Поверхность , как этот термин чаще всего используется, является самым внешним или верхним слоем физического объекта или пространства. [1] [2] Это часть или область объекта, которая может быть впервые воспринята наблюдателем с помощью органов зрения и осязания , и это часть, с которой другие материалы впервые взаимодействуют. Поверхность объекта — это больше, чем «простое геометрическое тело», но она «заполнена, распространена или пропитана воспринимаемыми качествами, такими как цвет и тепло». [3]
Понятие поверхности было абстрагировано и формализовано в математике , в частности в геометрии . В зависимости от свойств, на которых делается акцент, существует несколько неэквивалентных таких формализаций, которые все называются поверхностью , иногда с некоторым квалификатором, например, алгебраическая поверхность , гладкая поверхность или фрактальная поверхность .
Понятие поверхности и его математическая абстракция широко используются в физике , инженерии , компьютерной графике и многих других дисциплинах, в первую очередь для представления поверхностей физических объектов. Например, при анализе аэродинамических свойств самолета центральным соображением является поток воздуха вдоль его поверхности. Понятие также поднимает определенные философские вопросы, например, насколько толстый слой атомов или молекул, который можно считать частью поверхности объекта (т. е. где заканчивается «поверхность» и начинается «внутренняя часть»), [2] [4] и действительно ли объекты вообще имеют поверхность, если на субатомном уровне они никогда фактически не соприкасаются с другими объектами. [5]
Поверхность объекта — это часть объекта, которая воспринимается в первую очередь. Люди приравнивают видение поверхности объекта к видению объекта. Например, глядя на автомобиль, обычно невозможно увидеть двигатель, электронику и другие внутренние структуры, но объект все равно распознается как автомобиль, потому что поверхность идентифицирует его как автомобиль. [6] Концептуально «поверхность» объекта можно определить как самый верхний слой атомов. [7] Многие объекты и организмы имеют поверхность, которая в некотором роде отличается от их внутренней части. Например, кожура яблока имеет совершенно иные качества, чем внутренняя часть яблока, [8] а внешняя поверхность радиоприемника может иметь совершенно иные компоненты, чем внутренняя часть. Очистка яблока представляет собой удаление поверхности, в конечном итоге оставляя другую поверхность с другой текстурой и внешним видом, идентифицируемую как очищенное яблоко. Удаление внешней поверхности электронного устройства может сделать его назначение неузнаваемым. Напротив, удаление самого внешнего слоя камня или самого верхнего слоя жидкости, содержащейся в стакане, оставит вещество или материал с тем же составом, только немного уменьшенным в объеме. [9]
В математике поверхность — математическая модель общего понятия поверхности. Она является обобщением плоскости , но, в отличие от плоскости, может быть искривлена ; это аналогично кривой, обобщающей прямую линию .
Существует несколько более точных определений, в зависимости от контекста и математических инструментов, которые используются для исследования. Простейшими математическими поверхностями являются плоскости и сферы в евклидовом 3-пространстве . Точное определение поверхности может зависеть от контекста. Как правило, в алгебраической геометрии поверхность может пересекать сама себя (и может иметь другие особенности ), тогда как в топологии и дифференциальной геометрии это может быть не так.
Поверхность — это топологическое пространство размерности два ; это означает, что движущаяся точка на поверхности может двигаться в двух направлениях (она имеет две степени свободы ). Другими словами, вокруг почти каждой точки есть координатный участок , на котором определена двумерная система координат . Например, поверхность Земли напоминает (в идеале) сферу, а широта и долгота обеспечивают на ней двумерные координаты (за исключением полюсов и вдоль 180-го меридиана ).Понятие поверхности в физических науках охватывает структуры и динамику поверхностей и происходящих на них явлений. Эта область лежит в основе многих практических дисциплин, таких как физика полупроводников и прикладная нанотехнология, но также представляет фундаментальный интерес.
Измерения синхротронного рентгеновского и нейтронного рассеяния используются для получения экспериментальных данных о структуре и движении молекулярных адсорбатов, адсорбированных на поверхностях. Цель таких методов — предоставить данные, необходимые для сравнения последних разработок в области моделирования поверхностных систем, их электронных и физических структур, а также энергетики и трения, связанных с движением поверхности.
Текущие проекты сосредоточены на поверхностной адсорбции полиароматических углеводородов (ПАУ), класса молекул, играющих ключевую роль в уточнении моделирования дисперсионных сил с помощью таких подходов, как теория функционала плотности, и основаны на нашей дополнительной работе по применению рассеяния атомов гелия и сканирующей туннельной микроскопии к малым молекулам с ароматической функциональностью. [10]
Многие поверхности, рассматриваемые в физике и химии ( физические науки в целом), являются интерфейсами . Например, поверхность может быть идеализированным пределом между двумя жидкостями , жидкостью и газом (поверхность моря в воздухе) или идеализированной границей твердого тела (поверхность шара). В динамике жидкости форма свободной поверхности может быть определена поверхностным натяжением . Однако они являются поверхностями только в макроскопическом масштабе . В микроскопическом масштабе они могут иметь некоторую толщину. В атомном масштабе они вообще не выглядят как поверхность из-за отверстий, образованных пространствами между атомами или молекулами . [11]
Другие поверхности, рассматриваемые в физике, — это волновые фронты . Одна из них, открытая Френелем , математики называют волновой поверхностью .
Поверхность рефлектора телескопа представляет собой параболоид вращения .
Другие случаи:
Одной из основных задач в компьютерной графике является создание реалистичных симуляций поверхностей. В технических приложениях 3D компьютерной графики ( CAx ), таких как автоматизированное проектирование и автоматизированное производство , поверхности являются одним из способов представления объектов. Другими способами являются каркас (линии и кривые) и твердые тела. Облака точек также иногда используются как временные способы представления объекта с целью использования точек для создания одного или нескольких из трех постоянных представлений.
Одним из методов, используемых для повышения реалистичности поверхности в компьютерной графике, является использование алгоритмов физически обоснованного рендеринга (PBR), которые имитируют взаимодействие света с поверхностями на основе их физических свойств, таких как отражательная способность , шероховатость и прозрачность . Благодаря включению математических моделей и алгоритмов PBR может генерировать высокореалистичные рендеры, которые напоминают поведение реальных материалов. PBR нашел практическое применение за пределами развлечений, распространив свое влияние на архитектурный дизайн , прототипирование продуктов и научное моделирование.