XXVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Забава милой старины

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Лещев С.К. 1

---

1АНОО Ломоносовская школа Зелёный мыс

Попова Е.Г. 1

---

1АНОО Ломоносовская школа Зелёный мыс

Работа в формате PDF

1.5 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

« Забава милой старины,

Игрушка бабушек жеманных,

Ты им являл когда-то сны

Видений призрачных и странных.

О, трубочка с простым стеклом,

Любимица княгинь и графов,

Что мы теперь в тебе найдем,

В годину синематографов?¹»

Человеческий глаз сам по себе не может увидеть все. Если смотреть без всяких устройств, то есть «невооруженным взглядом», мы не заметим мелкие детали, не увидим далекие звезды и не заглянем внутрь вещей и организмов. Вооружение для глаза – это различные приборы, которые помогают глазам, дают нам «суперзрение», с которым открываются новые миры, как будто мы видим что-то совсем волшебное, «сны видений призрачных и странных».

Выражение «вооруженный взгляд» появилось в 19 веке, когда произошел «оптический» бум, и оптические приборы стали частью повседневной жизни.

П осле того, как я побывал в музее кино в г. Жирона в Испании прошлым летом, где представлены не только старинные оптические приборы, но и старинные оптические игрушки, мне захотелось поглубже изучить именно оптические игрушки.

На фото автор проекта в музее кино MuseudelCinema-CollecioTomasMallol в г. Жирона, Испания, 2024 год

Объект исследования – зрительные иллюзии.

Предмет исследования – оптические игрушки.

В интернете я нашел много информации про оптическую игрушку - калейдоскоп. Чаще всего рассказывают, кто создал калейдоскоп и как он вообще работает.

Г

Экспозиция музея кино Museu del Cinema-Collecio Tomas Mallol в г. Жирона, Испания, 2024 год

ипотеза 1. Говорят, что калейдоскоп придумал и запатентовал английский ученый Дэвид Брюстер. Но есть версия, что Михаил Ломоносов также имел к этому отношение, хотя патент получить не успел. А в Государственном Эрмитаже даже хранятся три калейдоскопа, сделанных Ломоносовым.

Гипотеза 2. Ну и чем меньше угол между зеркалами, тем больше отражений в калейдоскопе.

Цель моей работы – изучить устройство калейдоскопа и выяснить, что можно считать надежным источником для проверки этих двух теорий из интернета, и понять, верны они или нет.

Что нужно сделать:

1. Разобраться, что вообще такое «иллюзия», и понять, чем отличаются зрительные и оптические иллюзии, а также оптические приборы от оптических игрушек.

2. Узнать, как создавался калейдоскоп, как он работает и где его используют.

3. Создать модель калейдоскопа и провести эксперимент с углом наклона зеркала.

Я не планирую разбирать все виды оптических иллюзий и игрушек или составлять их подробную историю. В процессе работы я попытаюсь создать наиболее интересные лично мне оптические иллюзии и оптические игрушки, чтобы лучше понять, над чем я работаю и как это все устроено.

Зрительные и оптические иллюзии

«Иллюзия» - это слово, которое пришло из латыни и значит обман или заблуждение. Это когда наши чувства нас дразнят, и мы неправильно воспринимаем что-то реальное. Другое значения этого слова – фокус иллюзиониста, а переносное значение - мечта. Но не надо путать иллюзию с фантазией - это что-то, что мы сами придумали, или с галлюцинацией - это когда мы видим что-то, чего на самом деле нет.

Существуют разные виды иллюзий: слуховые, зрительные, обонятельные и т. д. Каждый вид по-своему дразнит наш мозг. Мы поговорим о зрительных и оптических иллюзиях - это когда то, что мы видим, не совпадает с тем, как это на самом деле. Можно сказать, что зрительные иллюзии возникают из-за несовершенства глаза, а разновидность зрительных иллюзий - оптические - создаются с помощью каких-то приборов. Забавный факт: если ты ловишь такие иллюзии, значит, у тебя все нормально со зрением².

