Tecnica ottica che ci permette di vedere piccoli cambiamenti nella rifrangenza dell’aria e di altri mezzi trasparenti.
Cosa mostra
La rifrazione dovuta alla disomogeneità dell’aria è resa visibile dalla nostra configurazione ottica Schlieren a specchio singolo. La rifrazione può essere causata da cambiamenti nella densità, temperatura o pressione dell’aria immediatamente davanti allo specchio concavo. Con una videocamera e un monitor, possiamo vedere correnti convettive calde che salgono dalla fiamma di una candela o, in alternativa, aria fredda che affonda da un bicchiere di acqua ghiacciata. Il getto di aria calda di un normale asciugacapelli è reso drammaticamente visibile.
Il flusso di gas diversi dall’aria può anche essere visualizzato con questa tecnica. Per esempio, il gas esafluoruro di zolfo è sei volte più denso dell’aria, e quindi può essere visibilmente versato da una bottiglia in un bicchiere come se fosse un liquido.
Questo video del nostro setup mostra gli antinodi di pressione di un’onda stazionaria ultrasonica come bande luminose:
Si può anche dimostrare la diffrazione della luce intorno agli oggetti. Abbassando la maggior parte delle luci in modo che ci sia pochissima illuminazione ambientale, un oggetto posto di fronte allo specchio è visto come scuro (non a caso), ma circondato da un sottile contorno luminoso di luce. Questa luce, la cui origine è la sorgente di luce puntiforme, viene diffratta intorno ai bordi dell’oggetto e nella telecamera.
Come funziona
Uno specchio di lunga lunghezza focale viene utilizzato per mettere a fuoco una sorgente di luce puntiforme su un filo sottile (o una lama di rasoio), che funge da blocco di luce. Posizionata direttamente dietro il blocco di luce c’è una telecamera che guarda gli oggetti immediatamente di fronte allo specchio nella “zona di test”. Se c’è un cambiamento nell’indice di rifrazione dell’aria nell’area di prova, l’immagine della sorgente luminosa puntiforme sarà leggermente deviata. Se viene deviata oltre il bordo del blocco di luce, la luce aggiuntiva che entra nella telecamera apparirà come strisce di luce provenienti dall’area in cui c’è stato un cambiamento nell’indice di rifrazione; questo è il cosiddetto effetto schlieren.
La luminosità dell’effetto schlieren è proporzionale alla grandezza del cambiamento di rifrazione – maggiore è il cambiamento di rifrazione, maggiore è la deflessione dell’immagine della luce puntiforme che risulta in più luce che passa sopra il bordo del blocco di luce. Fondamentalmente, sono i cambiamenti nella densità che sono responsabili dei cambiamenti nella rifrangenza (n – 1), dove n è l’indice di rifrazione. Per l’aria e altri gas, c’è una semplice relazione lineare tra l’indice di rifrazione e la densità del gas, ρ, data da
n – 1 = kρ
dove k è conosciuto come il coefficiente Gladstone-Dale ed è quasi costante sulla maggior parte dello spettro visibile. Il suo valore per l’aria è circa 2,3×10-4 m3/kg. L’espressione per la deviazione angolare δ dell’immagine luminosa puntiforme da un gradiente di densità perpendicolare all’asse ottico, diciamo dρ/dx, è data da
δ = kL dρ/dx
dove L è la portata del disturbo nella direzione dell’asse ottico. Poiché la densità è proporzionale alla pressione e inversamente proporzionale alla temperatura, qualsiasi cambiamento in questi attributi è allo stesso modo reso visibile.
Poiché grandi cambiamenti nella densità di un gas corrispondono solo a un piccolo cambiamento nell’indice di rifrazione, il sistema schlieren deve essere abbastanza sensibile da rilevare deviazioni di pochi arcsecondi di angolo. La leva ottica necessaria per rendere evidenti queste piccole deviazioni richiede uno specchio sferico con una lunghezza focale di alcune centinaia di centimetri, e sagomato con un’alta tolleranza. Per fornire un contrasto sufficiente tra la luce rifratta e lo sfondo scuro, il diametro dell’immagine della luce puntiforme deve essere di una frazione di millimetro, mentre la fonte di luce dovrebbe essere in grado di dare diverse centinaia di lumen di flusso.
Per ulteriori ricerche, Schlieren and Shadowgraph Techniques-Visualizing Phenomena in Transparent Media (Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 2001) di G. S. Settles è un libro eccellente di una delle autorità principali sull’argomento. Vengono forniti i dettagli tecnici e il background storico.
Impostazione
L’impostazione, che comprende lo specchio sferico, la fonte di luce, il blocco di luce e la videocamera, richiede un attento allineamento in uno spazio lungo almeno 7 metri e largo 2 metri. L’effetto può essere visto solo attraverso la videocamera, quindi è necessario un grande monitor o un sistema di proiezione.
