Tehnică optică care ne permite să observăm mici modificări ale refractivității aerului și a altor medii transparente.
Ce arată
Refracția datorată neomogenității din aer este vizibilă cu ajutorul instalației noastre de optică Schlieren cu o singură oglindă. Refracția poate fi cauzată de modificări ale densității, temperaturii sau presiunii aerului aflat imediat în fața oglinzii concave. Cu ajutorul unei camere video și al unui monitor, putem vedea curenți de convecție calzi care se ridică de la flacăra unei lumânări sau, alternativ, aerul rece care se scufundă dintr-un pahar cu apă cu gheață. Jetul de aer cald de la un uscător de păr obișnuit este vizibil în mod spectaculos.
Curgerea altor gaze decât aerul poate fi, de asemenea, vizualizată cu ajutorul acestei tehnici. De exemplu, hexafluorura de sulf gazoasă este de șase ori mai densă decât aerul și, prin urmare, poate fi turnată vizibil dintr-o sticlă într-un pahar ca și cum ar fi un lichid.
Acest videoclip al instalației noastre arată antinodurile de presiune ale unei unde staționare ultrasonice sub forma unor benzi luminoase:
Se poate demonstra, de asemenea, difracția luminii în jurul obiectelor. Stingând majoritatea luminilor, astfel încât să existe foarte puțină iluminare ambientală, un obiect plasat în fața oglinzii este văzut ca fiind întunecat (ceea ce nu este surprinzător), dar înconjurat de un contur subțire și strălucitor de lumină. Această lumină, a cărei origine este sursa punctiformă de lumină, este difractată în jurul marginilor obiectului și în camera de luat vederi.
Cum funcționează
Se folosește o oglindă cu distanță focală mare pentru a focaliza o sursă punctiformă de lumină pe un fir subțire (sau pe marginea lamei de ras), care acționează ca un bloc de lumină. Poziționată direct în spatele blocului de lumină se află o cameră de luat vederi, care privește obiectele aflate imediat în fața oglinzii în „zona de testare”. Dacă există o modificare a indicelui de refracție al aerului din zona de testare, imaginea sursei punctiforme de lumină va fi ușor deviată. Dacă este deviată dincolo de marginea blocului de lumină, lumina suplimentară care intră în cameră va apărea sub forma unor dungi de lumină care provin din zona în care a avut loc o modificare a indicelui de refracție; acesta este așa-numitul efect schlieren.
Luminozitatea efectului schlieren este proporțională cu magnitudinea modificării refracției – cu cât este mai mare modificarea refracției, cu atât este mai mare devierea imaginii luminoase punctiforme, ceea ce duce la mai multă lumină care trece peste marginea blocului luminos. În esență, modificările densității sunt responsabile de modificările refractivității (n – 1), unde n este indicele de refracție. Pentru aer și alte gaze, există o relație liniară simplă între indicele de refracție și densitatea gazului, ρ, dată de
n – 1 = kρ
unde k este cunoscut sub numele de coeficientul Gladstone-Dale și este aproape constant pe cea mai mare parte a spectrului vizibil. Valoarea sa pentru aer este de aproximativ 2,3×10-4 m3/kg. Expresia pentru devierea unghiulară δ a imaginii luminoase punctiforme de către un gradient de densitate perpendicular pe axa optică, să zicem dρ/dx, este dată de
δ = kL dρ/dx
unde L este întinderea perturbației în direcția axei optice. Deoarece densitatea este proporțională cu presiunea și invers proporțională cu temperatura, orice modificare a acestor atribute este, de asemenea, făcută vizibilă.
Pentru că modificările mari ale densității unui gaz corespund doar unei modificări mici a indicelui de refracție, sistemul schlieren trebuie să fie suficient de sensibil pentru a detecta devieri de doar câteva secunde de arc de unghi. Pârghia optică necesară pentru a face vizibile aceste deviații mici necesită o oglindă sferică cu o distanță focală de câteva sute de centimetri și modelată cu o toleranță ridicată. Pentru a oferi un contrast suficient între lumina refractată și fundalul întunecat, diametrul imaginii luminoase punctiforme trebuie să fie de o fracțiune de milimetru, în timp ce sursa de lumină trebuie să fie capabilă să ofere câteva sute de lumeni de flux.
Pentru cercetări suplimentare, Schlieren and Shadowgraph Techniques-Visualizing Phenomena in Transparent Media (Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 2001) de G. S. Settles este o carte excelentă, scrisă de una dintre cele mai importante autorități în domeniu. Sunt oferite detalii tehnice, precum și un context istoric.
Setting It Up
Configurarea – incluzând oglinda sferică, sursa de lumină, blocul de lumină și camera video – necesită o aliniere atentă într-un spațiu care are cel puțin 7 metri lungime și 2 metri lățime. Efectul poate fi văzut doar prin intermediul camerei video, așa că este nevoie fie de un monitor mare, fie de un sistem de proiecție.