Вот несколько примеров зрительных иллюзий, которые я смог изучить.

Ц

Фото 3

Фото 2

Фото 1

илиндр (фото 1) - когда смотришь на цилиндр, мозг думает, что высота цилиндра не равна ширине; но если мы, вооружившись линейкой, измерим эти два расстояния (рис. 2 и 3), то увидим, что они одинаковые - по 14 см. Это называется вертикально-горизонтальной иллюзией: наше зрение часто преувеличивает вертикальные размеры, особенно, если объект выше уровня глаз.

Стакан с водой - если опустить в него карандаш, линейку или ножницы (фото 4-6), они будут выглядеть сломанными. Это происходит из-за преломления света - когда лучи света меняют направление на границе воды и воздуха, потому что вода плотнее.

Фото 5

Фото 6

Фото 4

В

Фото 8

Фото 7

олчки (фото 7 и 8) - когда они вращаются, цвета и формы меняются: треугольник и квадрат превращаются в круг, желтый и черный смешиваются в зеленый, красный и синий — в фиолетовый, а красный и желтый — в оранжевый (фото 9). Это происходит, потому что наш глаз не успевает переключаться между изображениями, и получается, что все смешивается.

Фото 9

Вывод: Зрительные иллюзии возникают из-за того, что наш глаз не идеален.

Оптические приборы и оптические игрушки

Оптические приборы – это устройства, которые работают со светом: они могут увеличивать или уменьшать изображения, делать их более четкими. Примеры: лупа, микроскоп, телескоп, камера и так далее.

Но мне гораздо интереснее оптические игрушки, которые не только развлекают, но и учат чему-то новому. Некоторые игрушки, например, калейдоскоп, были разработаны в ходе научных экспериментов и затем превратились в развлечения для взрослых: ими развлекали гостей, демонстрируя новые идеи из оптики, физики, электричества, механики. Но в конечном итоге они стали игрушками для детей.

Я решил сам сделать несколько таких игрушек - анаморфоскоп, тауматроп, флип-бук и зоотроп – и понять, почему их считают предшественниками кино.

А

Фото 12

Фото 11

Фото 10

наморфоскоп (от греческого - создавать заново) – это полукруглое зеркало, которое превращает искаженное изображение в нормальное, если смотреть в него под правильным углом. Этот прибор придумали в Китае, а в 16 веке привезли в Италию, когда художники вроде Леонардо да Винчи начали создавать 3D-картинки. В кино тоже используют анаморфоз, чтобы проецировать широкое изображение из узкого кадра пленки.

Я использовал для эксперимента карандашницу с отполированной поверхностью и проверил ее на анаморфном рисунке с «секретом» венгерского художника Иштвана Ороса к роману Жюля Верна «Таинственный остров». Невооруженным взглядом на рисунке виден морской берег, волны и обломки корабля (фото 10). Но если поставить карандашницу на изображенное солнце, то в отражении моего самодельного анаморфоскопа можно увидеть лицо мужчины с бородой – похоже, это сам Жюль Верн!

Чтобы изображение выглядело искаженным, нужно сверху нарисовать сетку и превратить её в полукруг. Я распечатал сразу полукруглую сетку, поставил в центр карандашницу, и, глядя в нее, нарисовал красный крест (фото 12), и у меня тоже получилась картина с секретом.

Тауматроп – (от древнегреческого – чудо и вращение) игрушка, основанная на оптической иллюзии, которая работает, когда диск крутится вокруг своей оси. Впервые этот трюк показал в 1824 году английским физик и астроном Джоном Гершелом на примере вращающейся на ребре монеты. При быстром вращении наш глаз воспринимает сразу оба изображения, и в нашем восприятии они оказываются совмещенными.

