Наблюдение и короткий ответ
Положите два полотна одного назначения на подоконник и по очереди поднесите их к дневному свету. В гипотетическом сравнении одно полотно выглядит почти сплошным, а другое пропускает множество мелких светлых точек. Это описание касается только видимого света. По нему нельзя судить ни о составе волокна, ни о том, как ткань ведёт себя с ультрафиолетом или теплом.
Короткий ответ такой: видимая плотность ткани при просвечивании определяется прежде всего тем, какая доля площади остаётся открытой для света между нитями, и тем, сколько света рассеивают сами нити и волокна. Переплетение задаёт, как нити проходят над и под друг другом, поэтому оно управляет размером, числом и расположением промежутков. Исследование солнечного пропускания хлопковых тканей различает два пути: прямой проход через макропоры и косвенный проход через волокнистый материал, например пряжу (работа о солнечном пропускании хлопковых тканей).
Чтобы говорить точно, стоит определить несколько терминов. Пора — в текстильном смысле — промежуток между нитями или между волокнами, через который может пройти воздух или свет. Пористость — доля объёма ткани, занятая воздухом. Авторы работы из Университета Любляны записывают её через физические плотности ткани и волокна, но показывают, что одной пористости недостаточно: одинаковый объём воздуха может складываться из немногих крупных или многих мелких пор, а проницаемость зависит от размеров и распределения пор (исследование об оптической оценке пористости). Поэтому разговор о просвете полезнее вести через распределение открытых участков, а не через один общий показатель.
Полезно различать четыре уровня. Наблюдение — светлые точки на фоне окна. Интерпретация — эти точки соответствуют открытым промежуткам. Модель — представление пор как частиц, которые выделяются на просвеченном изображении; такой подход описан в той же работе (исследование об оптической оценке пористости). Установленный результат — то, что измерено на конкретных образцах простого и близкого к нему переплетения. Модель не переносит этот результат на любую ткань автоматически.
Одна граница важна уже здесь: видимая прозрачность не равна защите от солнца. Исследование хлопковых тканей измеряло пропускание в диапазоне от 210 до 1200 нанометров и отдельно рассматривало ультрафиолетовую, видимую и ближнюю инфракрасную области (работа о солнечном пропускании хлопковых тканей). Даже у неотделанного атласного образца наибольшей плотности наибольшее пропускание в ультрафиолете на 390 нанометрах составляло около 4,2 процента, тогда как в видимой области на 770 нанометрах оно достигало около 28 процентов (работа о солнечном пропускании хлопковых тканей). Значит, ответ на вопрос «видно ли сквозь ткань» не решает вопрос «насколько она защищает».
Как возникает явление
Механизм удобно разложить на последовательность. Сначала свет падает на поверхность ткани и делится на два пути. Часть лучей проходит через открытые промежутки почти прямо, не встречая нитей. Другая часть попадает в материал нитей, где рассеивается и частично поглощается. Исследование пропускания разделяет эти пути именно так: через макропоры свет проходит напрямую, через волокнистый материал — косвенно (работа о солнечном пропускании хлопковых тканей).
Для первого пути полезен термин открытая площадь: доля поверхности, через которую свет может пройти, не встретив нити. Для второго — степень покрытия, то есть доля площади, занятая нитями. Работа о пористости выводит связь между ними для ткани с одинаковыми нитями и одинаковой плотностью по основе и утку: если открытую долю обозначить как единицу минус степень покрытия, диаметр нити выражается через эту долю и плотность (исследование об оптической оценке пористости). Это следствие геометрии квадратной ткани, а не отдельный закон для любой структуры. Такая связь полезна как проверка: зная плотность и открытую долю, можно оценить диаметр нити, а если диаметр известен, — проверить измерение.
Второй путь проходит через волокно. Свет в материале взаимодействует с атомами, поэтому его скорость в веществе меньше, чем в вакууме (раздел учебника OpenStax о преломлении). Отношение скорости света в вакууме к скорости в среде называется показателем преломления, и для прозрачных веществ он не меньше единицы (раздел учебника OpenStax о преломлении). Преломление — изменение направления луча при переходе через границу сред, которое связано с изменением скорости. Полное внутреннее отражение возможно, когда свет переходит из среды с большим показателем в среду с меньшим: при углах падения больше критического весь свет возвращается в исходную среду (раздел учебника OpenStax о преломлении).
