказывается желтым на свету (фото 14, фото 15).

     

  Фото  14

  Фото 15

Глаза защищают себя не только от яркости, но и от цвета, вырабатывая противодействие в виде противоположного цвета. Это явление называется цветовой индукцией. Цветоведение трактует это как «взаимное влияние цветов» или «изменение характеристик цвета под влиянием наблюдения других цветов» [8] (С. 174-181). Восприятие цвета человеком зависит от многих причин. Например, от «цветового утомления», «хроматической адаптации», «углового размера пятна», различают периферийное и центральное зрение, от физиологических особенностей человека и «психических факторов». «Иными словами, любое воздействие, оказываемое на человека, так или иначе,  оказывает влияние на его цветоощущение…». Поэтому в изучении физики цвета необходимо абстрагирование от физиологических аспектов такого явления как цвет.

Заключение. Благодаря опытам, описанным в статье, было дано  существенное, ранее не известное заключение о том, что длинноволновая и коротковолновая части спектра реагируют на изменение интенсивности света противоположным образом. Предстоит много работы по исследованию влияния интенсивности света на цветовые параметры: яркость, длину волны, насыщенность и цветовой тон, поскольку свет  не предсказуем и часто, казалось бы очевидные выводы, оказываются неверными. Например, если работать с узкими пучками лучей, входящими в призму, невозможно отделить длинноволновую часть спектра от коротковолновой и получить картину спектра, когда белый цвет расположен в самой светлой области спектра.

Существенным достижением является представленный в ГКС угловой закон разложения света в спектр после преломления в среде, выраженный геометрически в виде локуса и в виде математической формулыY = Ymах– 55,6 ±  cos a  ∙ l , которая связывает  цветовые параметры яркость, цветовой тон и длину волны между собой.

Был представлен новый взгляд на результат дисперсии, как на процесс затухания, выходящего из призмы луча, причем спектр есть цветной переход от белого к черному.

Новая система может оказаться полезной в цветном телевидении, компьютерной технике, физике цвета, дизайне, художественном образовании, как цветовой круг. Поскольку цвет в ГКС становится более управляемым, возможно, что в дальнейшем можно будет достичь получения более естественных цветов в репродукциях с картин художников.

 Можно сделать вывод, что предложенная система, во-первых, содержит удачную систематизацию цветов солнечного спектра и их параметров, позволяющую дать им количественную характеристику с помощью математического расчета;

во-вторых, вносит новый определенный порядок в расположение цветов, на основании которого можно привести к единству разрозненные в настоящее время табличные данные цветов и соответствующих им длин волн; предложенный порядок может способствовать достижению единства цветовой гаммы различных телевизоров, а также способствовать передаче более естественных цветов в репродукциях с картин художников;

в-третьих, позволяет обнаружить новое свойство спектра, а именно то, что он состоит из двух частей длинноволновой и коротковолновой, которые противоположным образом реагируют на изменение интенсивности источника спектра, а также новое свойство малонасыщенных цветов переходить в белый цвет с увеличением интенсивности источника спектра;

в-четвертых, позволяет сформулировать угловой закон разложения света в спектр после преломления в среде:  Y = Ymах– 55,6 ±  cosa ∙ l , который связывает  цветовые параметры яркость, цветовой тон и длину волны между собой;

в-пятых, выясняется, что белый и черный цвета имеют свое место непосредственно в спектре, и могут там появляться при увеличении или уменьшении интенсивности источника спектра.

Кроме того, ГКС может использоваться в качестве цветового круга для художников, которым удобно пользоваться при определении дополнительных цветов, теплых и холодных цветов, насыщенности цветов и процентного содержания основных цветов в составных, позволяет дать рекомендации по чистоте смесей.

Разработка системы, проведенные опыты, изучение предыдущего опыта известных физиков и исследователей цветапривели к появлению новых идей о цвете, нового взгляда на результат дисперсии, раскрытию  некоторых свойств цветов по отношению к увеличению яркости, разрешению давнишнего противоречия между  Декартом и Ньютоном о цветном переходе от белого к черному. Несмотря на то, что изучение цвета началось более трехсот лет тому назад, когда И. Ньютон впервые изучил явление дисперсии света,

физика происхождения цвета остается невыясненной. Существующее фундаментальное утверждение Ньютона – «Вид цвета и степень преломляемости, свойственные каждому отдельному сорту лучей, не изменяется ни преломлением, ни отражением от естественных тел, ни какой-либо иной причиной, которую я мог наблюдать», «не выполняется» в ряде явлений [5](С.95). Например, разработчики цветных телевизоров на практике убеждаются в том, что «субъективно цветовой тон слегка изменяется при изменении яркости и насыщенности» [4](С.136). Специалисты по работе с колориметрическими системами считают, что «в моделях RGB и CMYK яркость и цвет связаны, то есть при изменении одного параметра изменяется и другой» [6](С.184). «С физической точки зрения, свойства и характерные особенности цвета, попадающего в глаз, могут быть определены и выражены в величинах, не имеющих прямого отношения к глазу, т. е. физик определяет качество цвета, не прибегая к помощи наблюдателя, … строгая теория цветового зрения до сих пор не создана» [7] (С. 9, 10).   Возможно опыты и приведенные в статье выводы, внесут свой вклад в дальнейшее познание цвета.

Список литературы.

[1] Официальный бюллетень №2, Устройство для колориметрии, «НЦИС-Минск», 2009,  С.109.

[2]  Советский энциклопедический словарь. М. «Советская энциклопедия»,1985, С.1011.

[3] С.И. Вавилов. Глаз и солнце. М., «Наука», 1982, С. 94,106.

[4] В.В.Пясецкий. Цветное телевидение в вопросах и ответах, Минск, «Полымя»,1986, С.135, 136.

[5] П.С.Кудрявцев. Исаак Ньютон. М., Учпедгиз, 1955, С. 95.

[6] А.М.Тайц, А.А.Тайц. Самоучитель AdobePhotoshop 5.5. «БХВ-Санкт-Петербург», 1999, С.184.

[7] Л.В. Кухарчик, В.И. Попечиц, Д.И. Сагайдак, Г.И. Тимофеева. Цвет в ЖК-дисплеях, модели цвета, цветовосприятие, М., БГУ, 2003, С. 9, 10.

[8] Л.Н.Миронова. Цветоведение. Минск, «Вышейшая школа»,1984, с. 174-181.

Автор: Г.А. Анкудо

 УДК 535.6; 535.611.7; 535.611.8; 535.613                                                                                

Vel. +375291255521, E-mail: aga338@mail.ru