Květen 2023 - "Barevný svět"

Svět bez barev by byl jako jídlo bez chuti. Pojďme jim více porozumět. Protože svět je krásnější, když víte, jak funguje.

Vzlínání barev 

Jednoduchý, hezký a téměř bezobslužný pokus využívá jev jménem kapilarita. Díky povrchovému napětí voda šplhá po tkaninách do celkem slušných výšek. Známe to všichni, když se brodíme rozmoklým sněhem a máme pak nohavice mokré až ke kolenům. 

Vezměte si tři skleničky. Do dvou z nich dejte vodu a třetí nechte prázdnou. Vodu ve sklenicích obarvěte různými potravinářskými barvivy, ale pozor, nepřežeňte to. Barviva jsou sytá a bude vám stačit jen pár zrnek. Méně obarvená voda dělá hezčí efekty. Vezměte si dva kapesníčky, srolujte je a ponořte vždy z jedné strany do obarvené vody a z druhé strany do prázdné skleničky.
Pokus trvá poměrně dlouho, voda pomalu šplhá až k okraji sklenice, a pak se pomalinku začne přečerpávat do další sklenice. Pokud se barvy dostanou k sobě, začnou se míchat. Asi nejhezčí kombinace barev je žlutá a modrá, ze kterých se smíchá zelená. Ale vyzkoušejte i červenou a modrou, z nich se vám umíchá fialová. 

Hladina vod ve všech skleničkách se vám po pár hodinách ustálí ve stejné výšce. Můžete tak s dětmi mluvit o spojených nádobách.

Vzlínání na začátku.

Vzlínání po pár hodinách.

Už při vzlínání se barvy vzájemně krásně promíchávají. To si ostatně můžete zkusit i jen tak. Obarvěte si vodu v několika sklenicích několika různými potravinářskými barvami, něpříklad žlutou, modrou a červenou. Opět spíš ne moc sytě. A pak je slévejte dohromady. Ze žluté a modré bude zelená. Z modré a červené bude fialová a z červené a žluté bude oranžová. Můžete si hrát i s jinými kombinacemi barev a samozřejmě i s odstíny podle toho, kolik které barvy kam namícháte. 

Jde to udělat ale i jinak. Můžete si vzít malou a velkou sklenici s vodou, každou obarvit jiným barvivem a pak je vkládat do sebe. Dívejte se pak skrz sklenice do světla, abyste viděli, jaké barvy vzniknou.

Fyzikálně jde ve všech těchto případech o míchání barev. Barviva jsou pro světlo jakýmsi filtrem. Přes obarvenou vodu tak projde jen světlo určitých barev. Když si vezmeme kombinaci modré a žluté, děje se toto: Přes žlutou vodu projde červené a zelené světlo. Naše modré barvivo má v sobě i zelenou složku a projde přes něj jak modré, tak i zelené světlo. Když je dáme dohromady, projde už jen právě ta barva světla, kterou mají oba společnou, tedy zelená.

Průchod světla přes červené a modré barvivo.

Průchod světla přes žluté a modré barvivo. 

Mikroskopování telefonu

Téma barviček je možné hezky uvést mikroskopováním telefonu. Jednoduchý a levný USB mikroskop snadno připojíte k počítači a můžete rovnou snímat jakýmkoli softwarem pro USB kamery. Jistě ho oceníte při zkoumání světa i v dalších oblastech fyziky.

Obrázek 1: USB mikroskop

Aby byly pixely dobře vidět, musí mít telefon nastaven maximální jas obrazovky. Ač výrobci deklarují tisíce a někdy dokonce více než 16 milionů barev, zjistíte s dětmi, že ve skutečnosti mají pixely barvy pouze tři. Je to červená, modrá a zelená a dokonce jsou na všech typech telefonů všechny ve stejném konkrétním odstínu

Obrázek 2: Barevné pixely různých telefonů vyfocené USB mikroskopem

Je jasné, že tato světla se nějak míchají a vytváří vjem dalších barev. Barevná škála telefonu je pak jen daná krokem, kterým telefon umí jednotlivé subpixely pohasínat nebo zjasňovat. Jak to ale v našem oku funguje a jak to interpretuje mozek? A proč se místo takzvaný RGB barev nepoužívají barvy jiné? To už vyžaduje složitější odpověď

Jak vnímá člověk barvy

Lidské oko vnímá světlo pomocí dvou druhů buněk na své sítnici - tyčinek a čípků. Tyčinky jsou buňky, které vnímají jenom intenzitu světla, na všechny barvy jsou citlivé stejně a vidí tedy jen černobíle. Naopak čípky existují trojího druhu podle citlivosti na konkrétní barvy. Jeden druh je nejcitlivější na červenou oblast barev, druhý je citlivý v zelené části spektra a třetí v modré části spektra. Citlivost jednotlivých čípků ukazuje následující obrázek.

