Как меняется тень от солнца

Построение теней от предметов при солнечном освещении.

Учебный модуль 3. Построение теней и отражения в перспективе.

Тема 7. Общие понятия о построении теней в перспективе.

В изобразительном искусстве построение теней от различных источников освещения имеет очень большое значение. Глаз человека воспринимает предметы в окружающем пространстве благодаря их освещённости.

Изображение теней в перспективе даёт возможность передать рельеф и форму предметов, их положение в пространстве, состояние погоды и т.д. Изображение светотени позволяет художнику находить сложные композиционные решения и сосредоточить внимание зрителя на главном, погружая в тень всё второстепенное.

Распределение света и тени на поверхности предмета называется светотенью. Собственной тенью называют неосвещённую часть предмета. Её границы определяются лучами света, касательными к предмету. Границу между освещенной и неосвещённой частями предмета называют линией разделасвета и тени.

Тень, которая отбрасывается освещённым предметом на предметную плоскостьили какую-либо поверхность, называется падающей тенью. Для построения её контура необходимо определитьлинию светораздела.

Тени могут быть построены двумя способами. Первый заключается в том, что тени строят на ортогональных чертежах, а затем переносят их в перспективу в процессе построения самого перспективного изображения. Второй способ (наиболее распространённый) заключается в том, что построение теней выполняют непосредственно на изображении объекта.

Построение падающей и собственнойтени предмета связанно с условием его освещения. В теории перспективы рассматривают два вида освещения сосредоточенным светом:естественное и искусственное.

При естественномосвещении источник света (Солнце, Луна) практически бесконечно удалён от предмета и размеры его малы в сравнении с расстоянием до предмета. Такое освещение параллельнымилучами называют солнечным. При солнечном освещении лучи, касательные к предмету, образуют цилиндрическую или призматическую поверхность.

Искусственный источник света, как правило, расположен на небольшом расстоянии от предмета и размеры его малы по сравнению с освещаемым объектом. Такое освещение можно рассматривать как освещение радиальными лучами ( освещение от лампы, фонаря, свечи и т.д.). Лучи, касаясь предмета, образуют как бы пирамидальную или коническую поверхность.

Построение теней от предметов при солнечном освещении.

При солнечном освещении лучи света принимают за параллельные, так как светящаяся точканаходится условно в бесконечности. Особенностью в построении падающей тени при солнечном освещении являться то, что проекция точки схода световых лучей, точкаS, всегда располагается на линии горизонта.

По отношению к зрителю и картине солнце может занимать три главных положения, которые определяют три основных направления солнечных лучей.

1. Солнце расположено в предметном пространстве, то есть, находится против наблюдателя, по ту сторону картины. Солнечные лучи — это восходящие параллельные прямые. Точка схода S солнечных лучей находится над линией горизонта в заданном месте. Её проекцияS1 располагается на линии горизонта. При таком положении солнца почти все видимые части предметов окажутся в тени, а падающие тени будут направлены на зрителя.

Для определения величины и направления тени от вертикали АВ надо из точкиS1 провести проекцию луча через нижнюю точку В до встречи с лучом, проведённым из точкиSчерез верхнюю точку А.

Для построения тени от прямоугольника проводим из точки S1 проекции лучей через нижние углы прямоугольника до встречи их с лучами, проведёнными из точкиS через верхние углы прямоугольника.

Построение теней от предметов, когда солнце расположено в предметном пространстве.

2. Солнце расположено в промежуточном пространствесправа или слева от наблюдателя. Лучи и их проекции параллельны плоскости картины, то есть являются фронтальными прямыми и наклонены к предметной плоскости под произвольным или заданным углом. Лучи не имеют точки схода и остаются параллельными между собой, их проекции на предметную плоскость будут параллельны основанию картины.

Тень, падающая от вертикали АВ, будет горизонтальной и параллельной основанию картины. Для определения её величины проводим из вершины А луч до пересечения с его проекцией, проведённой из точки В. Направление солнечных лучей на картине указывается заданным углом наклона к её основанию. Угол наклона лучей к предметной плоскости для средних широт выбирают в пределах от 35 0 и 45 0 .

Построение теней от предметов, когда солнце расположено в промежуточном пространстве.

