FÜÜSIK SELGITAB ⟩ Miks kassi silmad öösel hirmuäratavalt hiilgavad?

Kasside silmad võivad paista erinevate nurkade alt erinevat värvi, kuid inimese silmad kipuvad peegelduma punaselt. Punasilmsust saab aga piltidel teatud nippidega vältida Foto: Jaan Kalda

• Kas liiklusmärkide helendamise ja hiilgavate silmade vahel leiab sarnasusi?
• Miks inimese silmad jäävad fotol mõnikord punased?
• Millest sõltub hiilgava silma värv ja kelle silmad öösel eriti hirmutavad tunduvad?

Hämaras autoga sõites juhtub, et näeme pimeduses helendavaid silmi. Mis loom seal meie suunas vaatas ja seejärel põõsasse puges, seda tavaliselt ei tea. Mõned silmad on värvi poolest punased, teised sinised, mõned helklevad kollakad-sinikad. Miks see nii on, seda selgitab Tallinna Tehnikaülikooli professor ja füüsik Jaan Kalda.

Miks kassi, rebase või mis tahes looma silmad hämaras-pimedas hiilgavad ning miks mõnikord, kui meist pilti tehakse, jäävad fotol silmad hoopis punaseks?

Selgub, et silm toimib enam-vähem samamoodi nagu liiklusmärk, millel on tagasipeegeldumise omadus ehk mis suunab peale langeva valguse otse tagasi. Just seetõttu helendavad liiklusmärgid ja helkurid meile juba hästi kaugelt. Liiklusmärkide valmistamisel on oma tehnoloogiad, mis on kassi silmadest erineva toimemehhanismiga.

Alustame liiklusmärkidest ja helkuritest.

Peeglit helkuriks või liiklusmärkides kasutada ei saa, sest see, mis suunas peegeldunud valgus levib, sõltub peegli orientatsioonist. Liiklusmärgid ja helkurid aga peavad suunama valguse peaaegu otse tagasi: autolaternate valgus peab peale liiklusmärgilt või helkurilt hajumist jõudma roolis oleva juhi silma. Kui liiklusmärk või helkuriga jalakäija on kaugel, siis suund laternast liiklusmärgini (helkurini) on peaaegu sama ja vastassuunaline, kui suund liiklusmärgist (helkurist) juhi silma. Tavalised pinnad hajutavad peale langeva valguse kõikvõimalikes suundades ja seetõttu jõuab juhi silma väga vähe: kauged objektid näivad mustana.

Nn tagasipeegeldavad (ingl k retroreflective) pinnad aga suunavad valguse peaaegu täpselt tuldud suunas tagasi teatud kitsasse valguskoonusesse, sõltumata selle pinna ja langeva valguse vastastikusest orientatsioonist. Mida kitsam on see valguskoonus, seda heledam näib valgusvihus asuv ese, sest siis läheb vähem valgust «raisku».

See koonus ei tohi olla aga liiga kitsas, sest siis võivad autojuhi silmad jääda juba tagasisuunatud valguse koonusest välja. Kvaliteetsetel helkurmaterjalidel ongi valguskoonus just parajalt kitsas.

Tagasipeegeldavate pinnakatete jaoks on kaks põhimõtteliselt erinevat tehnoloogiat.

Üheks neist on pinna katmine tillukeste klaaskuulikestega, mis, nagu selgub, peegeldavad märkimisväärse osa valgusest otse tagasi. Kiirte käik sellistes kuulikestes on sarnane kiirte käiguga veetilkades vikerkaare puhul: valguskiir siseneb kuulikesse, peegeldub tagaseinalt ja väljub seejärel jälle kuulikesest, suundudes peaaegu tuldud teed tagasi, nagu joonisel.

Foto: Jaan Kalda

Valguse tagasilevimise suund sõltub kuulikeste materjali murdumisnäitajast ning valguskiire sihi ja kuulikese keskpunkti vahekaugusest. Kuulikese murdumisnäitaja valitakse selline, et valguskoonus oleks võimalikult kitsas, aga väga kitsast koonust (joonisel näidatud kollase värviga) see tehnoloogia ei võimalda.

Kui näiteks kõndida kastesel ööl ringi, kui vesi on hakanud kondenseeruma lehtedele ja rohulibledele ning kui peas on pealamp, siis võib märgata, et rohulibled helendavad ebaloomulikult tugevalt – võrreldes nende pindadega, kus kastet pole moodustunud.

