Oglindă parabolică: cum funcționează și tipuri (cu exemple)

Ce au în comun aragazele solare, antenele parabolice, telescoapele reflectorizante și lanternele? Ar putea părea o întrebare ciudată, dar adevărul este că toate funcționează pe același lucru: reflectoarele parabolice.

Aceste reflectoare exploatează în esență beneficiile unei forme parabolice, în special capacitatea sa de a focaliza lumina pe un singur punct, pentru a concentra fie un semnal de undă radio (în cazul antenelor parabolice) sau lumină vizibilă (în cazul lanternelor și telescoapelor reflectorizante) pentru a ne permite să îl detectăm sau să folosim energie. Învățarea despre elementele de bază ale oglinzii parabolice vă ajută să înțelegeți aceste piese de tehnologie și multe altele.

Înainte de a intra în detalii, trebuie să înțelegeți cum o oglindă parabolică reflectă razele de lumină și trebuie să înțelegeți o anumită terminologie.

În primul rândpunct focaleste un punct în care razele paralele converg după ce se reflectă de pe suprafață șidistanta focalaa unei oglinzi parabolice este distanța de la centrul oglinzii la punctul focal. În unele cazuri (de exemplu, o oglindă parabolică convexă) punctul focal nu este locul în care se întâlnesc efectiv razele paralele după reflectare, ci de unde par să fi emanat după ce au fost reflectate.

axa opticăa unei oglinzi parabolice sau a unei oglinzi sferice este linia de simetrie a reflectorului, care este în esență o linie orizontală prin centru dacă vă imaginați că suprafața reflectorizantă a oglinzii se ridică vertical.

Arază de luminăeste o aproximare liniară pentru calea de deplasare a luminii. Aceasta este o simplificare supradimensionată imensă în majoritatea cazurilor, deoarece orice obiect va avea lumină care se îndepărtează de ea direcții, dar concentrându-se pe câteva linii specifice, principalele caracteristici ale efectului unei suprafețe asupra luminii pot fi determinat.

De exemplu, un obiect extins în fața unei oglinzi va avea raze de lumină care ies din el vertical și în direcția opusă oglinzii, care nu va intra niciodată în contact cu suprafața oglinzii, dar puteți înțelege cum funcționează oglinda uitându-vă doar la unele dintre razele care se deplasează în direcţie.

Geometria unei parabole o face o alegere deosebit de bună pentru aplicații în care trebuie să focalizați undele luminoase într-o singură locație. Forma parabolică este de așa natură încât razele paralele incidente vor converge într-un singur punct focal, indiferent unde se află efectiv pe suprafața oglinzii. Acesta este motivul pentru care oglinda parabolică este componenta cheie a unui telescop reflectorizant împreună cu multe alte dispozitive concepute pentru a focaliza lumina.

Razele de lumină trebuie să fie incidente paralele cu axa optică a oglinzii pentru ca aceasta să funcționeze perfect, dar este important să ne amintim că dacă un obiect este foarte departe de suprafața oglinzii, toate razele de lumină care vin de la el sunt aproximativ paralele cu momentul în care ajung aceasta. Aceasta înseamnă că, în multe cazuri, puteți trata razele ca fiind paralele, chiar dacă din punct de vedere tehnic nu ar fi. Pe lângă simplificarea calculelor, acest lucru înseamnă că nu trebuie să parcurgeți procesultrasarea razelorpentru un reflector parabolic în unele cazuri.

Trasarea razelor este o tehnică neprețuită în cazurile în care razele nu sunt paralele și, prin urmare, nu se poate presupune că toate reflectă spre punctul focal. Tehnica presupune în esență trasarea razelor de lumină individuale care ies de pe obiect și utilizarea legii reflexiei (împreună cu câteva sfaturi utile pentru trasarea razelor în mod specific) pentru a determina unde suprafața reflectorizantă va focaliza lumina la. Cu alte cuvinte, folosind poziția obiectului și poziția oglinzii, împreună cu câteva raționamente simple, puteți găsi unde va fi amplasată imaginea obiectului folosind ray tracing.

