ファンハウスの鏡はどのようにして人を変形させるのでしょうか?防弾ガラスはどのようにして銃弾に耐えるのでしょうか?生活の中のガラスの秘密！

ガラスは私たちの生活の中で非常に一般的です。家庭用の鏡であれ窓であれ、すべてガラスでできています。

しかし、家庭にある普通のガラス以外にも、もっとたくさんの種類のガラスがあることをご存知ですか？たとえば、ガラス製のファンハウスミラー、ガラス製の両面ミラー、防弾ガラスなどでしょうか?

次に、好奇心を持って、これらのメガネの背後にある魔法の原理について学んでみましょう。

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ファンハウスの鏡はどのようにして人を変形させるのでしょうか?

ファンハウスミラーは遊園地や大型ショッピングモールによく設置されており、鏡に映った物体を歪ませることがあります。

一般的な鏡のように滑らかな平面でできているわけではなく、凹面鏡や凸面鏡、あるいはその両方を組み合わせたものがほとんどです。

ここで、光学的な観点から、ファンハウスミラーがどのようにして人を変形させるのかを説明します。

北京科学センターの子供遊び場にあるファンハウスミラー

出典：著者撮影

凹面鏡は光の反射の原理を利用し、その特殊な表面形状により光を収束させることができます。凹面鏡の前に物体を置くと、次のような光路が生成されます。

凹面鏡結像光路源丨インターネット

オブジェクトを表すには矢印 AB を使用します。一連の反射の後、AB は凹面鏡の後ろに拡大された虚像 A'B' を形成します。

これは、私たちが凹面鏡の前に立つと、鏡の中の私たちの体の虚像が歪んで拡大され、太って背が高くなる理由を説明しています。

同様に、凸面鏡の光路を見てみましょう。

凸面鏡結像光路源丨インターネット

凸面鏡からの一連の反射の後、鏡の後ろに形成される虚像が小さくなり、凸面鏡内の物体が実際よりも小さく見えることがわかります。

凹面と凸面を組み合わせたファンハウスミラーについては、分析時に上記の 2 つの原則を組み合わせるだけで済みます。

このようなファンハウスミラーの前に立つと、凹んだ部分に面した体の部分は鏡の中で拡大され、凸った部分に面した体の部分は鏡の中で縮小されます。その結果、鏡の中の私たちは歪んで「怪物」に変形してしまうのです。

ファンハウスの鏡の中の変形したテストベンチを見ましたか?

出典: 北京科学センター

もちろん、ファンハウスミラーの効果はガラスだけに限りません。滑らかで、曲面があり、光を反射する能力を持つ表面であれば、同様の効果を得ることができます。北京科学センター児童公園には、さまざまな曲率を持つファンハウスミラーのセットがあります。ぜひご自分で体験してみてください〜

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両面ガラス

犯罪捜査やスパイをテーマにした映画やテレビ番組では、犯罪者が明るい取調室に閉じ込められ、隣の部屋（暗室）に多くの警察官が立っているようなシーンがよく見られます。警察は透明な鏡を通して犯人の行動をはっきりと見ることができますが、取調室にいる犯人は警察が自分を監視していることを見ることができません。

両面ガラスの両面に描かれた風景

出典: テレビシリーズや映画のスクリーンショット

このように一方向透過特性を持つガラスを両面ガラスといいます。実際のところ、それはまったく魔法ではありません。普通のガラスでも同様の効果が得られます。

誰もがこんな経験をしたことがあると思いますが、暗い夜、明るい部屋の窓から外を見ると、もともと透明だった窓ガラスが鏡のようになり、部屋の様子を映し出し、窓の外の景色がぼやけてしまいます。

これらはすべて、実際には屋内と屋外の光の強度の違いとガラスの性能によって発生します。

100%透明なガラスは存在しないことを知っておく必要があります。光がガラスに当たると、その一部は反射され、一部はガラスに吸収され、残りはガラスを通過します。

出典: インターネット

周囲の明るさが異なる 2 つの部屋があると仮定します。左の部屋の光の強さは 100、右の部屋の光の強さは 10 です。透明な薄いガラスが光を吸収する能力はごくわずかであるため、今のところは無視できます。

左側からの光が右側のガラスに入ると、10%の光が反射され、90%の光が透過することに成功しました。このとき、右側に透過した光の強度は90、反射して戻ってくる光の強度は10です。