Obrázek 3: Barevná citlivost lidského oka

Pokud do našich očí dopadá červené světlo, podráždí červené čípky a ty pošlou mozku signál, že vidí. To samé se stane s modrou a zelenou barvou.

Žluté světlo leží v duze mezi červenou a zelenou. Spadá do citlivosti červených i zelených čípků, ale nikoliv modrých. Dopadne-li do našich očí žluté světlo, vybudí signál v červených a zelených čípcích, ale modré ho neuvidí.

Podobně to dopadne s tyrkysovým světlem. To je v duze mezi modrou a zelenou a mohou ho tedy detekovat modré a zelené čípky.

Bílé světlo obsahuje všechny barvy duhy. Musí být proto schopné podráždit všechny tři typy čípků v našich očích. Pokud tedy vidí červené, modré i zelené čípky, vnímáme ho jako bílé světlo.

Co vidí mozek

Nemůžeme to chápat tak, že bychom viděli jen červenou, zelenou a modrou barvu. Mozek si signály z jednotlivých čípku skládá a výsledek nějak interpretuje. Jediné, co mozek ví, je, kolik světla vidí modré, zelené a červené čípky.

Vidí-li světlo zároveň červené, zelené i modré čípky, pak nám musí do očí dopadat světlo obsahující všechny barvy, tedy světlo bílé barvy. Pokud ale mozek ví, že pouze červené čípky jsou ty jediné, které vidí světlo, je jasné, že se díváme na červené světlo. Stejné je to se zelenou a modrou barvou.

Obrázek 4: Obrázek světel a sítnice a mozku

Pokud ale mozek ví, že světlo vidí červené i zelené čípky, interpretuje to jako žlutou barvu. Jakým způsobem ale byly červené a zelené čípky nabuzeny, to mozek neví a mohlo se stát hned několik možností. Do našich očí může dopadat červené a zelené světlo, ale žádné žluté světlo. Může do nich dopadat jen úzký proužek žluté části duhy, ale žádné červené ani zelené světlo. Může do něj dopadat všechno světlo od červené do zelené včetně žluté. Která možnost nastala, mozek neví. Ve všech případech ale díky interpretaci mozku vidíme žlutou.

Podle této logiky mozek rozlišuje i odstíny. Pokud vidí zelené čípky více světla než ty červené, dopadá nám nejspíš do očí světlo, které je v duze posunuté od žluté směrem k zelené. Pokud ale vidí červené čípky více světla, bude ono světlo posunuté spíš k červené a tedy od žluté do oranžové.

Obrázek 5: Různá množství červeného a zeleného světla (nahoře) a různé spektrální zdroje vytvářející stejný vjem žluté

S modrou a zelenou je to podobné. Pokud vidí zelené a modré čípky, mozek nám nabídne barvu, která je v duze mezi modrou a zelenou, tedy tyrkysovou. Složitější situace nastane, pokud vidí pouze červené a modré čípky, ale zároveň zelené čípky světlo nevidí. Pokud bychom pokračovali podle stejné logiky, mozek by opět měl vidět barvu, která je v duze mezi červenou a modrou. Tou barvou je zelená. Jenže zelené čípky žádné světlo nevidí, takže zelená barva nám do očí určitě nesvítí. Mozek to vyřeší tak, že si vymyslí barvu, která v duze není. Této barvě se říká purpurová nebo magenta.

Odraz světla od barevných předmětů

Jak se stane, že vidíme červené rajče a zelenou okurku? Na okurku dopadá světlo všech barev. Abychom před sebou viděli zelenou, musí do našich očí dopadat jen zelené světlo. Povrch okurky tedy ze všeho dopadajícího světla odráží jen zelenou. Ostatní barvy, červenou a modrou, pohlcuje a neodráží je.

Červené rajče odráží červenou a pohlcuje zelenou a modrou. Žlutá pampeliška se nám zdá žlutá. Proto musí do našich očí odrážet ty barvy, které nám v mozku vytváří žlutou. Těmi jsou červená spolu se zelenou.

