Técnica óptica que nos permite ver pequeños cambios en la refracción del aire y otros medios transparentes.
Lo que muestra
La refracción debida a la inhomogeneidad del aire se hace visible mediante nuestro montaje de óptica de schlieren de un solo espejo. La refracción puede ser causada por cambios en la densidad, la temperatura o la presión del aire inmediatamente delante del espejo cóncavo. Con una cámara de vídeo y un monitor, podemos ver las corrientes de convección cálidas que se elevan desde la llama de una vela o, alternativamente, el aire frío que se hunde desde un vaso de agua helada. El chorro de aire caliente de un secador de pelo corriente se hace dramáticamente visible.
El flujo de gases distintos del aire también puede visualizarse con esta técnica. Por ejemplo, el gas hexafluoruro de azufre es seis veces más denso que el aire, por lo que puede verterse visiblemente desde una botella a un vaso como si fuera un líquido.
Este vídeo de nuestro montaje muestra los antinodos de presión de una onda estacionaria ultrasónica como bandas brillantes:
También se puede demostrar la difracción de la luz alrededor de los objetos. Bajando la mayoría de las luces para que haya muy poca iluminación ambiental, un objeto colocado frente al espejo se ve oscuro (no es sorprendente), pero rodeado por un delgado y brillante contorno de luz. Esta luz, cuyo origen es la fuente de luz puntual, se difracta alrededor de los bordes del objeto y hacia la cámara.
Cómo funciona
Se utiliza un espejo de larga distancia focal para enfocar una fuente de luz puntual sobre un alambre fino (o el borde de una cuchilla), que actúa como bloque de luz. Colocada directamente detrás del bloque de luz hay una cámara, que está mirando a los objetos inmediatamente delante del espejo en la «zona de prueba». Si se produce un cambio en el índice de refracción del aire en la zona de prueba, la imagen de la fuente de luz puntual se desviará ligeramente. Si se desvía más allá del borde del bloque de luz, la luz adicional que entra en la cámara aparecerá como rayas de luz que se originan en el área donde hubo un cambio en el índice de refracción; este es el llamado efecto schlieren.
El brillo del efecto schlieren es proporcional a la magnitud del cambio en la refracción: cuanto mayor es el cambio en la refracción, mayor es la desviación de la imagen de la luz puntual, lo que resulta en más luz que pasa por encima del borde del bloque de luz. Fundamentalmente, son los cambios en la densidad los responsables de los cambios en la refractividad (n – 1), donde n es el índice de refracción. Para el aire y otros gases, existe una relación lineal simple entre el índice de refracción y la densidad del gas, ρ, dada por
n – 1 = kρ
donde k se conoce como coeficiente de Gladstone-Dale y es casi constante en la mayor parte del espectro visible. Su valor para el aire es de aproximadamente 2,3×10-4 m3/kg. La expresión para la desviación angular δ de la imagen de luz puntual por un gradiente de densidad perpendicular al eje óptico, digamos dρ/dx, viene dada por
δ = kL dρ/dx
donde L es la extensión de la perturbación en la dirección del eje óptico. Dado que la densidad es proporcional a la presión e inversamente proporcional a la temperatura, cualquier cambio en estos atributos se hace igualmente visible.
Debido a que los grandes cambios en la densidad de un gas corresponden sólo a un pequeño cambio en el índice de refracción, el sistema schlieren tiene que ser lo suficientemente sensible como para detectar desviaciones de sólo unos pocos segundos de arco de ángulo. La palanca óptica necesaria para hacer evidentes estas pequeñas desviaciones requiere un espejo esférico con una longitud focal de unos cientos de centímetros, y con una forma de alta tolerancia. Para proporcionar un contraste suficiente entre la luz refractada y el fondo oscuro, el diámetro de la imagen de luz puntual debe ser una fracción de milímetro, mientras que la fuente de luz debe ser capaz de proporcionar varios cientos de lúmenes de flujo.
Para profundizar en la investigación, Schlieren and Shadowgraph Techniques-Visualizing Phenomena in Transparent Media (Springer-Verlag, Berlín, Heidelberg, Nueva York, 2001) de G. S. Settles es un libro excelente de una de las principales autoridades en la materia. Incluye detalles técnicos y antecedentes históricos.
Cómo montarlo
El montaje -que incluye el espejo esférico, la fuente de luz, el bloque de luz y la cámara de vídeo- requiere una alineación cuidadosa en un espacio de al menos 7 metros de largo y 2 metros de ancho. El efecto sólo puede verse a través de la cámara de vídeo, por lo que se necesita un monitor grande o un sistema de proyección.
