Técnica óptica que nos permite ver pequenas alterações na refratariedade do ar e outros meios transparentes.
O que mostra
Refração devido à falta de homogeneidade no ar é tornada visível pela nossa configuração de óptica Schlieren de espelho único. A refracção pode ser causada por alterações na densidade, temperatura ou pressão do ar imediatamente em frente ao espelho côncavo. Com uma câmera de vídeo e um monitor, podemos ver correntes de convecção quentes subindo de uma chama de vela ou, alternativamente, o ar frio afundando de um copo de água gelada. O jato de ar quente de um secador de cabelo comum é tornado dramaticamente visível.
O fluxo de gases que não o ar também pode ser visualizado com esta técnica. Por exemplo, o gás hexafluoreto de enxofre é seis vezes mais denso que o ar, e por isso pode ser visivelmente vertido de uma garrafa para um copo como se fosse um líquido.
Este vídeo da nossa configuração mostra os antinódios de pressão de uma onda de pé ultra-sónica como bandas brilhantes:
Uma também pode demonstrar a difracção da luz em torno de objectos. Ao diminuir a maioria das luzes para que haja muito pouca iluminação ambiente, um objeto colocado em frente ao espelho é visto como escuro (não surpreendentemente), mas rodeado por um contorno fino e brilhante de luz. Esta luz, cuja origem é a fonte de luz pontual, está sendo difratada ao redor das bordas do objeto e dentro da câmera.
Como funciona
Um espelho de longa distância focal é usado para focalizar uma fonte de luz pontual sobre um fio fino (ou lâmina de barbear), que atua como um bloco de luz. Posicionada diretamente atrás do bloco de luz está uma câmera, que está olhando para objetos imediatamente em frente ao espelho na “área de teste”. Se houver uma mudança no índice de refração do ar na área de teste, a imagem da fonte de luz pontual será ligeiramente defletida. Se ela for desviada além da borda do bloco de luz, a luz adicional que entra na câmera aparecerá como listras de luz originárias da área onde houve uma mudança no índice de refração; este é o chamado efeito schlieren.
O brilho do efeito schlieren é proporcional à magnitude da mudança na refração – quanto maior a mudança na refração, maior a deflexão da imagem de luz pontual resultando em mais luz passando sobre a borda do bloco de luz. Fundamentalmente, são as mudanças na densidade que são responsáveis pelas mudanças na refratariedade (n – 1), onde n é o índice de refração. Para o ar e outros gases, existe uma relação linear simples entre o índice de refração e a densidade do gás, ρ, dado por
n – 1 = kρ
onde k é conhecido como coeficiente Gladstone-Dale e é quase constante sobre a maior parte do espectro visível. O seu valor para o ar é aproximadamente 2,3×10-4 m3/kg. A expressão para a deflexão angular δ da imagem da luz pontual por um gradiente de densidade perpendicular ao eixo óptico, digamos dρ/dx, é dada por
δ = kLL / δ/dx
onde L é a amplitude da perturbação na direcção do eixo óptico. Uma vez que a densidade é proporcional à pressão e inversamente proporcional à temperatura, quaisquer alterações nestes atributos são igualmente visíveis.
Porque grandes alterações na densidade de um gás correspondem apenas a uma pequena alteração no índice de refracção, o sistema schlieren tem de ser suficientemente sensível para detectar deflexões de apenas alguns segundos de arco de ângulo. A alavanca óptica necessária para tornar estas pequenas deflexões aparentes requer um espelho esférico com uma distância focal de algumas centenas de centímetros, e moldado a uma tolerância elevada. Para proporcionar contraste suficiente entre a luz refratada e o fundo escuro, o diâmetro da imagem de luz pontual precisa ser uma fração de um milímetro, enquanto a fonte de luz deve ser capaz de dar várias centenas de lúmens de fluxo.
Para mais pesquisas, Schlieren e Shadowgraph Techniques-Visualizing Phenomena in Transparent Media (Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 2001) de G. S. Settles é um excelente livro de uma das principais autoridades sobre o assunto. Fornecido são detalhes técnicos bem como histórico.
Configurar para cima
A configuração – incluindo o espelho esférico, fonte de luz, bloco de luz e câmera de vídeo – requer um alinhamento cuidadoso em um espaço de pelo menos 7 metros de comprimento e 2 metros de largura. O efeito só pode ser visto através da câmera de vídeo, portanto é necessário um monitor grande ou um sistema de projeção.