Логическое применение к ткани такое: на границах волокна с воздухом направление света меняется, потому что показатели различаются. Однако найденные источники не доказывают, что именно преломление на отдельных волокнах определяет видимую плотность полотна. Правильнее сказать, что преломление задаёт направления лучей внутри материала, а итоговую прозрачность определяют открытые промежутки, рассеяние и поглощение, которые исследования измеряют напрямую.
Рассеяние — отклонение света от прямого пути в разные стороны при встрече с неоднородностями; это общее физическое понятие. Исследователи хлопковых тканей использовали интегрирующую сферу, которая собирает прошедший через образец свет и позволяет оценить общее пропускание рассеивающего материала (работа о солнечном пропускании хлопковых тканей). Значит, при просвечивании важно не только то, сколько света проходит через промежутки, но и сколько разбрасывает сам материал.
Отдельно стоит различать два вида пор. Межнитевые поры лежат между нитями, межволоконные — между волокнами внутри пряжи. Авторы работы о пористости пишут, что в одном из ранних исследований эти виды нельзя было различить, и это могло объяснять расхождения между расчётом и измерением (исследование об оптической оценке пористости). В другой описанной там работе межнитевые поры хорошо коррелировали с воздухопроницаемостью, и поток через межволоконные можно было не учитывать (исследование об оптической оценке пористости). Это данные о воздухе, а не о свете, поэтому переносить их на просвет нужно осторожно.
Ещё одна тонкость связана с расчётом. Гидравлический диаметр — условный диаметр цилиндра, эквивалентного прямоугольной поре: он переводит две размерности поры в одну. Авторы пишут, что при одинаковых конструкционных параметрах этот показатель получается одинаковым независимо от типа поры, хотя проницаемость, например для воздуха, может существенно различаться (исследование об оптической оценке пористости). Один расчётный параметр поэтому не описывает полотно полностью.
От каких условий зависит результат
Условия делятся на три группы: геометрия переплетения и плотность, материал и окраска, внешняя среда и способ измерения. Их стоит разделять, иначе эффект одной причины легко приписать другой.
Геометрия задаёт исходную картину. Работа о пористости указывает, что число типов пор в однослойной ткани зависит от переплетения: полотняное и саржевое 2/2 дают один тип, саржевое 1/2 — два, а бывают и три типа (исследование об оптической оценке пористости). Исследование солнечного пропускания сравнивало полотняное, саржевое и атласное переплетения при трёх уровнях относительной плотности: от 55 до 65 процентов, от 65 до 75 и от 75 до 85 (работа о солнечном пропускании хлопковых тканей). Относительная плотность здесь — отношение фактической плотности нитей к предельной плотности, которую авторы рассчитывают по своей формуле. Сравнивать нужно именно её, а не абсолютное число нитей, поскольку атласные ткани можно выткать плотнее полотняных (работа о солнечном пропускании хлопковых тканей).
Более плотная структура уменьшает макропористость и прямое пропускание через промежутки. Внутри каждого переплетения образцы с более высокой относительной плотностью защищали лучше (работа о солнечном пропускании хлопковых тканей). При этом высокая плотность нитей отражает больше видимого света, чем полотно с меньшей плотностью, а высокая плотность у неотделанного атласа усиливает поглощение в ультрафиолетовой и видимой областях за счёт натуральных пигментов в самой пряже (работа о солнечном пропускании хлопковых тканей).
Геометрия порождает и парадокс. В работе о пористости образцы различались по массе на квадратный метр, толщине и общей пористости очень мало, но воздухопроницаемость переплетений различалась заметно (исследование об оптической оценке пористости). Авторы связывают это с различием размеров, числа и распределения пор. Этот пример показывает, почему общую пористость, воздухопроницаемость и видимый рисунок просвета следует описывать отдельно. Сходство одного параметра не делает образцы одинаковыми по остальным.
