Kenapa Bayang-bayang Kabur di Tepi?

Letakkan tangan di hadapan dinding yang diterangi lampu. Jika tangan hampir dengan dinding, tepi bayang-bayang biasanya lebih tajam. Apabila tangan dijauhkan daripada dinding, sempadannya boleh menjadi semakin kabur. Perubahan ini berlaku walaupun tangan yang sama masih menghalang cahaya.

Lampu sebenar bukan satu titik

Dalam optik geometri, cahaya dimodelkan bergerak sepanjang sinar lurus dalam medium seragam. Sumber titik yang sangat kecil boleh menghasilkan sempadan bayang-bayang yang hampir tajam. Bintang yang sangat jauh hampir menyerupai sumber sebegini kerana saiz tampaknya amat kecil, walaupun cahayanya terlalu malap untuk membentuk bayang yang mudah dilihat. Namun, mentol, lampu dan Matahari mempunyai saiz tampak yang tidak boleh diabaikan. Cahaya datang daripada banyak bahagian sumber itu pada arah yang sedikit berbeza.

Umbra dan penumbra

Di kawasan umbra, objek menghalang semua bahagian sumber cahaya daripada dilihat dari permukaan penerima. Di penumbra, hanya sebahagian sumber terlindung; cahaya daripada bahagian sumber yang lain masih sampai. Oleh sebab bahagian sumber yang masih kelihatan berubah secara beransur-ansur merentasi penumbra, pencahayaan juga berubah secara beransur-ansur. Inilah sebab utama tepi banyak bayang-bayang harian kelihatan kabur.

Mengapa jarak mengubah ketajaman?

Lebar penumbra ditentukan oleh geometri antara sumber, objek dan permukaan penerima. Bagi susunan biasa dengan sumber luas yang tetap, menjauhkan objek daripada skrin memberi lebih ruang untuk sinar daripada bahagian berlainan sumber membentuk kawasan peralihan yang lebih lebar pada skrin. Sumber yang mempunyai saiz tampak lebih besar juga cenderung menghasilkan penumbra yang lebih lebar. Yang menentukan ialah saiz tampak, bukan saiz sebenar sahaja. Lampu suluh kecil yang jauh daripada objek mempunyai saiz tampak lebih kecil daripada lampu bilik yang besar dan dekat, jadi tepi bayangnya lebih tajam; jika lampu suluh yang sama didekatkan, saiz tampaknya bertambah dan penumbra melebar. Kesan ini boleh diuji dengan mengubah saiz tampak sumber: letakkan kad yang berlubang di hadapan lampu dan kecilkan lubangnya. Lubang yang lebih kecil menjadikan sumber kelihatan lebih kecil, lalu tepi bayang objek pada skrin menjadi lebih tajam.

Gerhana menunjukkan geometri yang sama

Semasa gerhana Matahari, Bulan menghalang cahaya daripada cakera Matahari, bukannya daripada sumber titik. Pemerhati dalam umbra Bulan melihat cakera Matahari terlindung sepenuhnya dan boleh mengalami gerhana penuh. Pemerhati dalam penumbra melihat hanya sebahagian cakera Matahari terlindung, lalu mengalami gerhana separa. Fenomena astronomi ini memperlihatkan geometri umbra dan penumbra yang sama.

Bagaimana kita mengetahui hal ini?