Принцип построения теней от объекта остается таким же, как и в ортогональных проекциях. Через вершину каждого ребра проводим луч, под заданным углом наклона, до пересечения его с проекцией, проведённой через нижнюю точку ребра. Вершины тени соединяем прямыми, параллельными горизонтальным рёбрам и направленными в точки схода на линии горизонта. Предмет к зрителю будет обращён частично освещённой и теневой стороной.

Если объект имеет сложную форму (состоит из разных объемов), то в этом случае падающая тень будет расположена не только на предметной плоскости, но и на самом объекте.

Рассмотрим пример построения падающих теней от фигуры, состоящей из трёх разновеликих объемов.

Начнём с построения тени от вертикального объёма. Через верхнюю точку ближнего ребра проводим луч под заданным углом наклона. Проекцию этого луча проводим через нижнюю точку ребра, параллельно основанию картины, до нижней грани вертикальной плоскости центральной фигуры. По этой плоскости проводим прямую вертикально вверх до её пересечения с лучом. Найденную точку соединяем с точкой пересечения горизонтального ребра вертикального объёма с вертикальной плоскостью центральной фигуры. Граница тени построена.

Принцип построения теней от объекта остается таким же, как и в ортогональных проекциях. Через вершину каждого ребра проводим луч, под заданным углом наклона, до пересечения его с проекцией, проведённой через нижнюю точку ребра. Вершины тени соединяем прямыми, параллельными горизонтальным рёбрам и направленными в точки схода на линии горизонта. Предмет к зрителю будет обращён частично освещённой и теневой стороной.

Если объект имеет сложную форму (состоит из разных объемов), то в этом случае падающая тень будет расположена не только на предметной плоскости, но и на самом объекте.

Рассмотрим пример построения падающих теней от фигуры, состоящей из трёх разновеликих объемов.

Начнём с построения тени от вертикального объёма. Через верхнюю точку ближнего ребра проводим луч под заданным углом наклона. Проекцию этого луча проводим через нижнюю точку ребра, параллельно основанию картины, до нижней грани вертикальной плоскости центральной фигуры. По этой плоскости проводим прямую вертикально вверх до её пересечения с лучом. Найденную точку соединяем с точкой пересечения горизонтального ребра вертикального объёма с вертикальной плоскостью центральной фигуры. Граница тени построена.

Построение теней от сложной фигуры, когда солнце расположено в промежуточном пространстве.

Приступаем к построению падающей тени от центральной фигуры. Вначале строим падающую тень на предметную плоскость, игнорируя невысокий примыкающий объём. В точке пересечения следа луча от ближнего вертикального ребра центральной фигуры с вертикальной плоскостью малой фигуры проводим проекцию вертикально вверх. После того, как она пересечёт верхнее ребро малой фигуры, продолжим проекцию параллельно основанию картины до пересечения с лучом. От этой точки граница тени на горизонтальной плоскости малой фигуры будет направлена в точку схода F2,лежащую на линии горизонта. Строим падающую тень от малой фигуры на предметную плоскость.

1. Солнце расположено в мнимом пространстве, то есть находится сзади от зрителя. Солнечные лучи представляют собой нисходящие параллельныепрямые. Точка схода лучейSнаходится ниже линии горизонта настолько, насколько солнце предполагается выше него. Точка сходаS1 их горизонтальных проекций находится на линии горизонта. Все видимые части предмета освещены. Тени направлены в глубину от зрителя.

Для построения тени от отрезка АВ проводим через точкуSсветовой луч в точку А. Проекцию луча света проводим в точку схода S1 через точку В, с которой совпадает проекция освещённой точки А. Точка их пересеченияВ0задаётвеличину тени.

Построение теней от предметов, когда солнце расположено в мнимом пространстве.