Apparecchiatura
(a) La sorgente di luce puntiforme che usiamo di solito è una piccola torcia a LED bianca alimentata a batteria posizionata dietro un foro stenopeico Melles Griot da 400 micron con Vellum inserito tra i due per un’illuminazione uniforme. Questi sono tutti montati insieme in un alloggiamento che è attaccato ad una guida ottica.
(b) Il blocco di luce che usiamo più spesso è una lama di rasoio montata su un palo ottico regolabile x-y, che è montato sulla guida ottica e orientato in modo che la lama può essere spostata verticalmente e longitudinalmente nella direzione dello specchio. In alternativa, si può usare anche un filo di pianoforte di misura 7 (0,018 pollici di diametro) montato in un supporto per lenti, ma tenete presente che questo funziona meglio con il pinhole da 500 micron invece di quello da 400 micron.
(c) Lo specchio sferico è un 12,5″ (31,8 cm) di diametro, 123″ (312 cm) di lunghezza focale, f/10, specchio in alluminio protetto della Edmund Scientific (il supporto dello specchio ci è stato donato dal defunto Costas Papaliolios). Quando lo spazio è limitato, abbiamo anche uno specchio da 18″ di diametro, 2 metri di lunghezza focale, f/4.3 che abbiamo recuperato da uno spettrometro.
(d) La videocamera che usiamo attualmente è una Blackmagic Pocket Cinema Camera, che abbiamo adattato per montare un Canon TV-16 25-100 mm f/1.8 Zoom Lens. Un obiettivo Asahi Takumar 300 mm f/6.3 con un booster di velocità Zhongyi Lens Turbo 2 può anche essere utilizzato per riprese più strette. L’obiettivo è attaccato al binario dell’ottica tramite un supporto fatto apposta. Il blocco di luce dovrebbe essere posizionato abbastanza vicino all’obiettivo in modo che sia completamente fuori fuoco.
(e) Per accelerare la procedura di allineamento, è stato fatto un adattatore per montare un laser HeNe sulla filettatura C-mount dell’obiettivo zoom (la videocamera naturalmente deve essere rimossa).
(f) Il supporto più conveniente per lo specchio del telescopio è il robusto supporto in ferro ad angolo normalmente utilizzato per l’esperimento Cavendish. La guida ottica Spindler & Hoyer (sul supporto del treppiede) è anche bello e robusto e completamente regolabile.
Allineamento
(1) Livellare la guida ottica su cui è montata la sorgente di luce puntiforme, lama di rasoio, e lente zoom/laser. Posizionare lo specchio del telescopio a una distanza di due lunghezze focali dalla lametta, bloccare il supporto dello specchio in posizione con le viti di livellamento e regolare l’altezza della guida ottica in modo che il raggio laser colpisca lo specchio del telescopio al centro.
(2) Ruotare lo specchio/il supporto dello specchio per dirigere il raggio laser verso il foro stenopeico. Regolare bene lo specchio (usando le viti di regolazione orizzontale e verticale) per colpire con precisione il foro stenopeico con il raggio. Rimuovere il laser dall’obiettivo e montare la videocamera.
(3) Fermare l’obiettivo molto in basso (tipicamente f/22). Questo produce un modello di vignettatura esagonale (dal diaframma dell’obiettivo). Regolare nuovamente lo specchio del telescopio (con le viti di regolazione fine) in modo che questo modello esagonale sia centrato nello specchio (questa parte è cruciale per i migliori risultati!).
(4) Sollevare il blocco di luce e far scorrere il suo supporto avanti e indietro sulla guida ottica per mettere a fuoco grossolanamente la sorgente luminosa puntiforme sulla lama; mettere a punto la messa a fuoco con la vite di regolazione longitudinale (sul supporto della lama di rasoio). Abbassare la lametta in modo che il suo bordo tagli appena appena l’immagine della sorgente puntiforme. Aprire l’obiettivo alla massima apertura e regolare l’altezza del bordo della lametta. Mettere a fuoco l’obiettivo su qualsiasi oggetto sia tenuto davanti allo specchio.
Gli effetti più drammatici si vedono quando l’oggetto che disturba il percorso ottico è proprio di fronte allo specchio. Fate attenzione a non toccare lo specchio! È estremamente sensibile quando è correttamente allineato; uno spiffero occasionale sembrerà una nuvola di passaggio. Il calore della vostra mano sale in cianfrusaglie mentre l’aria, raffreddata da un bicchiere di acqua ghiacciata, affonda rapidamente. Un saldatore riscaldato sembra andare a fuoco. Il gas esafluoruro di zolfo sembra essere un liquido che esce da un contenitore.
Anche se è un po’ difficile da mettere in piedi, la dimostrazione è molto gratificante con effetti geometrici e di ottica fisica incredibilmente belli.