Bílé předměty musí odrážet světlo jakékoliv barvy. Čím více světla předmět odráží, tím světlejší se nám zdá. Funguje to i naopak. Černé předměty všechno světlo pohlcují a žádné neodráží.

Tato jednoduchá pravidla si můžeme vychutnat, když ve tmavé místnosti začneme svítit barevnými světly na barevné předměty. Pokud předmět barvu našeho světla odráží, bude se nám zdát světlý, jasný. Pokud ale tuto barvu pohlcuje a neodráží, uvidíme ho tmavý až černý.

Červená paprika bude pod červeným světlem zářivě jasná, ale pod modrým a zeleným světlem ztmavne. Žlutý banán bude světlý pod zeleným a červeným světlem. V modrém světle bude ale tmavý. Samostatnou kapitolou je nechat děti třídit lentilky podle barev pod barevným osvětlením.

Pokud nemáte možnost zatemnění, můžete se zkusit na barevné předměty podívat přes barevné filtry nebo folie. Přes červenou folii projde jen červené světlo a přes modrou jen modré. Červené jablko odráží jen červené světlo. Při pohledu přes červenou folií se tedy bude jevit světlé, ale za modrou folií bude tmavé.

Obrázek 6: Pohled na svět pod zeleným, červeným a modrým světlem.

V semináři svítíme jasným barevným světlem na nápis Y/A na bílém papíře. Bílý papír musí odrážet každé světlo, kterým na něj posvítíme. Červené písmeno ale odráží jen červenou a modré jen modrou. Pokud papír nasvítíme červeným světlem, papír ho odrazí a bude se nám zdát červený. Červené písmeno na červeném papíře zmizí. Modré písmeno ale červenou pohlcuje. Bude se nám zdát černé a na červeném papíře bude dobře vidět. Když vyměníme červené světlo za modré, písmena se vystřídají.

Barevnými světly můžete také svítit na barevně tisknutá zvířátka na bílém papíře. Je potřeba vyladit barvu tisku, aby odpovídala barvě vašeho světla (každá barevná tiskárna to bude mít trochu jinak), ale pokud se vám podaří světlo a tisk sladit, získáte hezký efekt. Děti mohou zkoumat pod kterou barvou světla jim mizí různě barevná zvířata. Zdrojům barevného světla věnujeme samostatnou část.

Obrázek 7: Barevná zvířátka

Jak vnímají barvy zvířata

Oko každého druhu živočichů se vyvinulo jiným způsobem. Například pes nebo kočka mají pouze dva druhy čípků, v zelené a modré oblasti. Svět je pro ně tedy spíše modrozelený a pokud se dívají na červený míček, vidí ho jako černý. Dávejte si proto pozor, jakou barvu míčku házíte svému miláčkovi do zelené trávy.

Obrázek 8: Fotografie louky, jak ji vidí člověk (vlevo) a pes (vpravo). Květina, jak ji vnímá člověk (vlevo) a kolibřík (vpravo).

Jsou druhy, kterým se barevné vnímání vytvořilo ještě širší, než má člověk. Některý hmyz nebo ptáci, kupříkladu včela a kolibřík, vidí až do blízké ultrafialové oblasti, které člověk přiřadit barvy neumí. Obrázek č. 9 ukazuje, jak bychom si jejich svět mohli představit.

Druh, který vidí svět nejbarevněji, nenajdete v říši savců. Jedná se o langustu (strašek pavý) žijící na korálových útesech. Její oči mají až 16 světlocitlivých druhů buněk.

Míchání světel RGB

Míchání barev máme ze zkušenosti spojené s mícháním barviv a pigmentů. Naše zkušenost velí, že pokud smícháme dvě barvy dohromady, výsledkem je tmavší barva. Proto také malíři používají k míchání světlé barvy a hlavně spoustu běloby.

Míchání světel je ale pravým opakem této zkušenosti. Pokud přes sebe přeložíme dva světelné kužely, výsledkem musí být více světla a tedy světlejší barva. Opět to budeme popisovat tak, jak to vidí naše oči a interpretuje náš mozek. K míchání světel budeme používat barvy, které většina z nás zná jako základní - červenou, modru a zelenou. V angličtině Red, Green a Blue, tedy RGB.

Pokud do jednoho místa svítí modré a červené světlo a odráží se do našich očí, musí nám v očích podráždit modré a červené čípky a my uvidíme purpurovou barvu neboli magentu.