Echipament
(a) Sursa de lumină punctiformă pe care o folosim de obicei este o mică lanternă LED albă alimentată cu baterii, poziționată în spatele unui orificiu Melles Griot de 400 microni, cu Vellum introdus între cele două pentru o iluminare uniformă. Toate acestea sunt montate împreună într-o carcasă care este fixată pe o șină optică.
(b) Blocul de lumină pe care îl folosim cel mai adesea este o lamă de ras montată pe un stâlp optic reglabil x-y, care este montat pe șina optică și orientat astfel încât lama să poată fi deplasată atât pe verticală, cât și pe longitudinală în direcția oglinzii. Alternativ, se poate folosi, de asemenea, o sârmă de pian de mărime 7 (diametru de 0,018 inch) montată într-un suport de lentilă, dar rețineți că aceasta funcționează cel mai bine cu gaura de 500 de microni în loc de cea de 400 de microni.
(c) Oglinda sferică este o oglindă din aluminiu protejată cu diametrul de 12,5″ (31,8 cm), distanța focală de 123″ (312 cm), f/10, de la Edmund Scientific (suportul oglinzii ne-a fost donat de către regretatul Costas Papaliolios). Atunci când spațiul este limitat, avem, de asemenea, o oglindă cu diametrul de 18″, distanța focală de 2 metri, f/4,3, pe care am recuperat-o de la un spectrometru.
(d) Camera video pe care o folosim în prezent este o Blackmagic Pocket Cinema Camera, pe care am adaptat-o pentru a monta un obiectiv Canon TV-16 25-100 mm f/1,8 Zoom. Un obiectiv Asahi Takumar 300 mm f/6,3 cu un amplificator de viteză Zhongyi Lens Turbo 2 poate fi, de asemenea, utilizat pentru filmări mai strânse. Obiectivul este atașat la șina optică prin intermediul unei monturi special realizate. Blocul de lumină trebuie poziționat suficient de aproape de obiectiv astfel încât să fie complet defocalizat.
(e) Pentru a accelera procedura de aliniere, a fost realizat un adaptor pentru a monta un laser HeNe pe filetul cu montură C al obiectivului cu zoom (camera video trebuie, desigur, să fie îndepărtată).
(f) Cel mai convenabil suport pentru oglinda telescopului este suportul robust din fier unghiular utilizat în mod normal pentru experimentul Cavendish. Șina optică Spindler & Hoyer (de pe suportul trepiedului) este, de asemenea, frumoasă și robustă și complet reglabilă.
Aliniere
(1) Nivelați șina optică pe care este montată sursa de lumină punctiformă, lama de ras și obiectivul de zoom/laserul. Poziționați oglinda telescopului la o distanță de două distanțe focale față de lama de ras, blocați suportul oglinzii cu ajutorul șuruburilor de nivelare și reglați înălțimea șinei optice astfel încât fasciculul laser să atingă oglinda telescopului în mijloc.
(2) Rotiți oglinda/suportul oglinzii pentru a direcționa fascicululul laser înapoi spre gaura de acvilă. Reglați fin oglinda (cu ajutorul șuruburilor de reglare orizontală și verticală) pentru a lovi cu precizie cu fasciculul în gaura de acvilă. Scoateți laserul din obiectiv și montați camera video.
(3) Opriți obiectivul foarte jos (de obicei f/22). Acest lucru produce un model hexagonal de vignetare (de la irisul obiectivului). Reglați din nou oglinda telescopului (cu șuruburile de reglare fină) astfel încât acest model hexagonal să fie centrat în oglindă (această parte este crucială pentru cele mai bune rezultate!).
(4) Ridicați blocul de lumină și glisați suportul său înainte și înapoi pe șina optică pentru a focaliza grosier sursa de lumină punctiformă pe lamă; reglați fin focalizarea cu șurubul de reglare longitudinală (pe suportul lamei de ras). Coborâți lama de ras astfel încât marginea sa să taie abia dacă taie imaginea sursei punctiforme. Deschideți obiectivul la diafragma maximă și reglați cu precizie înălțimea marginii briciului. Focalizați obiectivul pe orice obiect ținut în fața oglinzii.
Efectele cele mai spectaculoase sunt observate atunci când obiectul care perturbă traiectoria optică se află chiar în fața oglinzii. Aveți grijă să nu atingeți oglinda! Aceasta este extrem de sensibilă atunci când este corect aliniată; un curent de aer ocazional va arăta ca un nor care trece. Căldura de la mâna dumneavoastră se ridică în șuvițe, în timp ce aerul, răcit de un pahar de apă cu gheață, se scufundă rapid. Un fier de lipit încins pare că a luat foc. Gazul de hexafluorură de sulf pare a fi un lichid care se toarnă dintr-un recipient.
Deși un pic cam greu de pus la punct, demonstrația este foarte satisfăcătoare, cu efecte geometrice și de optică fizică de o frumusețe uimitoare.