Построим тень от треугольной пластины на произвольную плоскость ЕВМ. Через точку А проводим горизонтально-проектирующую лучевую плоскость. Горизонтальный след плоскости а S1 пересекает перспективу плана плоскости по линии а30, а перспективу самой плоскости пересекает по прямой 13. Пересечение этой прямой с лучом АSдаёт вершину тени А1. Точка А0 является фиктивной тенью на предметной плоскости. В точках 12 тень с земли переходит на наклонную плоскость. Из точкиS проводим световой луч в точку В. Из точки К проводим проекцию светового луча в точку схода S1 и её пересечение со световым лучом отметит точку В0. Проведя отрезок ЕВ0, построим границу тени от вертикальной плоскости ЕВК. Из точки В0 граница тени будет проходить параллельно горизонтальному ребру ВМ, то есть направлена в точку сходаF1. Тень построена.

Построение тени от треугольной пластины на произвольную плоскость, когда солнце расположено в мнимом пространстве.

Источник

Как определить стороны света и время по тени

Известно множество методов, с помощью которых по тени от Солнца можно определять стороны света и время. Они основаны на понимании того, как Солнце движется по небосводу в течение дня и какое направление показывают тени предметов в разное время суток, в том числе в полдень, утром и вечером. Далее мы рассмотрим самые известные из них, которые позволят путешественнику ориентироваться при утере средств навигации или поломке часов.

В северном полушарии такая тень в полдень указывает на север.

Нужно не только запоминать методы, но и понимать механизмы, на которых они строятся. Именно в этом случае всегда можно скорректировать метод под условия, в которых оказался человек. Если же этого не сделать, то в некоторых случаях такое невежество может привести к ошибкам и возникновению чрезвычайной ситуации.

Так, например, во многих Интернет-статьях и учебниках приводится метод ориентирования по стрелкам механических часов и Солнцу, о котором подробнее мы поговорим далее. Однако почти нигде не сказано, что конкретно в этом исполнении он работает только в северном полушарии, да и то выше тропической зоны. Если человек не понимает, откуда «растут ноги» у этого метода, он может легко допустить ошибку и, оказавшись в южном полушарии, неправильно определить стороны света, в результате чего заблудится.

Итак, что же это за базовые знания, без которых определить стороны света по тени не получится?

Теоретические основы

Все рабочие методы ориентирования по тени от Солнца опираются на доказанные факты. Разберем их подробнее.

Факт №1. Солнце всегда встает на востоке и садится на западе. Однако в высоких широтах во время полярного дня оно по нескольку недель вовсе не садится за горизонт, а полярной ночью — не встаёт над горизонтом.

Факт №2. В средних и высоких широтах северного полушария в полдень Солнце находится в южном направлении или, как еще говорят, на юге. В южном полушарии на том же удалении от линии экватора солнечный диск в полдень пересекает северное направление. На экваторе в полдень Солнце полгода находится на севере, полгода — на юге, а два дня в год оно проходит строго над головой. Об этом мы подробно рассказывали в отдельной статье.

Факт №3. В астрономический полдень тень, отбрасываемая вертикально расположенными предметами на ровную горизонтальную поверхность, будет самая короткая, поскольку в этот момент Солнце находится в своем зените, то есть в самой наивысшей точке траектории своего движения по небесной сфере.

Факт №4. Солнце движется по небосводу с угловой скоростью примерно равной 15 градусам в час.

Факт №5. Если стать лицом на север, то за спиной окажется юг, справа — восток, слева — запад.

Конкретно эта схема будет работать только в северном полушарии в средних и высоких широтах.

Конечно, нужно понимать, что это не само Солнце встает на востоке и движется по небосводу, а такое видимое движение связано с вращением Земли и нахождением на ее поверхности наблюдателя. Но для упрощения мы будем говорить не о вращении Земли, а о движении Солнца.

А теперь предлагаю непосредственно перейти к методам ориентирования по тени от Солнца.

Как определить стороны света по тени

Итак, как и обещал, рассмотрим несколько самых популярных методов.

Метод №1. По самой короткой тени от шеста. Этот метод основан на том, что в полдень тени от предметов самые короткие. Итак:

1. В горизонтальную ровную площадку вертикально втыкается шест.
2. До наступления полудня на площадке отмечается конец тени, отбрасываемой шестом.
3. Такие пометки делаются через небольшие промежутки времени.
4. Когда после полудня тень начнет удлиняться, все отметки соединяют плавной кривой.
5. На кривой находят точку, наиболее приближенную к шесту и отмечают ее.
6. Проводят линию от шеста к этой точке. Эта линия соответствует направлению север–юг.
7. Становятся на эту линию так, чтобы она оказалась параллельна соединенным вместе стопам ног, а утренние отметки оказались левее. Теперь север находится перед человеком, юг — позади него, справа находится восток, а слева — запад.

