Okręty podwodne przez dziesięciolecia używały peryskopu do obserwowania powierzchni morza z ukrycia — a cała zasada działania opiera się na dwóch lusterkach ustawionych pod kątem 45 stopni. Zbudowanie takiego urządzenia z kartonu zajmuje kwadrans i pozwala zaglądać za narożniki, przez ogrodzenia i ponad głowami tłumu.

Co nam będzie potrzebne?

  • Gruby karton (np. z pudełka po butach lub cereal box) — dwa kawałki o wymiarach ok. 10 × 30 cm
  • Dwa małe lusterka (np. kompaktowe, odłamki lusterka lub lusterka z zabawek) o wymiarach ok. 6 × 8 cm
  • Linijka i ołówek
  • Nożyczki lub nóż introligatorski z podkładką
  • Taśma klejąca lub klej
  • Czarny papier (opcjonalnie, do wyłożenia wnętrza tuby i wyeliminowania odblasków)

Jak wykonać doświadczenie?

Krok 1: Zaplanuj tubę peryskopową. Periskop składa się z prostokątnej tuby z dwoma okienkami — jedno w górnej części (przez które wpada światło z zewnątrz) i drugie w dolnej (przez które ty patrzysz). Wewnątrz, w górnym rogu i dolnym rogu tuby, montuje się lusterka pod kątem 45 stopni do osi pionowej tuby. Narysuj na kartonie dwa prostokąty o wymiarach 8 × 28 cm — to boczne ścianki tuby — oraz dwa prostokąty 8 × 8 cm na górę i dół.

Krok 2: Wytnij otwory na okienka. W jednej z dłuższych ścianek zaznacz dwa okienka: jedno w górnej części (ok. 5 × 5 cm, zaczyna się 2 cm od górnej krawędzi) i drugie w dolnej części (ok. 5 × 5 cm, kończy się 2 cm od dolnej krawędzi), ale po przeciwnych stronach — górne okienko po lewej, dolne po prawej (lub odwrotnie). Wytnij oba otwory nożyczkami.

Krok 3: Złóż tubę. Złącz boczne ścianki taśmą klejącą tak, żeby powstała prosta rura o przekroju prostokątnym 8 × 8 cm i długości 28 cm. Możesz zostawić jeden bok otwarty i zapiąć go po włożeniu lusterek — łatwiej będzie manewrować. Wnętrze tuby możesz wyłożyć czarnym papierem, żeby wyeliminować refleksy i uzyskać ostrzejszy obraz.

Krok 4: Zamontuj lusterka pod kątem 45 stopni. To kluczowy etap. Górne lusterko musi stać naprzeciwko górnego okienka (światło pada na nie z zewnątrz) i być odchylone pod kątem 45 stopni tak, żeby odbijało światło pionowo w dół przez tubę. Dolne lusterko musi stać naprzeciwko dolnego okienka i odbijać to samo światło poziomo w kierunku oka obserwatora. Naklej lusterka na kawałki kartonu złożone w trójkąt prostokątny (kąt przy podstawie = 45°) i wklej je w narożniki tuby taśmą dwustronną lub klejem.

Krok 5: Przetestuj periskop i wyreguluj. Trzymaj periskop pionowo, przyłóż oko do dolnego okienka i skieruj górne okienko w stronę czegoś jasnego. Powinieneś zobaczyć obraz — może być nieco ciemny lub lekko zniekształcony. Jeśli obraz jest pochylony lub odwrócony, sprawdź kąt lusterek: oba muszą być dokładnie po 45 stopni i równoległe do siebie. Poprawki: delikatnie przesuwaj lusterka i sprawdzaj obraz, aż będzie poziomy i wyraźny.

Wyjaśnienie naukowe

Periskop działa na zasadzie prawa odbicia światła: kąt padania promienia na lusterko jest równy kątowi odbicia, obydwa mierzone względem normalnej (prostopadłej do powierzchni lustra). Gdy lusterko jest ustawione dokładnie pod kątem 45 stopni do poziomego promienia światła, odbija go dokładnie pionowo w dół — a drugie lusterko, również pod kątem 45 stopni, odbija ten pionowy promień z powrotem w poziom, do oka obserwatora. Dwa odbicia po 90 stopni dają razem 180 stopni zmiany kierunku, dzięki czemu obraz jest przenoszony w dół i bocznie bez obrotu ani odwrócenia góra-dół.

Warto wiedzieć, że każde odbicie od lusterka odwraca obraz lustrzanie w osi prostopadłej do płaszczyzny odbicia. Jedno lusterko daje obraz lustrzany (lewa strona staje się prawą). Ale dwa lusterka w periskopie dają dwa lustrzane odbicia — a dwie symetrie wzajemnie się znoszą, przywracając obraz poprawny lewo-prawo. To dlatego w periskopie widzisz świat tak jak naprawdę wygląda, a nie jak w lustrze łazienkowym.