Вторая геометрическая деталь — эффект, который авторы называют denting; в приведённом фрагменте его механизм не расшифрован. По их данным, он создаёт две крупные группы пор, из-за чего распределение перестаёт быть похожим на нормальное (исследование об оптической оценке пористости). Логически это может проявляться как неравномерность просвета, а не как ровная сетка.
Третье — растяжение. Оно меняет геометрию: положение нитей и форма промежутков смещаются, а состав волокна остаётся прежним. Это логическое применение, а не результат измерений: прямых данных о растяжении в найденных источниках нет. Работа о пористости указывает, что деформируемость нитей и их ворсистость ограничивают точность традиционных измерений (исследование об оптической оценке пористости). Поэтому сравнивать образцы стоит при одинаковом натяжении и без растягивания руками.
Материал и окраска образуют вторую группу. В исследовании хлопковых тканей натуральные красители повышали поглощение в ультрафиолетовой и видимой областях, а в ближнем инфракрасном поглощали слабее (работа о солнечном пропускании хлопковых тканей). По мнению авторов, инфракрасное излучение не даёт молекулам красителя достаточно энергии для нужных электронных переходов (работа о солнечном пропускании хлопковых тканей). Окраска пряжи играет важную роль и для косвенного пути через волокна, на что авторы указывают прямо (работа о солнечном пропускании хлопковых тканей). Это вклад окраски в поглощение и рассеяние, а не в размеры открытых промежутков.
Тепло — отдельная задача, и его нельзя сводить к видимому свету. Авторы напоминают, что солнечное излучение переносит тепло, а прошедшее через ткань тепловое излучение может нагревать тело и влиять на термофизиологический комфорт (работа о солнечном пропускании хлопковых тканей). Ближний инфракрасный диапазон связан и с фотостарением: по их описанию он достигает дермиса сильнее, чем коротковолновый IRB и средне- и длинноволновый IRC, которые слабо проникают в кожу (работа о солнечном пропускании хлопковых тканей). Авторы также указывают, что для ряда структур светлые оттенки давали лучшую защиту в ближнем инфракрасном диапазоне и, по их словам, лучший термофизиологический комфорт (работа о солнечном пропускании хлопковых тканей). Поэтому ответ о тепле нужно искать в отдельных измерениях инфракрасной части спектра.
Третья группа — внешняя среда и измерение. Спектр солнечного излучения у поверхности Земли, по данным, на которые ссылаются авторы, включает ультрафиолет, видимый свет и инфракрасную часть, причём видимый свет и инфракрасное излучение составляют большую долю этого спектра (работа о солнечном пропускании хлопковых тканей). Поэтому ткань, которая в видимом диапазоне выглядит плотной, может плохо работать в ультрафиолете или ближнем инфракрасном. Стекло окна, через которое вы смотрите, в этих источниках не рассматривается, поэтому его вклад нужно оценивать отдельно. Способ измерения тоже входит в условия: интегрирующая сфера даёт общее пропускание рассеивающего материала (работа о солнечном пропускании хлопковых тканей), и логично сравнивать результаты только при одинаковом способе измерения.
Гипотетический пример. Два образца одного переплетения, но разной плотности: у окна более плотный выглядит сплошнее. Внутри одного переплетения исследование подтверждает, что более высокая относительная плотность давала большую защиту (работа о солнечном пропускании хлопковых тканей). Если же сравнить полотняную и атласную ткани с похожим видимым впечатлением, их защита в ультрафиолете и инфракрасном диапазоне может заметно различаться. Это логическое следствие разделения геометрии и спектра, а конкретные значения для ваших тканей нужно получать из измерений.
С чем полезно сравнить
Первое сравнение — газонокосилка. В учебнике OpenStax образ колёс помогает понять изменение направления: при переходе с дорожки на траву переднее колесо замедляется и тянет аппарат в сторону (раздел учебника OpenStax о преломлении). Аналогия показывает связь направления со скоростью, но её предел очевиден: колёса не рассеивают и не поглощают, тогда как свет в ткани делает и то, и другое. Она объясняет поворот, но не объясняет, почему полотно кажется непрозрачным.