Pokud takto přeložíme přes sebe červené a zelené světlo, v oku dojde k podráždění červených a zelených čípků a my uvidíme žlutou. Modré a zelené světlo vytvoří na zdi modrozelenou barvu.

Obrázek 9: Míchání světel RGB – červená, zelená a modrá

Tam, kde se překrývají všechna tři světla, vznikne oblast, ze které do našich očí dopadá červené, zelené i modré světlo. Naše oči tuto plochu uvidí jako bílou. Opět připomínáme, že takto funguje míchání světel, nikoliv míchání barviv. Pokud bychom smíchali červenou, zelenou a modrou temperu, získáme hodně tmavou až černou barvu.

Tímto způsobem míchají barvy téměř všechny barevné displeje, ať už v televizi, na monitoru u počítače nebo ve vašem mobilním telefonu. Každý pixel sestává ze tří svítících plošek - červené, zelené a modré. Jas těchto plošek se mění podle toho, jakou výslednou barvou má pixel svítit.

To, že se v barevných displejích používá právě červená, zelená a modrá, má samosebou příčinu právě v tom, jak vidí naše oko. Pokud si naše oči skládají barvy z těchto tří základních barev, nedává žádný smysl používat v displejích jakékoliv jiné barvy. Volba červené, zelené a modré je dána tím, že se na displej dívají lidé. Jíní živočichové ale nemusí mít stejný barvocit. Například pes nebo kočka vidí pouze ve dvou barevných kanálech (modrá a žlutá), červené pixely by jim tak byly k ničemu.

Zdroje barevného světla

V této části představíme několik možností, jak získat pro výuku zdroje barevného světla.

Barevné filtry představují nejprostší cestu, jak z bílého světla odříznout jen ty barvy, které chceme. My používáme osvětlovačské filtry firmy LEE Filters. Jsou dostupné v mnoha barvách a velikostech. Důležité je ale hlavně to, že jejich katalog obsahuje také spektrum filtru. Můžeme si tedy přesně vybrat, které barvy má filtr propouštět a které ne. V česku je dodává například firma Prodance, jejíž eshop zobrazuje u filtrů také jejich spektra. Pro naše účely jsou vhodná tato katalogová čísla a jména filtrů:

Červená: č. 029, název "Plasa red"

Zelená: č. 139, název "Primary green (světlejší)"

Modrá: č. 716, název "Mikkel blue"

Žlutá: č: 101, název "Yellow"

Tyrkysová: č. 116, název "Medium blue-green"

Magenta: č. 797, název "Deep purple"

Tyto filtry můžeme nalepit například na kapesní svítilnu, přes ledku telefonu nebo na lampičku. Získáme tak zdroj světla konkrétní barvy. Nevýhodou ovšem je fakt, že pro různé barvy musíme měnit filtry nebo používat více zdrojů světla.

RGB LED neboli barevné ledky jsou druhou možností. Za nevelké peníze můžete pořídit RBG barevný ledkový pás i s dálkovým ovládáním pomocí kterého můžete nastavovat barvu, kterou ledky svítí. Existují i kompaktní provedení RGB ledek, které lze zašroubovat do stolní lampičky a barvu také ovládat dálkovým ovladačem.

Osvětlovací technika je profesionální varianta v řádu vyšších stokorun. Jedná se o efektová barevná světla pro osvětlování divadel a koncertů. Tato cesta je komplikovanější na řízení barev, které je možné pomocí přepínačů přímo na světle nebo dálkovým řízením z osvětlovacího pultu. Pokud chcete se světlem a barvami provádět složitější věci, tato cesta se vyplatí. Pokud chcete pouze smíchat barevná světla a posvítit si barevným světlem na ovoce, doporučujeme kterékoliv jednodušší řešení.

Barevné tiskárny a CMYK

Barevná tiskárna nepoužívá k tisku červenou, zelenou a modrou. Tisk na nás totiž nesvítí, ale naopak odebírá světlo, které se odráží od bílého papíru. Když jsme míchali světla, vznikala nám vždy světlejší barva. Tiskárna ale vrství pigmenty (barviva), takže nám musí vznikat tmavší barva. Proto v tiskárně musíme používat světlejší barvy. Tedy filtry, které propouští více barev.

Tiskárny používají žlutou, tyrkysovou a magentu (v angličtině Cian, Magenta a Yellow, tedy CMY). To jsou právě ty, které získáme mícháním červeného, modrého a zeleného světla. Pokud se v tomto textu už orientujete, mělo by být jasné, jak se z nich získají ostatní barvy. Ukážeme si to opět na barevných osvětlovačských filtrech.