Если с момента отмечания первой точки тень начала удлиняться, это означает, что полдень уже прошел, и нужно ждать следующего утра, чтобы повторить все заново.

В большинстве способов ориентирования по Солнцу потребуются дополнительные построения.

Метод №2. С помощью тени от шеста по центру отрезка. Этот метод основан на том, что Солнце всходит на востоке и заходит на западе, а правая часть траектории его движения по небосводу является отражением левой. Для этого метода:

1. Как и в предыдущем способе, в площадку вертикально втыкается шест.
2. С утра делается пометка на площадке, соответствующая концу тени от шеста.
3. Измеряется длина от шеста до этой отметки.
4. Ближе к обеденному времени длина тени уменьшается, а потом начинает снова расти. Тень периодически измеряют. Как только она станет такой же длины, что и утренняя, делают вторую пометку, соответствующую концу тени.
5. Между первой отметкой и второй проводят прямую линию. Эта линия соответствует направлению восток–запад.
6. Человек становится так, чтобы первая отметка оказалась от него слева, а вторая — справа. Теперь можно говорить, что перед ним север, позади него юг, справа — восток, а слева — запад.

О других вариациях этих методов можно почитать в статье о том, где находится солнце в полдень…

Эти два метода позволяют относительно точно сориентироваться по тени от Солнца в любой точке планеты (кроме регионов вблизи полюсов и на самих полюсах) в светлое время, однако требуют много времени, что делает их малопригодными для человека, которому нужно ориентироваться в пути.

Метод №3. С помощью тени от шеста по двум точкам. Этот метод основан на знании того, что солнце встает на востоке и садится на западе, а тени от предметов движутся с запада на восток, правда, далеко не всегда по прямой линии. Для ориентирования этим способом:

1. Как и раньше, в ровную горизонтальную площадку вертикально втыкается шест.
2. На площадке камнем, колышком или любым другим удобным способом отмечается конец тени от шеста.
3. Выжидается примерно 15 минут и делается вторая пометка, соответствующая концу тени от шеста.
4. Теперь, если левой ногой стать на первую отметку, а правой — на вторую, перед нами окажется север, позади — юг, справа будет восток, а слева — запад.

Данный метод, как и предыдущие, может быть использован в любой точке мира в светлое время, но отличается от них своей быстротой. Однако с точностью у этого метода бывают проблемы.

Дело в том, что тень от шеста в большинстве случаев вычерчивает в течение дня не прямую линию, а изогнутую, при этом по отношению к положению шеста эта линия может быть, как вогнутой, так и выгнутой, в зависимости от широты и времени года. Если не учитывать эти моменты, можно получить колоссальную ошибку, поэтому приведу свои рекомендации, которые позволят использовать данный метод с максимальной эффективностью. Таких рекомендаций всего две.

Рекомендация №1. Пользоваться этим методом лучше в марте и сентябре. Он дает максимальную точность в течение всего дня в дни весеннего и осеннего равноденствий, так как именно в эти дни тень «вычерчивает» прямую линию. Чем дальше отодвигаться по календарю от этих дней, тем больше будет ошибка.

Рекомендация №2. Ориентироваться с помощью этого метода лучше в середине дня. В любой день года наилучшие результаты данный метод показывает в обеденное время. Чем дальше от солнечного полудня, тем ошибка метода больше. Причем ошибка может удвоиться, если, например, сориентироваться за 3 часа до полудня, а затем повторить измерения, спустя 3 часа после полудня.

Метод №4. Ориентирование по тени и часам. Этот метод основан на том, что в 12 часов дня Солнце в северном полушарии находится примерно на юге, а в южном — на севере, в 6:00 — примерно на востоке, а в 18:00 — примерно на западе. Соответственно тень, отбрасываемая человеком, падает в противоположном от Солнца направлении.

