Optische Technik, die es uns ermöglicht, kleine Änderungen im Brechungsvermögen von Luft und anderen transparenten Medien zu sehen.
Was sie zeigt
Brechung aufgrund von Inhomogenität in der Luft wird durch unseren Schlierenoptik-Aufbau mit einem Spiegel sichtbar gemacht. Die Brechung kann durch Änderungen der Dichte, der Temperatur oder des Drucks der Luft unmittelbar vor dem Hohlspiegel verursacht werden. Mit einer Videokamera und einem Monitor können wir sehen, wie warme Konvektionsströme aus einer Kerzenflamme aufsteigen oder wie kalte Luft aus einem Glas Eiswasser sinkt. Der warme Luftstrahl eines gewöhnlichen Haartrockners wird auf dramatische Weise sichtbar gemacht.
Auch die Strömung von anderen Gasen als Luft kann mit dieser Technik sichtbar gemacht werden. Zum Beispiel ist Schwefelhexafluorid sechsmal dichter als Luft und kann daher sichtbar aus einer Flasche in ein Glas gegossen werden, als wäre es eine Flüssigkeit.
Dieses Video unseres Aufbaus zeigt die Druckgegenknoten einer stehenden Ultraschallwelle als helle Bänder:
Man kann auch die Beugung von Licht an Objekten demonstrieren. Wenn man die meisten Lichter ausschaltet, so dass die Umgebungsbeleuchtung sehr gering ist, sieht man ein Objekt vor dem Spiegel (wenig überraschend) dunkel, aber umgeben von einem dünnen, hellen Lichtstreifen. Dieses Licht, dessen Ursprung die punktförmige Lichtquelle ist, wird an den Rändern des Objekts und in die Kamera gebeugt.
Funktionsweise
Ein Spiegel mit langer Brennweite wird verwendet, um eine punktförmige Lichtquelle auf einen dünnen Draht (oder eine Rasierklingenkante) zu fokussieren, der als Lichtblock dient. Direkt hinter dem Lichtblock befindet sich eine Kamera, die Objekte unmittelbar vor dem Spiegel im „Testbereich“ betrachtet. Ändert sich der Brechungsindex der Luft im Testbereich, wird das Bild der Punktlichtquelle leicht abgelenkt. Wird es über den Rand des Lichtblocks hinaus abgelenkt, erscheint das zusätzlich in die Kamera einfallende Licht als Lichtstreifen, die aus dem Bereich stammen, in dem sich der Brechungsindex geändert hat; dies ist der so genannte Schliereneffekt.
Die Helligkeit des Schliereneffekts ist proportional zur Größe der Brechungsänderung – je größer die Brechungsänderung, desto größer die Ablenkung des Punktlichtbildes, so dass mehr Licht über den Rand des Lichtblocks gelangt. Grundsätzlich sind Änderungen der Dichte für Änderungen des Brechungsvermögens (n – 1) verantwortlich, wobei n der Brechungsindex ist. Für Luft und andere Gase gibt es eine einfache lineare Beziehung zwischen dem Brechungsindex und der Gasdichte ρ, die wie folgt lautet
n – 1 = kρ
wobei k als Gladstone-Dale-Koeffizient bekannt ist und über den größten Teil des sichtbaren Spektrums nahezu konstant ist. Sein Wert für Luft beträgt etwa 2,3×10-4 m3/kg. Der Ausdruck für die Winkelablenkung δ des Punktlichtbildes durch einen Dichtegradienten senkrecht zur optischen Achse, sagen wir dρ/dx, ist gegeben durch
δ = kL dρ/dx
wobei L die Spannweite der Störung in Richtung der optischen Achse ist. Da die Dichte proportional zum Druck und umgekehrt proportional zur Temperatur ist, werden Änderungen dieser Eigenschaften ebenfalls sichtbar gemacht.
Da große Änderungen der Dichte eines Gases nur einer kleinen Änderung des Brechungsindexes entsprechen, muss das Schlierensystem empfindlich genug sein, um Ablenkungen von nur wenigen Bogensekunden zu erkennen. Die optische Hebelwirkung, die erforderlich ist, um diese kleinen Ablenkungen sichtbar zu machen, erfordert einen sphärischen Spiegel mit einer Brennweite von einigen hundert Zentimetern, der mit einer hohen Toleranz geformt ist. Um einen ausreichenden Kontrast zwischen dem gebrochenen Licht und dem dunklen Hintergrund zu erzeugen, muss der Durchmesser des Punktlichtbildes den Bruchteil eines Millimeters betragen, während die Lichtquelle einen Lichtstrom von mehreren hundert Lumen liefern sollte.
Für weitere Untersuchungen ist Schlieren and Shadowgraph Techniques-Visualizing Phenomena in Transparent Media (Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 2001) von G. S. Settles ein ausgezeichnetes Buch von einem der führenden Experten auf diesem Gebiet. Es enthält sowohl technische Details als auch geschichtliche Hintergründe.
Aufbau
Der Aufbau – einschließlich des sphärischen Spiegels, der Lichtquelle, des Lichtblocks und der Videokamera – erfordert eine sorgfältige Ausrichtung in einem Raum, der mindestens 7 Meter lang und 2 Meter breit ist. Der Effekt ist nur durch die Videokamera zu sehen, so dass entweder ein großer Monitor oder ein Projektionssystem benötigt wird.