Equipamento
(a) A fonte de luz pontual que normalmente usamos é uma pequena lanterna LED branca alimentada por bateria posicionada atrás de um orifício de 400 mícrons de Melles Griot com Vellum inserido entre os dois para uma iluminação uniforme. Estas são todas montadas juntas numa caixa que é fixada a uma barra óptica.
(b) O bloco de luz que usamos com mais frequência é uma lâmina de barbear montada num poste óptico ajustável em x-y, que é montado na barra óptica e orientado de modo a que a lâmina possa ser movida tanto verticalmente como longitudinalmente na direcção do espelho. Alternativamente, uma corda de piano tamanho 7 (0,018 polegadas de diâmetro) montada num suporte de lentes também pode ser usada, mas tenha em mente que isto funciona melhor com o orifício de 500 mícron em vez do orifício de 400 mícron.
(c) O espelho esférico tem um diâmetro de 12,5″ (31,8 cm), distância focal de 123″ (312 cm), f/10, espelho de alumínio protegido da Edmund Scientific (a montagem do espelho foi-nos doada pelo falecido Costas Papaliolios). Quando o espaço é limitado, também temos um espelho de 18″ de diâmetro, 2 metros de distância focal, f/4.3 que salvamos de um espectrômetro.
(d) A câmera de vídeo que usamos atualmente é uma Câmera de Cinema Blackmagic Pocket, que adaptamos para caber numa Canon TV-16 25-100 mm f/1.8 Zoom Lente. Uma lente Asahi Takumar 300 mm f/6.3 com uma lente Zhongyi Turbo 2 speed booster também pode ser usada para fotos mais apertadas. A lente é fixada ao trilho óptico através de uma montagem especialmente feita para o efeito. O bloco de luz deve ser posicionado suficientemente perto da lente para que fique completamente fora de foco.
(e) Para acelerar o procedimento de alinhamento, foi feito um adaptador para montar um laser HeNe na rosca C-mount da lente zoom (a câmera de vídeo, claro, precisa ser removida).
(f) O suporte mais conveniente para o espelho telescópico é o suporte de ferro angular robusto normalmente usado para a experiência Cavendish. O Spindler & Trilho óptico Hoyer (na montagem do tripé) também é agradável e robusto e totalmente ajustável.
Alinhamento
(1) Nivele o trilho óptico no qual a fonte de luz pontual, lâmina de barbear e lentes/laser de zoom é montada. Posicione o espelho do telescópio a uma distância de duas distâncias focais da lâmina de barbear, bloqueie o suporte do espelho com os parafusos de nivelamento e ajuste a altura da barra óptica de modo que o raio laser atinja o espelho do telescópio no meio.
(2) Gire o suporte do espelho/espelho para direcionar o raio laser de volta para o orifício. Ajuste fino o espelho (usando os parafusos de ajuste horizontal e vertical) para acertar com precisão o orifício com o feixe. Retire o laser da lente e monte a câmara de vídeo.
(3) Pare a lente muito abaixo (normalmente f/22). Isto produz um padrão de vinheta hexagonal (a partir da íris da lente). Reajuste o espelho do telescópio (com os parafusos de ajuste fino) para que este padrão hexagonal fique centrado no espelho (esta parte é crucial para melhores resultados!).
(4) Levante o bloco de luz e deslize sua montagem para frente e para trás sobre o trilho óptico para focalizar grosseiramente a fonte de luz pontual na lâmina; ajuste fino o foco com o parafuso de ajuste longitudinal (no suporte da lâmina de barbear). Baixe a lâmina de barbear de modo que seu bordo mal corte a imagem da fonte de luz pontual. Abra a lente para a abertura máxima e ajuste fino da altura do fio da lâmina de barbear. Focalize a lente em qualquer objeto que esteja na frente do espelho.
Os efeitos mais dramáticos são vistos quando o objeto que perturba o caminho óptico está bem na frente do espelho. Tenha cuidado para não tocar no espelho! Ele é extremamente sensível quando devidamente alinhado; um rascunho ocasional parecerá uma nuvem passageira. O calor da sua mão sobe em mechas enquanto o ar, arrefecido por um copo de água gelada, se afunda rapidamente. Um ferro de solda aquecido parece que está em chamas. O gás hexafluoreto de enxofre parece ser um líquido a sair de um recipiente.
Apesar de um pouco de urso para montar, a demonstração é muito gratificante com efeitos geométricos e ópticos físicos deslumbrantemente bonitos.