Imaginea pentru o oglindă concavă (una în care interiorul bolului este orientat spre obiect) va fi o „imagine reală”, care este una în care razele de lumină converg fizic pentru a forma o imagine. Vă ajută să vă gândiți la ce s-ar întâmpla dacă ați plasa un ecran de proiector în această locație: pentru o imagine reală, imaginea va fi afișată pe ecran, în focalizare.

Pentru o oglindă paraboloidă sau sferică convexă, imaginea va fi „virtuală”, astfel încât razele de lumină nu converg fizic în locația sa. Dacă așezați un ecran în această locație, nu ar exista nicio imagine. Modul în care oglinda afectează lumina o face pur și simpluarată caacolo este imaginea. Dacă te privești într-o oglindă plană obișnuită, poți vedea acest efect: Se pare că imaginea se află în spatele oglinzii, dar, desigur, nu există lumină și nici o imagine de fapt în spatele oglinzii.

O oglindă concavă are o curbă astfel încât „bolul” oglinzii să fie orientat spre obiect - vă puteți gândi la interior ca la o mică „peșteră” pentru a vă aminti diferența dintre concav și convex. Punctul focal pentru o oglindă concavă se află pe aceeași parte cu obiectul și i se atribuie o distanță focală pozitivă. Imaginile create în acest fel sunt imagini reale.

Pentru a face urmărirea razelor pentru o oglindă concavă, există câteva reguli cheie pe care le puteți aplica după cum este necesar. În primul rând, orice rază care vine de la obiectul care este paralel cu axa optică a oglinzii va trece prin punctul focal după reflectare. Opusul este valabil și: Orice rază de lumină care vine de la obiectul care trece prin punctul focal în călătoria sa către oglindă se va reflecta astfel încât să fie paralelă cu axa optică. În cele din urmă, legea reflexiei se aplică oricărei raze care lovește vârful suprafeței oglinzii, astfel încât unghiul de incidență se potrivește cu unghiul de reflexie.

Desenând două sau trei dintre aceste raze într-o diagramă de raze pentru un singur punct de pe obiect, puteți identifica locația imaginii acelui punct.

O oglindă convexă are o curbă opusă celei a unei oglinzi concavă, astfel încât exteriorul „bolului” oglinzii este orientat spre obiect. Punctul focal pentru o oglindă sferică sau parabolică convexă se află pe partea opusă obiectului și li se atribuie o distanță focală negativă pentru a reflecta acest lucru și faptul că imaginile produse sunt virtual.

Urmărirea razelor pentru o oglindă convexă urmează același model general ca și pentru o oglindă concavă, dar necesită puțină abstracție pentru a obține rezultatul. O rază care se deplasează paralel cu axa optică a oglinzii se va reflecta într-un unghi care o facearată caa provenit din punctul focal al oglinzii. Orice rază de la obiectul care se deplasează spre punctul focal se va reflecta paralel cu axa optică a oglinzii. În cele din urmă, razele care reflectă de la suprafață la vârf vor reflecta la un unghi egal cu unghiul lor de incidență, chiar pe partea opusă a axei optice.

Atât pentru oglinzile sferice convexe, cât și pentru cele concavă, dacă trageți o rază care trece prin centrul curburii (dacă vă imaginați extinzând suprafața oglinzii într-o sferă) sau care ar trece prin ea, raza se va reflecta înapoi exact de-a lungul aceleiași cale. Desenarea a două sau trei raze pe o diagramă vă va ajuta să găsiți locația imaginii pentru un singur punct de pe un obiect, observând că pe o oglindă convexă aceasta va fi o imagine virtuală pe partea opusă a oglindă.