Přes žlutý filtr projde červené a zelené světlo, modré světlo se pohltí. Přes magentový filtr projde modré a červené světlo, ale zelené se pohltí. Přes tyrkysový filtr projde jen zelené a modré světlo.

Obrázek 10: Průchod světla přes barevné CMY filtry

Položme nyní dva filtry přes sebe. Vyberme například filtr žlutý a magentový. Přes žlutý filtr projde červená a zelená. Přes magentový filtr projde červená a modrá. Přes oba filtry tedy může projít jen červené světlo. Když tyto filtry položíme přes sebe, uvidíme červenou. Ostatní barvy si určitě zvládnete takto rozebrat sami.

Obrázek 11: Průchod světla přes dva barevné CMY filtry

Obrázek 12: Pohled přes osvětlovačské CMY filtry: tyrkysový, žlutý a magentový

Afterimage

Anglické slovo afterimage (česky bychom přeložili jako následný obraz) je efekt který pozorujeme pokud se podíváme do příliš jasného zdroje světla. Například do žárovky nebo do slunce. Jde o ony barevné mžitky před očima, které nám chvíli zůstávají v zorném poli. Jejich původ je daný tím, jak oko detekuje světlo na molekulární úrovni.

Jak vlastně čípky v naší sítnici reagují na světlo? V čípku jsou molekuly rodopsinu (opět jsou tři druhy rodopsinů). Pokud tato molekula pohltí světlo, překlopí se její tvar mezi stavy, které chemici popisují jako cis a trans. Jednoduše si to můžeme představit jako plíšek, ve kterém to lupne a přeskočí. V trans stavu molekula setrvá po krátkou dobu a během této doby nemůže pohltit další světlo. Po uplynutí této relaxační doby se překlopí nazpět do stavu cis a může opět vidět. Tyto vlastnosti nyní začneme využívat a zneužívat.

Představme si, že se upřeným zrakem díváme na modře svítící displej. V našich očích se spotřebovává modrý rodopsin. Když se pak podíváme na bílou zeď, měli bychom vnímat, červené, zelené a modré odražené světlo stejně jasně. Modré světlo teď ale nemáme jak a čím vnímat. Proto před sebou na zdi uvidíme afterimage - obdélník červeného a žlutého světla, tedy žlutý obdélník.

Pokud tento efekt chcete dotáhnout k dokonalosti, je dobré se naučit základní manipulaci s obrázky v počítači. Nejprve potřebujete hodně barevný přehledný obrázek. Výborné jsou vlajky, my používáme obrázek babočky pavího oka nebo letícího papouška. Z tohoto obrázku vytvoříme dvě verze. První bude ta, na kterou se budeme upřeně dívat. Ta má spotřebovat rodopsin těch barev, které pak v afterimage nechceme vidět. Potřebujeme tedy z našeho původního obrázku vytvořit negativ (některé editory to nazývají inverze barev). V tomto negativu také potřebujeme mít něco, na co se naše oči zafixují, aby netěkaly (náhodné pohyby očí by afterimage rozmazaly). Stačí malý puntík kontrastní barvy uprostřed obrázku.

Obrázek 13: Původní obrázek motýla

Obrázek 14: Negativ obrázku motýla

Obrázek 15: Negativ obrázku motýla s invertovanými barvami

Už takto by afterimage fungoval při pohledu na bílou zeď. Efekt ale ještě vylepšíme zvýšením kontrastu. Druhý obrázek, který k tomu použijeme bude černobílá verze původního obrázku (některé editory tomu říkají desaturace). Černobílý obrázek nám dodá kontrast a kontury a afterimage v naší sítnici vytvoří dojem barev, které ale v obrázku, na který se díváme, vůbec nejsou.

Při provedení se studenty doporučujeme nechat je hledět na negativ alespoň deset sekund (čím déle, tím lépe). Efekt je také lepší když se dívají z tmavé místnosti na jasný obraz. Hezky funguje i opakované provedení pokusu, kdy požádáme část žáků, aby při promítání negativu zavřeli oči a otevřeli je až na černobílou verzi. Tito žáci ověří, že nepodvádíme a opravdu promítáme černobílý obrázek a nikoliv animaci. Hezké je, že v tu chvíli máte část studentů, která je nadšená právě proto, že pro ně efekt nefunguje.