Лунная дорожка - почему длинная и узкая
Всем привет. Хочу представить геометрические построения, которые покажут, почему лунная (или солнечная) дорожка такая длинная (в сторону источника света) и узкая. Вот несколько примеров:
Если бы поверхность воды была горизонтальна в каждой точке водоёма, мы бы видели отражение луны (солнца) как в зеркале, такого же углового размера как и источник света (примерно 0.5 градуса). Однако в водоёмах почти всегда бывают волны, которые отклоняют поверхность воды на некий угол от горизонтали. Условно волну можно представить следующим образом:
Как видно из рисунка, поверхность воды горизонтальна в районе гребня и подошвы волны (оранжевые отрезки), и наклонена на некий максимальный угол α (крутизна склона волны) между гребнем и подошвой (зелёный отрезок). Последний угол определяет, насколько "расползётся" пятно, в котором отражается источник света.
Однако с ходу не совсем понятно, почему дорожка имеет вытянутую форму. Представим, что в случае невозмущённой поверхности воды источник света отражается в точке А:
Возникает вопрос - почему мы видим отражения источника света в точках В и С (вдоль дорожки) и не видим этих отражений слева и справа, в точках D и Е, отстоящих от центральной точки А на таком же угловом расстоянии, что и В, С? Ведь максимальный угол наклона волны α примерно одинаков для всех точек водоёма, а волны в свою очередь сориентированы по поверхности хаотично (то есть равновероятно во все стороны, по любому азимуту).
Чтобы ответить на этот вопрос, давайте рассмотрим луч света, падающий на горизонтальное зеркало, а затем покачаем его вокруг разных осей. Выберем угол падения достаточно пологим, что соответствует невысокому положению луны (солнца) над горизонтом (угол φ). Я специально выбрал слово "пологий", поскольку в физике углом падения строго говоря называется угол между лучом и перпендикуляром к поверхности падения (см. угол β на рисунке), и он в данном случае близок к 90 градусам:
Как видно из рисунка (10 клеток влево, 1 клетка вверх), угол φ равен арктангенсу 1/10, то есть 5.7 градуса. Это вполне соответствует случаю лунной дорожки, когда луна (солнце) расположены невысоко, в нескольких градусах выше горизонта. Вспоминаем, что угол падения β равен углу отражения γ, ставим экран и видим, куда попадает отражённый луч.
Теперь изменим точку зрения, посмотрим вдоль луча, и попробуем покачать зеркало на небольшой ОДИНАКОВЫЙ угол вокруг двух осей - сначала поперечной (обозначена бордовым) к плоскости падения луча, а затем продольной (обозначена зелёным):
При этом последим за характером отклонения отражённого луча. При повороте зеркала вокруг "бордовой" оси на угол θ отражённый луч будет поворачиваться на двойной угол, на 2*θ. Пусть угол θ будет таким, чтобы отражённый луч в нижнем положении почти доходил до горизонтального состояния, то есть в данном случае θ = 2.3°. При этом мы увидим следующую картину (гиф из двух кадров, перещёлкивается положение зеркала и отражённого луча):
То есть мы видим существенное изменение траектории отражённого луча, на 2θ = 4.6° в обе стороны.
Во втором случае, когда мы поворачиваем зеркало относительно второй (зелёной) оси на тот же угол θ, направление отражённого луча меняется на порядок меньшую величину. Следующий рисунок может пояснить, почему так происходит:
Колебания зеркала на небольшой угол θ относительно продольной оси (обозначена на рисунке зелёным) почти соответствуют вращению вокруг оси, совпадающей с начальным направлением луча (до отражения). Таким образом можно достроить начальный луч до плоскости наблюдения (экран), до точки О, и тем самым получить конус с углом раствора 4φ (на рисунке показана половина раствора 2φ), вокруг которого происходят угловые колебания отражённого луча АВ (на угол θ). И если максимальный угол колебания θ = 2.3° (как и в предыдущем случае), то угловое смещение отражённого луча составит всего лишь (θ/360°)*2*π*2φ = 0.46°, то есть в 10 раз меньше, чем в случае колебаний зеркала вокруг поперечной оси, см. гиф из двух кадров:
Поскольку я понимаю, что могу легко ошибиться в своих построениях, этот вывод я проверил через:
1) моделирование в Экселе - через вектор падающего луча f, вектор нормали к отражающей поверхности n, и формулу вектора отраженного луча r = f-2n·(f·n);
2) научпоп книгу "Удивительная физика", в которой выведена формула отношения двух видимых полуосей пятна = sin(φ), что в нашем случае как раз составляет 1/10.
Из формулы следует, что чем выше будет светило, тем относительно шире будет дорожка, вплоть до круглого пятна в случае зенита (и если мы будем наблюдать пятно откуда-то сверху вниз).
Также я провёл эксперимент, в котором направил луч фонаря на зеркало, а противоположную стену использовал как экран для отражённого луча. В эксперименте:
1) покрутил зеркало на 360 градусов вокруг вертикальной оси (убедиться, что оно горизонтально, а значит отражённый луч практически не будет менять своё направление при вращении);
2) покачал вокруг двух осей (продольной и поперечной), показав разницу колебаний отражённого луча на стене-экране;
3) подпёр один край зеркала подставкой, зафиксировав тем самым угол наклона относительно горизонтали, и прокрутил зеркало на 360 градусов вокруг вертикальной оси, при этом отражённый луч нарисовал на стене фигуру, близкую к эллипсу.
В заключение сошлюсь на пост двухлетней давности - в выделенном комментарии человек @troshki как раз сожалеет, что у него не получилась узкая дорожка, и что луна в кадр не поместилась - после представленного выше материала вы уже понимаете, что одно закономерно вытекает из другого.