Ausrüstung
(a) Die Punktlichtquelle, die wir normalerweise verwenden, ist eine kleine batteriebetriebene weiße LED-Taschenlampe, die hinter einer 400-Mikrometer-Melles-Griot-Lochblende positioniert ist, zwischen denen Vellum für eine gleichmäßige Beleuchtung eingefügt ist. Das Ganze ist in einem Gehäuse untergebracht, das an einer Optikschiene befestigt ist.
(b) Der von uns am häufigsten verwendete Lichtblock ist eine Rasierklinge, die auf einem in x-y-Richtung verstellbaren Optikpfosten montiert ist, der an der Optikschiene befestigt und so ausgerichtet ist, dass die Klinge sowohl vertikal als auch in Längsrichtung in Richtung des Spiegels bewegt werden kann. Alternativ kann auch ein Klavierdraht der Größe 7 (0,018 Zoll Durchmesser) verwendet werden, der in einem Linsenhalter montiert ist, aber denken Sie daran, dass dies am besten mit der 500-Mikron-Pinhole anstelle der 400-Mikron-Pinhole funktioniert.
(c) Der sphärische Spiegel ist ein geschützter Aluminiumspiegel von Edmund Scientific mit einem Durchmesser von 12,5″ (31,8 cm) und einer Brennweite von 123″ (312 cm), f/10 (die Spiegelhalterung wurde uns von dem verstorbenen Costas Papaliolios geschenkt). Wenn der Platz begrenzt ist, haben wir auch einen Spiegel mit einem Durchmesser von 18 Zoll und einer Brennweite von 2 Metern, f/4,3, den wir aus einem Spektrometer geborgen haben.
(d) Die Videokamera, die wir derzeit verwenden, ist eine Blackmagic Pocket Cinema Camera, die wir an ein Canon TV-16 25-100 mm f/1,8 Zoom-Objektiv angepasst haben. Für engere Aufnahmen kann auch ein Asahi Takumar 300 mm f/6.3 Objektiv mit einem Zhongyi Lens Turbo 2 Speed Booster verwendet werden. Das Objektiv wird über eine speziell angefertigte Halterung an der Optikschiene befestigt. Der Lichtblock sollte so nah am Objektiv positioniert werden, dass er völlig unscharf ist.
(e) Um den Ausrichtungsvorgang zu beschleunigen, wurde ein Adapter angefertigt, mit dem ein HeNe-Laser am C-Mount-Gewinde des Zoomobjektivs befestigt werden kann (die Videokamera muss natürlich abgenommen werden).
(f) Die bequemste Halterung für den Teleskopspiegel ist das robuste Winkeleisenstativ, das normalerweise für das Cavendish-Experiment verwendet wird. Die Spindler & Hoyer Optikschiene (an der Stativhalterung) ist ebenfalls schön stabil und voll justierbar.
Ausrichten
(1) Nivellieren Sie die Optikschiene, auf der die Punktlichtquelle, die Rasierklinge und das Zoomobjektiv/Laser montiert sind. Positionieren Sie den Teleskopspiegel im Abstand von zwei Brennweiten von der Rasierklinge, arretieren Sie den Spiegelständer mit den Nivellierschrauben und justieren Sie die Höhe der Optikschiene so, dass der Laserstrahl mittig auf den Teleskopspiegel trifft.
(2) Drehen Sie den Spiegel/Spiegelhalter, um den Laserstrahl wieder auf die Lochblende zu richten. Justieren Sie den Spiegel (mit den horizontalen und vertikalen Justierschrauben) fein, damit der Strahl genau auf die Lochblende trifft. Entfernen Sie den Laser vom Objektiv und montieren Sie die Videokamera.
(3) Blenden Sie das Objektiv weit ab (normalerweise f/22). Dadurch entsteht eine sechseckige Vignettierung (durch die Objektivblende). Justieren Sie den Teleskopspiegel (mit den Feineinstellschrauben) neu, so dass dieses sechseckige Muster im Spiegel zentriert ist (dieser Teil ist entscheidend für beste Ergebnisse!).
(4) Heben Sie den Lichtblock an und schieben Sie seine Halterung auf der Optikschiene hin und her, um die punktförmige Lichtquelle auf der Klinge grob zu fokussieren; stellen Sie die Fokussierung mit der Längseinstellschraube (an der Rasierklingenhalterung) fein ein. Senken Sie die Rasierklinge so ab, dass ihre Kante das Bild der Punktlichtquelle gerade noch abschneidet. Öffnen Sie das Objektiv auf maximale Blende und nehmen Sie die Feineinstellung der Rasierklingenkante vor. Fokussieren Sie das Objektiv auf ein beliebiges Objekt, das vor den Spiegel gehalten wird.
Die dramatischsten Effekte werden erzielt, wenn sich das Objekt, das den optischen Pfad stört, direkt vor dem Spiegel befindet. Achten Sie darauf, den Spiegel nicht zu berühren! Er ist extrem empfindlich, wenn er richtig ausgerichtet ist; ein gelegentlicher Luftzug wird wie eine vorbeiziehende Wolke aussehen. Die Wärme Ihrer Hand steigt in Strähnen auf, während die Luft, die durch ein Glas Eiswasser abgekühlt ist, schnell sinkt. Ein erhitzter Lötkolben sieht aus, als stünde er in Flammen. Schwefelhexafluoridgas erscheint wie eine Flüssigkeit, die aus einem Behälter strömt.
Obwohl der Aufbau etwas mühsam ist, lohnt sich die Demonstration mit verblüffend schönen geometrischen und physikalisch-optischen Effekten.