Так, например, если в полдень стать спиной к Солнцу, то в северном полушарии тень будет направлена на север, в южном полушарии — на юг. Если в 6 часов утра повернуться спиной к Солнцу, то тень покажет на запад, а если то же самое проделать в 6 часов вечера, то тень расположится в восточном направлении. Определив таким образом одну сторону света, далее можно найти и все остальные.

Типичная для северного полушария картина.

Если ориентироваться приходится в пути, то нет необходимости каждый раз искать ровную площадку, чтобы воткнуть в нее палку и выжидать после этого четверть часа. Достаточно один раз сориентировавшись, понять, с какой стороны находится Солнце и в дальнейшем выбирать путь, относительно его положения на небосводе. Например, если повернувшись в нужном направлении, человек видит Солнце справа, то и во время перехода, он должен его удерживать справа. В этом случае с течением времени можно делать поправку на скорость движения Солнца, а во время отдыха уточнять направление, используя описанный метод.

Применяя этот метод важно помнить о переводе в некоторых странах часов на летнее время и о том, что Солнце в полдень в районе тропиков и экватора может в течение года быть, как с северной стороны, так и с южной, о чем мы рассказывали в отдельной статье. Кроме того, в ней же мы рассказывали и о других эффектах, влияющих на положение Солнца в полдень, а значит и негативно сказывающихся на точности описанного метода.

Метод №5. Ориентирование по тени от спички и механическим часам со стрелками. Этот метод описывается в некоторых учебниках по военному делу и основан на понимании того, что в северном полушарии Солнце движется по небосводу по часовой стрелке с угловой скоростью равной 15 градусам в час. Для того, чтобы сориентироваться по этому методу в северном полушарии:

1. Часы располагают горизонтально циферблатом вверх.
2. К часам сбоку перпендикулярно циферблату прикладывается спичка. Прикладывается она между часовой стрелкой часов и цифрой «12» на циферблате. Так, например, если часы показывают 8:00, спичка располагается возле отместки «10», если же часы показывают 20:00, то возле отметки «4».
3. Часы вместе со спичкой поворачиваются до тех пор, пока тень от спички не пересечет центр циферблата.
4. Когда тень от спички совпадет с центром циферблата, цифра «12» покажет приблизительное направление на юг.

Этот метод хорошо работает только в тех случаях, когда Солнце, проходя свою наивысшую точку, оказывается невысоко над горизонтом. Чем выше оно будет в полдень, тем большую ошибку даст данный метод.

Дело в том, что скорость проекции Солнца на горизонт не только не совпадает с угловой скоростью Солнца, но и различается в течение дня. Эти различия тем больше, чем выше солнечный зенит.

Именно поэтому данный способ ориентирования лучше всего использовать в высоких широтах. В средних широтах им лучше пользоваться в зимнее время года, когда Солнце находится на небольшой высоте над горизонтом. В тропиках и на экваторе данный метод обычно не используют, поскольку здесь Солнце в любое время года находится высоко над горизонтом, а значит и ошибки будут очень большими.

В этом методе, как и в предыдущем, следует учитывать перевод часов на летнее время. Другие нюансы обычно не учитывают, поскольку метод все равно дает достаточно большую погрешность и предназначен в первую очередь для приблизительного нахождения сторон света.

В принципе, можно немного снизить погрешность, подняв край циферблата, на который нанесена цифра «12» на угол равный разнице 90 градусов и широты местности, в которой находится человек. Например, для широты 35 градусов, часы нужно приподнять на угол 55 градусов. Но, как показала моя практика, такой наклон в некоторых ситуациях не только не уменьшает ошибку, но и увеличивает ее, поскольку расположить спичку точно перпендикулярно циферблату, удерживая ее пальцами, и без того трудно, чего уж там говорить про вариант с наклоном циферблата. А ведь в том числе и от точности установки спички будет зависеть результат ориентирования.

В южном полушарии этот метод нужно изменить, иначе он будет показывать результаты далекие от истины. Лично я в этом случае представляю циферблат с цифрами, расположенными против часовой стрелки. Соответственно, если на часах 10 часов утра, я представляю часовую стрелку, показывающую на цифру «2», если на часах 16:00, то представляю стрелку, показывающую на «8». Далее поступаю так, как описано в методе, но ориентируясь не на настоящую стрелку, а на воображаемую.