Kastepiisad toimivad sarnaselt tagasipeegeldava kattematerjali kuulikestega, aga et vee murdumisnäitaja pole piisavalt suur (kaugel optimaalsest), siis on tagasipeegeldamise koonus võrdlemisi suur ja reflektormaterjalide normatiividele vastamisest on asi väga kaugel.

Teine ja märksa paremaid tulemusi andev tehnoloogia kasutab kuubikujulisi vorme ja täielikku sisepeegeldust. Läbipaistvast materjalist kihile on antud selline vorm, kus üks külg on täiesti sile, aga vastasküljele on pressitud kuubi tipu kujulised õnarused. Sellest, kuidas asi toimib, on kõige parem aru saada alloleva skeemi abil, kus on kiirte käik kujutatud ruumilise joonise asemel tasapinnaliselt ning kuupide asemel on ruudud.

Nagu jooniselt on näha, siis ükskõik, kuhu iganes see valgus ka ei lange või mis suuna alt ei tule, peegeldub see kuubi tipu kolmelt seinalt (joonisel kujutatud versioonis ruudu tipu juures olevalt kahelt servalt) täpselt tagasi. See tehnoloogia lubab saada väga kitsast tagasipeegeldunud valguse koonust, mille laiuse määravad ära kas ebatäpsused kuubi seinte orientatsioonides või valguse difraktsioon. Kõige kvaliteetsemad reflektormaterjalid kasutavadki just seda tehnoloogiat.

Foto: Jaan Kalda

Silma hiilgamine sõltub läätsest

Kassi silmades ei ole muidugi ei üht ega teist lahendust, vaid nii inimese, kassi kui ka kõigi loomade silmades on lääts.

Mida silmalääts teeb? See koondab silmale langeva valguse ühte punkti silma võrkkestal. Kas see koondub nüüd täpselt punktiks või mitte, sõltub sellest, kui täpselt on valgus fokuseeritud.

Kui meie pilk peatub laual olevatel asjadel, siis nii kaugemal kui ka lähemal olevad asjad on veidi udused. Kes on lühi- või kaugenägelikud, need teavad, et nad ei saagi teatud juhtudel teravat pilti ette. Terav pilt tähendab seda, et valgus fokuseerub peaaegu täpselt punktiks.

Kui nüüd kass vaatab auto suunas, siis auto lambist tulev valgus ei pruugi fokuseeruda võrkkestal punktiks, vaid laiguks.

Nüüd tasub meenutada, et igasugune lääts (luup) suudab suurendada. Kui vaatame läbi läätse, siis näeme seda, mis läätse taga on suurendatult. Silmalääts ei ole erand, ka see suurendab võrkkestal olevat kujutist, kui me silmaläätsest sisse üritame vaadata. Kui me vaatame peaaegu samast suunast, kust lambi valgus tuleb, näeme läbi silmaläätse just seda kohta võrkkestal, kuhu lamp tekitab valguslaigu: nii näemegi selle valguslaigu suurendatud kujutist.

Kui me vaataksime seda kujutist väga lähedalt, siis näiks see silmaavaga võrreldes väike, aga kaugelt vaadates täidab helendav kujutis terve silmaava.

Vastus selles peitubki: silma helendumine (sh kassi või rebase silmade hiilgamine öisel ajal) tuleb sellest, et me näeme läbi silmaläätse silma võrkkestal tekkinud heleda laigu suurendatud kujutist, mis täidab terve silmaläätse.

Olgu siin ära toodud ka mõned asjakohased kassipildid.

Foto: Jaan Kalda

Välklambiga tehtud pildi puhul on sama lugu – siin tekib silma võrkkestale välklambi sähvatusest laik ja fotoaparaat püüab silmaläätse poolt suurendatud kujutise kinni.

Kassi rohekad või kollakad helendavad silmad võivad pildil olla väga toredad, kuid inimeste punased silmad näivad harilikult natuke hirmutavad.

Mida teha, kui ei taha pildile punaseid silmi?

Siin on kaks võimalust.

Esimene variant: välklamp tuleks viia objektiivist kaugemale.

Kui pildistatava inimese silmadele langev välklambi valgus tuleb peaaegu samast kohast, kust me vaatame (pildistame), siis näeme läbi silmaläätse sedasama osa võrkkestast, kuhu välklamp tekitab helendava laigu, sest valguskiir on pööratav: kui mina näen sinu silmi, siis näed sina ka minu silmi. Sellest punktist võrkkestal, kuhu langeb välklambi valgus, saab jõuda tagasi välklambini ning kui objektiiv on välklambi lähedal, siis jõuab mõni kiir ka objektiivini.