Equipo
(a) La fuente de luz puntual que solemos utilizar es una pequeña linterna LED blanca a pilas colocada detrás de un estenopeico Melles Griot de 400 micras con Vellum insertado entre los dos para una iluminación uniforme. Todo esto está montado junto en una carcasa que está unida a un carril de óptica.
(b) El bloque de luz que utilizamos más a menudo es una cuchilla de afeitar montada en un poste de óptica ajustable x-y, que está montado en el carril de óptica y orientado de manera que la cuchilla se puede mover verticalmente, así como longitudinalmente en la dirección del espejo. Alternativamente, también se puede utilizar una cuerda de piano de tamaño 7 (0,018 pulgadas de diámetro) montada en un soporte de lentes, pero tenga en cuenta que esto funciona mejor con el agujero de alfiler de 500 micras en lugar del de 400 micras.
(c) El espejo esférico es un espejo de aluminio protegido de 12,5″ (31,8 cm) de diámetro, 123″ (312 cm) de distancia focal, f/10, de Edmund Scientific (la montura del espejo nos fue donada por el difunto Costas Papaliolios). Cuando el espacio es limitado, también disponemos de un espejo de 18″ de diámetro, 2 metros de distancia focal, f/4,3 que rescatamos de un espectrómetro.
(d) La cámara de vídeo que utilizamos actualmente es una Blackmagic Pocket Cinema Camera, que hemos adaptado para montar un objetivo Canon TV-16 25-100 mm f/1,8 Zoom. También se puede utilizar un objetivo Asahi Takumar 300 mm f/6,3 con un potenciador de velocidad Zhongyi Lens Turbo 2 para tomas más ajustadas. El objetivo se acopla al raíl de la óptica a través de una montura especialmente fabricada. El bloque de luz debe colocarse lo suficientemente cerca del objetivo para que esté completamente desenfocado.
(e) Para acelerar el procedimiento de alineación, se ha fabricado un adaptador para montar un láser de HeNe en la rosca de la montura C del objetivo de zoom (la cámara de vídeo, por supuesto, debe retirarse).
(f) El soporte más conveniente para el espejo del telescopio es el robusto soporte de hierro angular que normalmente se utiliza para el experimento Cavendish. El carril de óptica Spindler & Hoyer (en la montura del trípode) también es bonito y robusto y totalmente ajustable.
Alineación
(1) Nivele el carril de óptica en el que está montada la fuente de luz puntual, la cuchilla de afeitar y la lente de zoom/láser. Coloque el espejo del telescopio a una distancia de dos longitudes focales de la cuchilla de afeitar, bloquee el soporte del espejo en su lugar con los tornillos de nivelación y ajuste la altura del riel de óptica de manera que el rayo láser golpee el espejo del telescopio en el centro.
(2) Gire el espejo/soporte del espejo para dirigir el rayo láser hacia el agujero de alfiler. Ajuste con precisión el espejo (utilizando los tornillos de ajuste horizontal y vertical) para que el rayo incida con precisión en el agujero de alfiler. Retire el láser del objetivo y monte la cámara de vídeo.
(3) Detenga el objetivo muy abajo (normalmente f/22). Esto produce un patrón de viñeteado hexagonal (del iris del objetivo). Vuelva a ajustar el espejo del telescopio (con los tornillos de ajuste fino) para que este patrón hexagonal esté centrado en el espejo (¡esta parte es crucial para obtener los mejores resultados!).
(4) Levante el bloque de luz y deslice su montura hacia adelante y hacia atrás en el carril de la óptica para enfocar toscamente la fuente de luz puntual en la cuchilla; afine el enfoque con el tornillo de ajuste longitudinal (en la montura de la cuchilla). Baje la cuchilla de afeitar para que su borde apenas corte la imagen de la fuente puntual. Abrir el objetivo al máximo y ajustar la altura del borde de la cuchilla. Enfoque el objetivo hacia el objeto que tenga delante del espejo.
Los efectos más espectaculares se ven cuando el objeto que perturba la trayectoria óptica está justo delante del espejo. ¡Tenga cuidado de no tocar el espejo! Es extremadamente sensible cuando está bien alineado; una corriente de aire ocasional se verá como una nube que pasa. El calor de su mano se eleva en volutas mientras que el aire, enfriado por un vaso de agua helada, se hunde rápidamente. Un soldador caliente parece estar en llamas. El gas de hexafluoruro de azufre parece un líquido que sale de un recipiente.
Aunque es un poco difícil de montar, la demostración es muy gratificante, con efectos geométricos y de óptica física asombrosos.