Я сделал четыре тауматропа (фото 13 и 14) и приспособил часть от конструктора «Знаток», чтобы тауматроп вращался (фото 15). Обе картинки действительно выглядят как одна во время вращения (фото 16), но скорость вращения влияет на четкость совмещенного изображения: картинка выглядит более четкой, когда батарейки наполовину сели. Кстати, налицо технический прогресс, если сравнить мой тауматроп (фото 16) и тауматроп конца 19 века из музея кино г. Жирона. (фото 17)

Фото 13 Фото 14 Фото 15 Фото 16 Фото 17

З

Фото 20

Фото 18

Фото 19

оотроп – (от древнегреческого - жизнь и вращение) – еще одна крутая игрушка, изобретенная в 1833 году британским математиком Ульямом Джоржем Горнером. Он назвал свое изобретения дедалеум, или колесо дьявола. Я взял за образец фото зоотропа конца 19 века из музея кино в г. Жирона (фото 20). Мне понадобилась круглая картонная коробка, распечатка из интернета с рисунком тюленей, кидающих друг другу мячик, черная цветная бумага, из которой я вырезал полосу с прорезями, и вращающийся поднос. Если вращать коробку и смотреть в прорези, то картинки оживают. Прорези не дают изображению размываться. Скорость также важна. Но, конечно же, удобнее смотреть мультики на айпеде!

Ф лип-бук – это книжка с картинками (кадрами), при быстром перелистывании которых создается иллюзия движения. Она была запатентована в 1882 году в США. Я нарисовал 24 кадра с моим любимым амонгусом, и при перелистывании у меня получается танцующий амонгус (фото 21 и 22). Я понял, что важно рисовать амонгуса в одном и том же месте каждого кадра, и нужна плотная бумага.

Фото 21 Фото 22

Итак, оптические игрушки - тауматроп, зоотроп, флип-бук - работают на одной и той же оптической иллюзии, что и волчки, которая связана с инерцией зрения, то есть способностью сетчатки глаза запоминать изображения на доли секунды, и мозга соединять быстро сменяющиеся картинки в одно целое. Именно на этом основан эффект анимации - когда у нас создается иллюзия движения, а на самом деле мы видим последовательность неподвижных кадров, которые просто очень быстро меняются.

Вывод: если бы наши глаза были более совершенными, мы бы не смогли смотреть кино и мультики.

Калейдоскоп

Конечно же, я не мог не попробовать сделать калейдоскоп (от греческого – красивый, вид, смотрю). Ведь он является, пожалуй, самой известной из всех оптических игрушек, которая остается популярной во всем мире до сих пор. Например, в Японии создание калейдоскопов является популярным мастер-классом. А в Великобритании с конца 20 века существует сообщество любителей и коллекционеров калейдоскопов – “Brewsterkaleidoscopesociety” – и на их сайте можно посмотреть фото уникальных старинных калейдоскопов и удивиться их разнообразию. Также есть теория, что калейдоскоп оказал влияние на все искусство 20 века, когда прогресс позволил фотографировать уникальные узоры и переносить их на холст и ткань. Ее подтверждениям я займусь в старших классах.

В России в 19 веке калейдоскоп называли красивым словом «узорник» - трубка, с зеркальцами клином, где цветные стекляшки отражаются узорочную звездою, переменною, при всяком движении или обороте трубки³. А русские поэты, естественно, посвящали калейдоскопу стихи:

« Смотрю — и что ж в моих глазах?

В фигурах разных и звездах

Сапфиры, яхонты, топазы,

И изумруды, и алмазы,

И аметисты, и жемчуг,

И перламутр — все вижу вдруг!

Лишь сделаю рукой движенье —

И новое в глазах явленье!⁴»

Фото калейдоскопа с вращающимися кольцами с сайта Brewsterkaleidoscopesociety

Фото узора из трактата Дэвида Брюстера о калейдоскопе

Фото узоров из моего калейдоскопа

С

Фото 23

уществуют разные виды калейдоскопов. Классический калейдоскоп содержит треугольную призму с углами 60°, двумя плоскими наружными стеклами и неподвижными разноцветными стеклышками между ними – именно такой сделал Дэвид Брюстер. Мой калейдоскоп – это афанеидоскоп, так как я могу туда также засыпать цветы, перышки и другие предметы (фото 23). Есть еще телейдоскопы, когда узоры создаются из окружающего мира, а вместо плоского стекла вставлена выпуклая линза.