Второе — алмаз. По описанию учебника, критический угол на границе алмаза с воздухом очень мал, поэтому свет многократно отражается внутри камня и выходит лишь в немногих местах, а огранка задаёт эти места (раздел учебника OpenStax о преломлении). Пример хорошо показывает роль показателей преломления и углов. Предел здесь принципиальный: алмаз — сплошное твёрдое тело, а ткань — пористая структура с воздушными промежутками.
Третье — оптические волокна. Учебник описывает, что свет остаётся в тонком волокне благодаря полному внутреннему отражению, если на границе лежит оболочка с меньшим показателем преломления (раздел учебника OpenStax о преломлении). Сходство есть в изгибах и направлении света, но в ткани нет такой направляющей оболочки. Свет проходит через смесь промежутков и волокон, поэтому оптическое волокно — иное устройство, а не модель полотна.
Четвёртое — оптический метод оценки пористости. В работе о пористости снимки делались под стереомикроскопом при десятикратном увеличении, а анализировался участок 5 на 5 миллиметров (исследование об оптической оценке пористости). Метод быстр и удобен, но, по словам авторов, показывает пористость в двух измерениях, игнорирует толщину пор и отражает только минимальную прозрачную площадь (исследование об оптической оценке пористости). Значит, по просвету можно судить о прохождении света, но не обо всех путях воздуха или влаги через ткань.
Пятое — яркость и воздухопроницаемость. Работа о пористости описывает исследование Çay и соавторов, в котором измеряли количество света, прошедшего через набор из тридцати тканей. Авторы нашли линейную связь между яркостью прошедшего света и процентом воздухопроницаемости (исследование об оптической оценке пористости). Это связь между конкретными тканями и другим свойством, поэтому её нельзя переносить на защиту от ультрафиолета.
Шестое — наиболее защищающие образцы одного исследования. Окрашенный орехом атлас самой высокой плотности авторы описывают как имеющий самое низкое пропускание во всех трёх областях: ультрафиолетовой, видимой и ближней инфракрасной (работа о солнечном пропускании хлопковых тканей). Лидерство при этом меняется по областям: в большей части ближнего инфракрасного диапазона более подходящим оказался окрашенный свёклой атлас того же уровня плотности (работа о солнечном пропускании хлопковых тканей). Поэтому сравнивать образцы по одной области нельзя.
Когда объяснение нужно уточнить
Первая альтернативная причина — поверхность. В исследовании хлопковых тканей авторы замечают, что неравномерная окраска одного образца и, возможно, оставшиеся жировые загрязнения могли повлиять на ультрафиолетовые измерения (работа о солнечном пропускании хлопковых тканей). Если две ткани отличаются по просвету, сначала стоит убедиться, что они одинаково чисты и одинаково окрашены. Иначе различие возникнет из поверхности, а не из структуры.
Вторая причина — условия наблюдения. Оптические методы, как пишут авторы работы о пористости, сильно зависят от качества изображения (исследование об оптической оценке пористости). У окна на впечатление влияют фон, угол падения света, расстояние и то, что находится за тканью. Логически тёмный и светлый фон дадут разную картину одного и того же полотна. Это свойство сравнения, а не дефект ткани.
Третья причина — ворсистость и неровности нитей. Работа о пористости называет ворсистость среди факторов, ограничивающих точность традиционных измерений (исследование об оптической оценке пористости). Как логическое предположение, ворсинки могут закрывать промежутки и рассеивать свет, поэтому две ткани с одинаковой открытой долей могут выглядеть по-разному. Этот вывод требует отдельной проверки, и найденными источниками он не подтверждён.
Четвёртая причина — границы модели. Авторы работы о пористости рассматривали прозрачные ткани простого и близкого к нему переплетения. В описанном ими исследовании Ragab и соавторов ткани были прозрачными и лёгкими, до 131 грамма на квадратный метр, а распределение пор по изображению хорошо совпало с методом потока жидкости (исследование об оптической оценке пористости). Исследование солнечного пропускания работало с хлопковыми тканями определённой конструкции (работа о солнечном пропускании хлопковых тканей). Для шерсти, синтетики или плотных тканей с сильной окраской объяснение нужно проверять заново.
