Почему сферические зеркала применяются в сфере безопасности?

Почему сферические зеркала применяются в сфере безопасности?

Ограниченный обзор повышает риски возникновения несчастных случаев,
дополнительный обзор повышает безопасность

Сферическое зеркало — зеркало с гладкой отражающей поверхностью, которая представляет собой поперечное сечение воображаемой сферы.  

В России использование выпуклых сферических зеркал становится стандартной практикой: сферические зеркала применяются для обеспечения дорожной безопасности, безопасной эксплуатации промышленного транспорта, для наблюдения с целью охраны и в некоторых других случаях.  

Чем же так хороши сферические зеркала и чем они отличаются, например, от традиционных простых плоских зеркал, которые более известны и широко применяются человеком в различных сферах его жизнедеятельности?

Физические свойства сферических зеркал

Чтобы получить ответ на поставленный вопрос, рассмотрим принцип работы сферического зеркала. 

Зеркала безопасности имеют выпуклую форму. С точки зрения оптики сферическое зеркало — это аналог рассеивающей линзы. Лучи, исходящие от источника света, попадая на поверхность предметов, отражаются от них во многих различных направлениях. 

Лучи, которые попадают на поверхность сферического зеркала, отражаясь от него, расходятся, как показано на иллюстрации ниже.

Рассмотрим схему подробнее. Область зеркальной поверхности отмечена серым цветом. Падающие на поверхность зеркала лучи обозначены литерами AB и DE. Угол падения — угол между падающим лучом и перпендикуляром к зеркалу. Перпендикуляр к поверхности зеркала — радиус сферы, частью которой является зеркальная поверхность, и его продолжение. Чтобы построить отраженные лучи, в точках падения строим перпендикуляры к зеркалу OBG и OEH. Затем строим отраженные лучи GBC и HEF, равные лучам падения. 

Площадь, обозревая наблюдателем, благодаря отражению на выпуклом зеркале, больше, чем площадь, обозреваемая с помощью плоского зеркала того же диаметра при том же расположении зеркала и глаза. 

Поле зрения плоского зеркала определяется только площадью его отражающей поверхности. Поле зрения при этом определяется как угловое пространство, видимое глазом при фиксированном взгляде и неподвижной голове.   

Для наглядного сравнения полей зрения два зеркала должны быть одного размера, и глаз должен располагаться на одинаковом расстоянии от каждого из них, как показано на рисунке ниже.

Аналогично предыдущей схеме, когда прочерчены углы отражения, должны быть прочерчены равные углы по другую сторону перпендикуляров, чтобы показать положение падающих лучей. 

Максимальный угол зрения получается, когда угол отражения в зеркале максимален, т. е. когда перпендикуляры к зеркалу построены по краям зеркала.
Из рисунка видно, что обзорное зеркало обеспечивает большее поле зрения, нежели плоское зеркало равного диаметра.

Угол падения луча на выпуклое зеркало больше угла падения луча на плоское зеркало, и поэтому выпуклое зеркало имеет большее поле зрения, чем плоское.
Увеличение угла обзора достигается благодаря выпуклой форме сферического зеркала, т.к. угол между глазом и перпендикуляром к сферической поверхности всегда будет больше, чем в плоском зеркале в той же точке. За счет увеличения угла падения и отражения и угол обзора больше.

Изображение в выпуклых зеркалах всегда мнимое и прямое, а объекты выглядят уменьшенными, в отличие от изображений в простых плоских зеркалах, которые создают зеркальное отображение тех же самых размеров, что и оригинальный объект.  Эти наблюдения также были подтверждены физическими опытами и экспериментами.
Построим изображения одного и того же объекта в простом плоском зеркале (на рисунке слева) и выпуклом сферическом зеркале (на рисунке справа). 

Для наглядности и простоты построения изображений возьмем в качестве объекта стилизованную контурную фигурку человека высотой АВ (=А₁С₁), при этом продолжения отраженных лучей, показанные на рисунках пунктирными линиями, дадут нам изображения объектов. 

Действительно, из рисунка видно: высота изображения А₁В₁ равна высоте объекта АВ, а форма и ориентация изображения аналогичны объекту.  

В отличие от плоского зеркала, выпуклое сферическое зеркало формирует уменьшенные изображения оригинальных объектов, сохраняя при этом подобную им форму и пространственную ориентацию. 

Особенность уменьшать изображения делает выпуклые сферические зеркала полезными для целей наблюдения: в выпуклом сферическом зеркале все предметы кажутся меньшими, тем самым охватывается более широкая область при обзоре, поскольку зеркало как бы «сжимает» изображение, что дает возможность увидеть в сферическом зеркале больше. По этой причине выпуклые сферические зеркала часто называют обзорными зеркалами. 

Косвенным подтверждением свойства выпуклых сферических зеркал уменьшать изображение, является кажущаяся удаленность объектов, наблюдаемых водителями в боковых автомобильных зеркалах. Каждому, кто управляет автомобилем, известно, что изображения других автомобилей, наблюдаемые в боковом сферическом зеркале, всегда кажутся дальше, чем они есть на самом деле. Происходит это потому, что водитель видит в зеркале уменьшенное изображение другого автомобиля и поэтому ему кажется, что автомобиль находится дальше, чем он есть в действительности. 

Стоит отметить, что существует зависимость: чем больше диаметр зеркала, тем больше обзора оно дает, а также лучше распознаются отражающиеся предметы. В то же время площадь обзора выпуклого сферического зеркала зависит не только от площади зеркальной поверхности, но и от высоты выпуклости. С увеличением этого значения увеличивается отражающая поверхность зеркала, и соответственно, увеличивается обозреваемая площадь. 

Также важным преимуществом, влияющим на эффективность использования дорожных и обзорных зеркал безопасности, является материал, из которого их изготавливают — прочный акриловый или поликарбонатный пластик, благодаря которому зеркала приобретают свойства: относительно небольшой вес и вандалозащищенность.

Применение сферических зеркал

В зависимости от области применения различают выпуклые сферические зеркала: зеркала заднего вида в автомобиле, дорожные зеркала безопасности, обзорные и купольные зеркала для помещений. 

Сферические зеркала дорожные, купольные и обзорные для помещений используются с целью снижения возможного травматизма и аварийности в следующих случаях:
— в производственных помещениях (цеха, склады и т.д.) с внутризаводским транспортом, при наличии пересечений транспортных и пешеходных потоков;
— на перекрестках и крутых поворотах дорог, в зонах въезда и выезда автотранспорта с различных территорий, при ограниченном обзоре для пешеходов и водителей;
— в подземных (многоэтажных) гаражах и местах парковки автомобилей.

Кроме этого, зеркала безопасности могут применяться для наблюдения операторов за работой технологического оборудования, а также с целью охраны в торговых залах и на других объектах.