Пояснення принципу дії кутового відбивача, який покладено в основу світлоповертаючих
Зараз світлоповертачі широко використовуються в дорожніх знаках та позначеннях дорожніх об'єктів, спеціальному одязі дорожніх служб, в уніформі спеціальних служб, таких як ДІБДР, МНС, Швидка допомога. При попаданні світла на ці матеріали вони яскраво світяться, значно виділяючись на загальному тлі дороги. Водії у темряві здалеку бачать такі об'єкти, заздалегідь плануючи свої дії.
Дуже довго ми шукали гарну статтю, яка зрозуміла, доступна, але зі строгих наукових позицій пояснила б принцип дії світлоповертачів. Це виявилося нелегким завданням. Усі сьогоднішні описи містять низку неточностей. Знайшли ми таку статтю лише у підшивці науково-популярного фізико-математичного журналу "Квант" за 1978 рік.
Куткові відбивачі
науково-популярний фізико-математичний журнал "Квант" 1978 №12 стор.7-9,46
Кутові відбивачі - це пристрої, які застосовуються для відбиття радіолокаційних або оптичних променів у протилежному напрямку. Ще в недавньому минулому оптичні кутові відбивачі використовувалися лише як скромний дорожній попереджувальний пристрій – на велосипедах, автомобілях, поїздах, на дорожніх покажчиках. Називалися вони катафотами. В даний час кутові відбивачі знаходять дуже широке застосування: вони використовуються і в навігаційній радіолокації, і в метеорології, і в космічних дослідженнях. Як же "працює" кутовий відбивач? Пристрій його дуже простий. На малюнку 1 наведено різні типи кутових відбивачів. Це може бути трикутна призма, дві бічні грані якої взаємно перпендикулярні (рис. 1а) та з внутрішніх сторінсвоїх поверхонь (OAA'O і OBB'O') з внутрішніх сторін покриті тонким шаром матеріалу, що добре відображає світло. Кутовий відбивач може бути чотиригранною пірамідою (рис.1б),
 |  |  |
| а) | б) | в) |
три взаємно перпендикулярні грані якої (AOB, BOC, AOC) також мають внутрішні поверхні, що відбивають. Радіолокаційні кутові відбивачі - це три запозичено перпендикулярні смужки пластини (рис. 1в), виготовлені з матеріалу, що добре відбиває радіохвилі. Як видно, кутовий відбивач можна схематично уявити, як систему взаємно перпендикулярних плоских дзеркал. Щоб краще зрозуміти принцип дії відбивача, розглянемо, як змінює хід світлових променів система з двох таких дзеркал
Промінь S, що потрапляє на дзеркало З1 під кутом φ1, відбивається від нього у точці A, потрапляє від нього на дзеркало З2 під кутом φ2 і відбивається від нього в точці B, 2 φ1+2 φ2 = 180°, тобто. промінь відбитий паралельний променю падаючому і направлений у протилежний бік.
Роль двох таких дзеркал у відбивачі-призмі (рис.1а) виконують грані OAA'O' та OBB'O'. Промінь світла, що падає на грань-"гіпотенузу" BAA'B’ після відображення у призмі виходить строго у зворотному напрямку. Зазначимо, що заломлення променя на грані-гіпотенузі не позначається на дії, що «обертає» відбивача (рис.3).
Очевидно, що якщо промінь, що падає та промінь відображений паралельні один одному по один бік від заломлюючої грані BAA'B' – всередині кута, то вони паралельні і по інший її бік.
Однак відбивач, що складається з двох взаємно перпендикулярних дзеркал, «звертає» тільки ті промені,які лежать у площині, перпендикулярній до ребра двогранного кута, утвореного дзеркалами. Цього недоліку позбавлений відбивач, що складається із трьох взаємно перпендикулярних дзеркал. Покажемо, що будь-який промінь, що потрапив на такий відбивач і випробував послідовно відбиття від усіх трьох дзеркал, змінить свій напрямок на протилежний.
Для цього попередньо розглянемо, як змінюється одиничний вектор, що визначає напрямок променя при відбитті променя від плоского дзеркала. На малюнку 4: З – плоске дзеркало, S – промінь, що падає на дзеркало під кутом φ, – одиничний вектор, що визначає напрямок падаючого променя, – одиничний вектор, перпендикулярний до площини дзеркала, – одиничний вектор , Який визначає напрямок відбитого променя. (Вектори , і лежать в одній площині). Уявимо, кожен із векторів , і ;у вигляді суми двох векторів (назвемо їх «складовими»): де складові; і паралельний площині З, а перпендикулярні до цієї площини. З закону відображення світла випливає, що а , тобто при відображенні променя складова вектора, паралельна площині дзеркала, не змінюється, а складова, перпендикулярна до цієї площини, змінює знак на протилежний.
Тепер розглянемо три взаємно перпендикулярні плоскі дзеркала З1, З2, З3 на малюнку 5
Таку систему дзеркал утворюють три вазимно перпендикулярні посріблені грані кутового відбивача-піраміди (рис. 1, б). Наявність «закриває» кут грані АВС не порушує дії граней, що відбивають АОВ, ВОС і АОС.
Ми вже говорили про те, яке широке застосування знаходять кутові відбивачі. Найстаріші з них - катафоти, можна передбачити собі як набір відбивачів-призм, скомпанованих таким чином, що ребрадвугранних кутів,утворених гранями, що відбивають, лежать в одній площині і повірені один щодо одного під всілякими кутами. Кожна така призма відбиває «назад» промені перпендикулярні до ребра двогранного кута. Тому катафот і здається світним.
У повсякденній практиці кутові відбивачі типу зображеного на малюнку 1, використовуються в навігаційній радіолокації. Наприклад, бакени та буйки, забезпечені такими відбивачами, стають помітнішими для радіолокаторів. За допомогою відбивачів, прикріплених до метеорологічним куль-зондам, радіолокаційним методом визначаються швидкість та напрям вітру на великій висоті.
Унікальні за своїм застосуванням оптичні кутові відбивачі у космічних дослідженнях. Поміщений на штучний супутник землі або на космічний корабель відбивач дозволяє дуже точно визначати відстань до цих об'єктів. При цьому як промінь локатора використовується лазерний промінь.
У 1968 році кутовий відбивач був доставлений екіпажем американського космічного корабля Аполлон - ІІ на Місяць. Через рік на Місяці з'явився другий кутовий відбивач – встановлені на радянському автоматичному самохідному апараті Місяць-1. Виготовлено його у порядку міжнародного співробітництва французькими фахівцями. Цей відбивач складається з 14 чотиригранних пірамід, виготовлених з плавленого кварцу. Гоані кожної призми, що відображають, покриті тонким шаром срібла, який оберігається шаром напиленого кварцу; поверхня призм відшліфована з точністю до 0,07 мкм (тобто розміри шорсткості не перевищують 0,07 мкм).
Використання кутових відбивачів, доставлених на Місяць, дозволило за допомогою лазерного променя-локатора виміряти відстань Земля – Місяць із дуже великою точністю. - До 0,1 метра.
НаведеніНами приклади далеко не вичерпують різноманіття застосувань простого та надійного пристрою – кутового відбивача.