Безопасная проверка возможна без опасных опытов. Поднесите два образца к окну и сравните их, не глядя на солнце. Держите одинаковый фон, одинаковое расстояние и одинаковую чистоту, а если что-то меняется, записывайте это. Лазеры, яркие источники и разборка оборудования для такой проверки не нужны. Сравнение даёт качественную картину видимого просвета и ничего не говорит о защите от ультрафиолета.
Вывод
Видимая плотность ткани при просвечивании определяется тем, какая доля площади остаётся открытой для света между нитями, и тем, сколько света рассеивают волокна. Переплетение задаёт геометрию промежутков и их распределение, а волокно добавляет рассеяние и поглощение. Пористость сама по себе не решает задачу, важны размеры и распределение пор (исследование об оптической оценке пористости). Преломление на границах задаёт направления лучей, но опубликованные источники не доказывают, что именно оно определяет прозрачность полотна.
Ультрафиолет, видимый свет и ближний инфракрасный диапазон пропускаются по-разному, и переплетение вместе с окраской меняют эту картину по-разному (работа о солнечном пропускании хлопковых тканей). Поэтому объяснение у окна объясняет наблюдение, но не заменяет измерения в нужном диапазоне.
Связанный вопрос для дальнейшего чтения: как меняется картина просвета при разных углах падения света и что в ней принадлежит самой структуре ткани, а что — освещению.
FAQ
Будет ли тот же результат для ткани из другого волокна?
Не обязательно. Исследование солнечного пропускания проводилось на хлопковых тканях определённой конструкции (работа о солнечном пропускании хлопковых тканей). Логически можно ожидать, что геометрия переплетения сохранит свою роль, но поглощение и рассеяние зависят от материала и окраски. В обзоре литературы та же работа упоминает исследование, в котором форма поперечного сечения волокна и тип волокна влияли на ультрафиолетовую защиту ткани (работа о солнечном пропускании хлопковых тканей). Значит, даже при одинаковом переплетении материал может менять результат, и для шерсти или синтетики нужна отдельная проверка.
Меняется ли прозрачность при растяжении ткани?
Растяжение меняет геометрию: положение нитей и форму промежутков. Состав волокна остаётся прежним. Это логическое применение, а не измеренный результат. Например, локоть рукава, растянутый при движении, может просвечивать иначе, чем в покое, хотя волокно то же. Это гипотетический пример. Работа о пористости подчёркивает, что деформация нитей влияет на точность измерений (исследование об оптической оценке пористости), поэтому сравнивать образцы лучше в одинаковом состоянии натяжения.
Почему результат у окна зависит от того, что стоит за тканью?
Фон меняет контраст, который глаз принимает за просвет. Оптические методы в работе о пористости тоже зависят от качества изображения (исследование об оптической оценке пористости). Поэтому сравнивайте образцы на одинаковом фоне, в одинаковой складке и на одинаковом расстоянии от окна. Если фон меняется, меняется и сравнение, даже когда сама ткань остаётся той же.
Можно ли по прозрачности судить о защите от загара?
Нет. Исследование показывает, что хорошая защита от ультрафиолета не всегда совпадает с защитой в ближнем инфракрасном диапазоне (работа о солнечном пропускании хлопковых тканей). Проверить это по впечатлению у окна нельзя, нужны измерения в ультрафиолетовом диапазоне.
Как безопасно сравнить две ткани дома?
Возьмите два образца одинакового размера, положите их рядом на светлый ровный фон и поднесите к окну, не глядя на солнце. Сравнивайте одинаково расправленные образцы и одинаково чистые поверхности. Такая проверка показывает, какая ткань пропускает больше видимого света при этих условиях, и ничего не говорит о структуре промежутков в микроскопическом масштабе. Для точной оценки нужны измерения, а не домашний опыт.