Этот метод хорош для приблизительного нахождения сторон света и обычно дает самые большие ошибки по сравнению с рассмотренными ранее методами. Но в отличие от них, он позволяет сориентироваться в течение десятка секунд, что очень практично и позволяет определить стороны света почти на ходу.

Как определить время по тени

Методы определения времени по тени базируются на тех же знаниях, что и методы ориентирования.

Солнечные часы — один из самых древних инструментов, позволяющих по направлению тени определить время дня.

Существует множество способов определить время по тени, отбрасываемой объектом, на который светит Солнце. Разберем некоторые из них, но перед этим заметим, что и в этих методах для повышения точности нужно учитывать факторы, влияющие на расхождение между астрономическим и «земным» временем.

Метод №1. По самой короткой тени. На ровной горизонтальной площадке вертикально расположенный ровный объект, например, вкопанный шест, будет отбрасывать самую короткую тень в 12 часов дня.

Метод №2. По востоку и западу. Тень будет «указывать» на запад примерно в 6 часов утра, а на восток — примерно в 6 вечера. Этот метод тем точнее, чем ближе день, в который пытаются определить время, к дате весеннего или осеннего равноденствия.

Метод №3. По северу и югу. Солнечный диск пересечет северное или южное направление (в зависимости от полушария, а в тропиках и на экваторе — от времени года) в 12 часов дня.

Отдельно нужно рассказать про Заполярье. В северном полушарии во время полярного дня Солнце будет пересекать южное направление в 12 часов дня, но также оно может пересекать и северное направление, не опускаясь за горизонт, что будет соответствовать 12 часам ночи. В южном полушарии все наоборот: через север Солнце пройдет в полдень, через юг — в полночь.

Метод №4. По теневому углу. В этом методе определяется угол между самой короткой тенью воткнутого в землю шеста, которая соответствует солнечному полдню, и тенью в данный момент времени. Этот угол делится на скорость движения Солнца по небосводу — получается время. Если тень находится западнее, то есть полдень еще не настал, то полученное время отнимают от 12 часов дня, если же восточнее, то прибавляют к 12 часам дня.

Например, в средних широтах северного полушария тень в данный момент времени указывает на северо-запад, а угол с направлением на север (направление самой короткой тени) составляет 30 градусов. Мы знаем, что тень от Солнца движется с запада на восток со средней скоростью 15 градусов в час, а также, что в 12 часов дня тень должна указать на север. Из этого всего рассчитываем, через какое время тень укажет на север: 30/15=2 часа. Это значит, что до 12 часов дня осталось еще 2 часа, а значит на часах в данный момент времени 12–2=10 часов утра.

Последний метод хорошо работает в высоких широтах (лучше всего во время полярного дня вблизи полюсов), в то время, как вблизи экватора дает очень большие ошибки, и пользоваться им не рекомендуется. Тем не менее, из всех описанных ранее методов этот позволяет определить время не только в 6 часов утра, 6 вечера и в полдень, но и в любой момент в середине дня.

Конечно можно потратить один солнечный день, сделав примитивные «одноразовые» солнечные часы, воткнув палку в землю и делая пометки на конце тени через каждый час. Такие часы еще несколько недель после будут показывать достаточно точное время, пока солнечный зенит не сместится по вертикали на значительное расстояние. Но для этого метода понадобится дополнительный день и обычные часы, что немного теряет смысл. Какой смысл делать солнечные часы, когда есть обычные?

На самом деле способов ориентирования и определения времени по тени значительно больше, но нет смысла описывать их все. Сегодня я попытался лишь осветить суть этих методов, механизмы, заложенные в их основе, и продемонстрировать все это на популярных методах. Понимая эти механизмы, каждый сможет не только пользоваться описанными и проверять на работоспособность найденные в различных источниках методы, но и придумывать свои собственные, удобные в той или иной ситуации.

Если же говорить об упомянутых методах, то не получится выбрать самый лучший: каждый из методов имеет свои достоинства и недостатки. Поэтому так важно пользоваться ими всеми, подбирая оптимальный под сложившиеся условия.

Интересное видео: и ещё один способ определить время без часов…

Источник