Pierwszy patent na periskop do celów wojskowych pochodzi z 1854 roku. Podczas I wojny światowej żołnierze w okopach używali prostych periskopów z lusterek i rurek, żeby obserwować teren bez wystawiania głowy na linię ognia. Okrętowe peryskopy rozwinęły się w precyzyjne instrumenty optyczne z soczewkami powiększającymi, pryzmatami zamiast płaskich luster (pryzmaty są dokładniejsze i nie rdzewieją) i wielometrową tubą. Współczesne okręty podwodne często zastępują klasyczny periskop kamerą wysuwaną na maszcie, ale zasada — obserwacja z ukrycia przez zmianę kierunku promieni świetlnych — pozostaje ta sama. Podobne prawo odbicia rządzi eksperymentem tęczy z lusterka w wodzie , gdzie lusterko zanurzane pod kątem rozdziela białe światło na kolory.

Warianty

Periskop z pryzmatami. Zamiast płaskich lusterek użyj dwóch małych pryzmatów prostokątnych (dostępnych w zestawach optycznych dla dzieci lub w zniszczonych lornetkach). Pryzmat odbija światło wewnątrz przez całkowite wewnętrzne odbicie — bez srebrzystej powłoki, która może rysować się i matowieć. Obraz jest wyraźniejszy i jaśniejszy. To dokładnie ta sama zasada, którą stosują wojskowe i okrętowe peryskopy — pryzmaty Porro zastąpiły płaskie lusterka już w XIX wieku.

Periskop rogowy — zaglądanie za narożniki. Zamiast prostej pionowej tuby zbuduj periskop w kształcie litery L: jedna gałąź pionowa, druga pozioma, w miejscu zagięcia lusterko pod 45 stopni. Taki periskop pozwala zaglądać za narożniki ścian i drzwi bez wychylania się. Służby specjalne i policja używają podobnych urządzeń (tzw. koraliki drzwiowe lub mirrorcam) do sprawdzania pomieszczeń przed wejściem.

Pomiar przesunięcia obrazu. Zmierz odległość między środkami obu okienek (to wysokość przesunięcia obrazu w periskopie). Stań przed ścianą i zaznacz punkt na jej wysokości swoich oczu. Przez periskop obserwuj punkt o tę samą odległość wyżej. Czy widzisz go dokładnie? Sprawdź, czy przesunięcie obrazu przez periskop odpowiada fizycznej odległości między okienkami. To ćwiczenie pokazuje, że periskop jest precyzyjnym instrumentem optycznym — odległość przesunięcia obrazu równa się dokładnie odległości między osiami obu lusterek.

Często zadawane pytania

Dlaczego obraz w periskopie jest ciemniejszy niż na otwartym powietrzu? Każde odbicie od lustra pochłania pewną część padającego światła — typowe lusterko odbija 85–95% padającego światła, pochłaniając resztę. Przy dwóch lustrach tracisz więc łącznie 10–30% jasności. Dodatkowo wnętrze kartonowej tuby pochłania część światła, które rozprysnie się od ścianek. Dlatego periskop działa znacznie lepiej przy silnym oświetleniu zewnętrznym. Profesjonalne peryskopy mają soczewki powiększające i pryzmaty pokryte wielowarstwowymi powłokami antyrefleksyjnymi, co podnosi przepuszczalność do ponad 99%.

Czy można zrobić periskop, który daje większy obraz — z powiększeniem? Tak — wystarczy zastąpić jedno z lusterek soczewką skupiającą lub dodać soczewkę przy dolnym okienku (tam gdzie oko). Soczewka skupiająca umieszczona przy górnym okienku zogniskuje obraz na dolnym lusterku i da powiększenie — działa wtedy jak prosty teleskop z peryskopem. Gotowe zestawy do budowy peryskopu z powiększeniem można kupić w sklepach z zabawkami edukacyjnymi. Możesz też rozmontować starą lupę i wykorzystać jej soczewkę — podobną zasadę stosuje teleskop Galileusza z soczewek okularowych .

Dlaczego lusterka muszą być dokładnie pod kątem 45 stopni, a nie np. 40 lub 50 stopni? Przy kącie 45 stopni promień poziomy odbija się dokładnie pionowo (45 + 45 = 90 stopni zmiany kierunku). Jeśli kąt jest inny — np. 40 stopni — promień odchyli się o 80 stopni od pierwotnego kierunku, czyli nie pionowo w dół, lecz pod pewnym skosem. Drugie lusterko, ustawione pod kątem 45 stopni, odbije go z powrotem pod skosem, a obraz w okienku będzie obrócony lub nierówny. Im dokładniej ustawisz oba lusterka na 45 stopni i im bardziej będą do siebie równoległe, tym prostszy i wyraźniejszy obraz uzyskasz.