Kui välklamp on objektiivist kaugel, siis see enam nii poleks. Nii et üks võimalus ongi viia valgusallikas objektiivist kaugemale. Selleks aga oleks vaja juba professionaalset aparatuuri.

Teine variant: vaata õigesse kohta.

Nagu öeldud, sõltub võrkkestal tekkiva laigu suurus sellest, kas valgusallikas on teravalt fookuses või ei ole.

Millal see aga on teravalt fookuses? Siis, kui see inimene, keda pildistatakse, vaatab täpselt välklambi kaugusele.

Näiteks kui ma pildistan inimest, kes vaatab täpselt mulle otsa, siis ta fokuseerib täpselt sama kaugele, kui see välklamp asub, ning silma võrkkestale tekib väga väikene kujutis. Siis on suurem tõenäosus, et punaseid silmi ei teki, sest hele laik võrkkestal on pisike ning juba võrdlemisi väikesest välklambi ja objektiivi vahekaugusest võib aidata, et objektiivi juurest vaadates võrkkesta hele laik enam läbi silmaläätse ei paista.

Kui pildistatav aga vaatab aparaadist ja välklambist kas lähemale või kaugemale, tekib silma võrkkestale suurem laik ning mida suurem see on, seda kergemini tekib ka punaste silmade efekt.

Kellel on öösel kõige hirmutavamad silmad?

Nagu oleme näinud, on kassidel toredalt kollased või mõne nurga alt rohekalt hiilgavad silmad. See, kas silmad on hiilates punased, kollased või rohelised, sõltub võrkkesta värvist.

Kassidel kipuvad silmad olema ühe nurga alt vaadates natukene üht ja teisalt teist värvi – harilikult sinakates või kollakates toonides.

Ükskord öösel sõitsin, pealamp peas, läbi rannakarjamaa, kus olid lambad. See oli omaette elamus: lammaste silmad olid kergelt lillakat värvi ja kuna nende silmad on suured ning asetsevad üksteisest suhteliselt kaugel (vähemalt võrreldes inimese või kassiga), siis oli kogu vaatepilt, kui kõik lambakarja lambad sind seiravad, üsna hirmuäratav.

Kuidas õigesti luupi kasutada?

Enne oli jutuks, et läbi silmaläätse kui luubi vaadates täidab võrkkestal oleva tillukese heleda laigu suurendatud kujutis kogu silmatera avause. Sellest arusaamiseks on kasulik vaadelda kiirte käiku läätses. Kasutades läätse kui luupi mingi asja vaatamiseks, tekitab lääts selle eseme suurendatud kujutise nii, nagu on näidatud joonisel.

Foto: Jaan Kalda

See, kui kaugel läätsest kujutis tekib, sõltub läätse ja asja vahekaugusest.

Kui see on võrdne läätse fookuskaugusega, siis tekib kujutis lõpmatuses (st väga kaugel) ning on väga suur, sest läätse keskpunktist vaadates on eseme enda ja tema kujutise nurksuurused võrdsed (joonisel on see nurk näidatud musta punktiiriga).

Kui viia lääts esemele natuke lähemale, siis väheneb kujutise ja läätse vahekaugus ning vastavalt muutub väiksemaks ka kujutise suurus.

Kui paneme silma luubile lähedale, siis näeme läbi luubi tervet eset. Näiteks kui me vaatame joonisel punktist A, siis täidab ese vaid natuke üle poole luubi diameetrist (vt siniseid punktiirjooni) ning on seega tervenisti nähtav. Kui me vaatame punktist B, siis täidab ese terve luubi diameetri, kuid on endiselt nähtav.

Kui me aga vaatame veel kaugemalt, siis näeme läbi luubi ava vaid väikest osa kujutisest. Selle põhjal saab selgeks, et kõige parem ongi panna silm vahetult vastu luupi: luup suurendab esemeid ikka samamoodi, sõltumata sellest, kus paikneb silm, aga kui silm on vastu luupi, siis on vaateväli võimalikult suur.

Samuti saab niimoodi selgeks, kuidas saab eemalt vaadates võrkkestal asuva tillukese heleda laigu suurendatud kujutis täita terve silmaava.