Oglinzile sferice afectează lumina într-un mod foarte similar cu oglinzile parabolice, cu excepția faptului că suprafața curbată face parte dintr-o sferă mai degrabă decât să fie un paraboloid generic. În multe cazuri, lumina se va reflecta de la o oglindă sferică la fel ca și de la o oglindă parabolică, dar dacă unghiul de incidență a luminii este mai departe de axa optică a oglinzii, deviația razei reflectate este crescut.

Aceasta înseamnă că oglinzile sferice sunt mai puțin fiabile decât oglinzile parabolice, deoarece sunt predispuse la ceea ce este cunoscut caaberație sferică, precum șiaberație comatică. Aberația sferică apare atunci când razele de lumină paralele cu axa optică sunt incidente pe o oglindă sferică, deoarece razele mai îndepărtate de axa optică sunt reflectate la unghiuri mai mari, deci nu există o clar definită punct focal. De fapt, există efectiv distanțe focale multiple, în funcție de cât de departe este raza incidentă de axa optică.

Pentru aberația comatică, razele paralele mai îndepărtate de axa optică răspund într-un mod similar, dar punctele lor focale variază atât în ​​înălțime, cât și în distanță focală. Acest lucru produce un efect de „coadă”, similar cu aspectul unei comete, de unde fenomenul își primește numele.

Distanța focală a oglinzii sau a lentilelor este una dintre cele mai importante caracteristici pentru a le defini, dar expresia nu este la fel de simplă pentru o oglindă parabolică ca și pentru o lentilă. Pentru o rază de lumină incidentă pe oglindă la o înălțimey(Undey= 0 în partea cea mai adâncă a curbei) și formând un unghi deθla tangenta la curba oglinzii, distanța focală este:

Pentru oglinzile sferice, lucrurile sunt puțin mai simple, iar ecuația oglinzii ia o formă similară cu ecuația obiectivului. Pentru distanța față de obiectd​_o, distanța față de imagined​_eu și raza curburii oglinzii (adică, dacă curba ar fi extinsă într-un cerc sau sferă, raza acelei forme)R, expresia este:

Unded​_o este distanța față de obiect șid​_eu este distanța față de imagine, măsurată de la suprafața oglinzii pe axa optică. Pentru unghiuri de incidență foarte mici, puteți înlocui 2 /Rcu 1 /f, pentru a obține o expresie explicită pentru distanța focală.

Comportamentul de încredere al oglinzilor parabolice le permite să fie utilizate în mai multe scopuri diferite. Unul dintre cele mai „obișnuite” articole este lanterna simplă; având o sursă de lumină la punctul focal al unei oglinzi parabolice care o înconjoară, lumina emisă se reflectă de pe oglindă și iese din cealaltă parte paralel cu axa optică. Acest design înseamnă că, în esență, nici o lumină produsă de bec nu este „irosită” și toată aceasta iese din capătul lanternei.

Aragazele solare funcționează într-un mod foarte similar, cu excepția faptului că concentrează razele paralele de la soare către punctul focal al oglinzii parabolice. Acesta este un mod foarte eficient (și ecologic) de a genera căldură, iar dacă așezați o oală de gătit direct la punctul focal, atunci aceasta absoarbe energia reflectată din întreaga parabolă. Unele aragazuri solare folosesc alte forme pentru suprafața reflectorizantă, dar după cum ați aflat, parabola este într-adevăr cea mai bună alegere în ceea ce privește eficiența.

Antenele satelitare și radiotelescoapele funcționează în esență la fel ca aragazele solare, cu excepția faptului că sunt proiectate pentru a reflecta lumina lungimii de undă radio în loc de lumina vizibilă. Formele parabolice ale ambelor sunt concepute pentru a reflecta lumina pe un receptor, care este poziționat la punctul focal al vasului. Atât radiotelescoapele, cât și antenele satelitare fac acest lucru din același motiv: pentru a maximiza numărul de unde pe care le detectează.