右からの光が左のガラスに入ると、光の 10% が反射され、光の 90% が透過します。このとき、左に透過した光の強度は9、反射して戻ってくる光の強度は1です。

左側の明るい部屋にいる人の場合、ガラスから反射される光の強度は 10 ですが、右側を透過する光の強度は 9 しかありません。透過する光は、ガラスから反射される光ほど強くありません。

人間の目は、光が強い方がはっきりと見えやすくなります。そのため、左側の家に住む人にとっては、ガラスが鏡のように室内の景色を映し出し、また、向かいの部屋の景色もぼんやりと見ることができるのです。

普通のガラスの情報源: インターネット

しかし、右側の部屋の内部の光景は全く異なっていました。左側から入ってくる光の明るさは 90 ですが、ガラスに反射された家の右側の内部の光の強さは 1 しかありません。明らかに、入ってくる光の強さは反射光よりも大きいです。

そのため、右側の部屋にいる人にとっては、このガラスはほぼ透明であり、左側の部屋の内部の景色をガラス越しにはっきりと見ることができます。

透過率90%のガラス 出典: インターネット

2つの部屋の明るさの差によってもたらされる効果を利用することで、普通のガラス1枚でも両面ガラスの効果を実現でき、2つの部屋の明るさの差が大きいほど、この効果はより顕著になります。

2 つの部屋の明るさの差を大きくすることに加えて、両側の異なる光強度下でのガラスの一方向透視性能をさらに向上させるために、通常はガラスの表面に薄い銀フィルムをコーティングします。

銀フィルムは光がガラスを通過するのを防ぎ、ガラスの反射率を高め、透過率を低下させます。反射光が増加し、透過光が減少すると、上で紹介した一方向透過効果がより顕著になります。

反射率が50％、つまり反射光と透過光の強度が入射光の半分のとき、ガラスの片面透過率は最も高くなります。明るい部屋にいる人はガラスの向こう側で何が起こっているのか全く見えませんが、暗い部屋にいる人はガラスの向こう側の詳細を全てはっきりと見ることができます。

透過率50%のガラス 出典丨インターネット

興味のある方は自分で計算して証明してみてください〜

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防弾ガラス

防弾ガラスは映画やテレビドラマでもよく見かけるようになりました。銃を持った犯人が車内で大物を撃とうとしても、銃弾は車の窓ガラスを貫通できず、暗殺は最終的に失敗に終わる。これが防弾ガラスの効果です。

強盗事件後の宝石店の防犯ガラス。銃弾が当たった可能性がある。

出典: Wikipedia

防弾ガラスは安全ガラスとも呼ばれ、耐荷重層ガラス、遷移層材料、保護層ガラスの 3 つの部分で構成され、高温高圧下で結合されています。

防弾ガラスの構造はインターネットから来ている

耐荷重層は防弾ガラスの最も外側に位置し、厚くて強度の高いガラスで作られています。弾丸が当たると、荷重支持層が破壊され、弾丸の運動エネルギーを吸収し、弾丸の形状が変化したり、弾丸が破壊されたりして、弾丸が衝撃を継続する力が失われます。

遷移層の材料は、非常に優れた接着性とある程度の柔軟性を備えています。通常は透明なプラスチックで作られており、弾丸の衝撃時に発生するエネルギーの一部を吸収し、弾丸の方向を変えることができます。

耐荷重層のガラスは遷移層にしっかりと結合しているため、ガラスが銃弾によって粉砕されても、破片のほとんどは遷移層の表面に付着したままになり、大量の破片が飛び散ることがなく、構造の完全性が確保されます。

最内側の安全保護層も高強度ガラスで作られており、優れた弾力性と靭性を備えています。耐荷重層と遷移層によって弱められた後の残りのエネルギーを吸収し、さらに弾丸をブロックし、弾丸が防弾ガラスを通過しないようにします。

防弾ガラスのテストソース丨インターネット

防弾ガラスは層状複合材料として、両面ガラスの「剛性」と中間遷移層の「柔らかさ」を完璧に組み合わせ、優れた耐衝撃性を発揮します。

建築、航空宇宙、機械などの分野では、この「剛性と柔軟性の融合」という考え方を材料設計によく利用しており、複合材料は現代の工業材料に欠かせないものとなっています。

もちろん、今日紹介した3種類以外にも、生活のさまざまな場面で使用され、私たちの生活に便利さをもたらしてくれる斬新な特殊メガネがたくさんあります。自分で見つけてみるのもいいかもしれません。

監査専門家：ミャオ・グアンヤオ

凝縮系物理学博士

出典: デジタル北京科学センター