Так как я учусь в Ломоносовской школе, прежде всего я решил проверить, правда ли Михаил Васильевич Ломоносов мог придумать калейдоскоп, и вот что я узнал: в Государственном Эрмитаже сказали,⁵ что калейдоскопов Ломоносова нет, да и вообще, никаких калейдоскопов с ним не связывают. Считается, что это устройство изобрёл английский физик Дэвид Брюстер в начале 19 века. Хоть Ломоносов был суперучёным и занимался кучей разных научных направлений, его эксперименты шли в другом направлении. Хотя его работа со стеклом действительно могла бы быть связана с этим устройством, ведь в калейдоскопах используются разноцветные стекляшки, а Ломоносов как раз занимался их производством (см. справку из дирекции Государственного Эрмитаже в разделе Источники). Кстати, Ломоносов сам писал такие строки о стекле, что они прямо напрашиваются на связь с калейдоскопом: «Пою перед тобой в восторге похвалу, не камням дорогим, ни злату, но стеклу.⁶».

А вот трактат о калейдоскопе Дэвида Брюстера, который датирован 1819 годом, можно найти в открытых источниках.

Устройство калейдоскопа основано на принципе отражения света в плоском зеркале. В калейдоскопе может быть два, три или больше зеркал, расположенных под углом друг к другу. Самой оптимальной считается треугольная призма, как в моем калейдоскопе.

Чтобы понять базовый принцип работы калейдоскопа, я взял две зеркальные плитки, склеил их скотчем, сделал на глаз три варианта угла, положил между стеклами предмет (ягоду, звезду и кубик) и посчитал количество отражений. После этого я померял транспортиром углы, и у меня получилось, что количество отражений плюс сам отражающийся предмет - n - в двух зеркалах может рассчитываться по формуле: n = 360° / ширина угла. Например, если угол 90°, то n = 3 отражения + сам предмет (рис. 24), 72° - 4 отражения + сам предмет (рис. 25), 60° — 5 отражений + сам предмет (рис. 26). Это также подтверждает теорию, что чем меньше угол между зеркалами, тем больше отражений в калейдоскопе. При этом n – должно быть целым числом.

Фото 24 Фото 25 Фото 26

Я также решил проверить доступным способом информацию, что просмотр узоров в калейдоскопе успокаивает нас. Я попросил папу померять давление до и после, при этом папа смотрел в калейдоскоп целых 10 минут. Давление улучшилось незначительно, что можно списать и на погрешность приборов, но…улыбаться стал шире!

Выводы

В ходе моей исследовательской и проектной деятельности мне удалось:

1. Изучить теорию и научную информацию про зрительные и оптические иллюзии.

2. Определить разницу между оптическими приборами и оптическими игрушками, а также опытным путем выяснить особенности различных оптических игрушек.

3. С помощью сотрудников Отдела истории русской культуры в Государственном Эрмитаже опровергнуть предположение, что Михаил Ломоносов изобрел калейдоскоп.

4. Создать калейдоскоп своими руками и провести ряд исследований.

5. Доказать, что открытые источник надо перепроверять.

Гипотеза 1 не верна. Нет доказательств того, что Ломоносов изобрёл калейдоскоп, хотя этот миф мог появиться из-за его исследований в области стекла. И, вообще, все оптические игрушки, которые мы изучали, были изобретены не в России. Хотя они и привозились сюда в 19 веке, понятно, почему в наших музеях так мало экспонатов на эту тему.

Гипотеза 2 верна, но экспериментально подтверждена следующая более точная математика калейдоскопа:

• Чем острее угол между зеркалами, тем больше изображений в калейдоскопе.

• Количество изображений плюс сам предмет, который отражается - n = 360° / ширина угла между зеркалами.

Заключение

Люди экспериментировали с оптическими явлениями с доисторических времен и играли с предметами, которые влияли на восприятие света, цвета и тени. Некоторые оптические игрушки, хотя и были изобретены в Европе, но по неподтвержденным данным в элементарном виде могли существовать уже в Древнем Китае.

Оптические игрушки, с помощью которых вызывались оптические иллюзии, помимо своей научной и развлекательной ценности также оказали большое влияние на искусство. Также есть ощущение, что просмотр уникальных картинок в калейдоскопе делает человека чуть более счастливым и помогает успокоится. Все это приводит к мысли, что оптические игрушки, возможно, больше, чем «забава», и оптические иллюзии – это очень полезная и актуальная вещь в современном мире. Не поэтому ли до сих пор так хочется прильнут к глазу «трубочки» и взрослым, и детям?

«Ты мне вернул забытый рай

Из хризолита и сапфира»

Опять безмолвно отдыхай, тайник непознанного мира.

Свой лал, свой жемчуг, свой алмаз

Таи, окованный молчаньем,

Пока опять захочет глаз

Прильнут к твоим очарованьям⁷».

Источники:

1. Большая российская энциклопедия 2004-2017 гг.

2. Толковый словарь живого великорусского языка Владимира Даля

3. Открытыеисточники:

   1. Википедия сайт https://ru.wikipedia.org/wiki/A

   2. The Brewster Kaleidoscope Society сайт https://brewstersociety.com/

   3. A Treatise on the kaleidoscope by David Brewsterсайт https://wellcomecollection.org/works/sjwj36zg

4. Справка из Дирекции Государственного Эрмитажа:

From: Victoria <gnoma74@gmail.com>
Date: 16 September 2024 at 19:11:52 GMT+3
To:mikliaeva@hermitage.ru
Subject:КалейдоскопыЛомоносова

Добрый день!

Мой сын, ученик 3-Б класса подмосковной Ломоносовской школы «Зеленый мыс» пишет проектную работу по теме «Оптические иллюзии». В работе упоминается устройство калейдоскопа. В интернете много информации о том, что М. В. Ломоносов изобрел калейдоскоп, но не смог получить патент, и, якобы, в Эрмитаже хранятся три его калейдоскопа. Но также есть информации, что это миф. Мы будем Вам крайне признательны, если Вы сможете дать справку по этому вопросу: хранятся ли в Эрмитаже калейдоскопы М.В. Ломоносова.

Заранее спасибо.

С уважением,

Виктория Белогурова и Сергей Лещев

From: Аппарат дирекции <directorate@hermitage.ru>
Date: 25 September 2024 at 10:53:30 GMT+3
To: gnoma74@gmail.com
Subject: Письмо из Государственного Эрмитажа

Глубокоуважаемые Виктория и Сергей,

В Эрмитаже калейдоскопов М.В. Ломоносова нет, как неизвестны и вообще калейдоскопы Ломоносова. Считается, что это устройство изобрёл английский физик Дейвид Брюстер в середине первого десятилетия 19 века. Имея ввиду исключительную разносторонность Ломоносова-учёного и развитие науки и технологий к середине 18 века, действительно можно было бы предположить, что он мог изобрести калейдоскоп, однако опыты Ломоносова проходили в других направлениях, нежели те, которые привели английского физика к изобретению этого прибора.

Одним из аргументов в приписывании Ломоносову авторства калейдоскопа могли быть его весьма плодотворные опыты в создании и производстве цветного стекла, частички которого использовались в калейдоскопах, а также его занятия оптикой.

Надеемся, что эти сведения помогут Вам в проектной работе, и желаем успехов в учёбе!

Ответ подготовлен по материалам, предоставленным Григорием Борисовичем Ястребинским, старшим научным сотрудником Отдела истории русской культуры в Эрмитаже.

С уважением, Аппарат дирекции Государственного Эрмитажа