Увидеть невидимое⁠⁠

Наглядность — штука очень хорошая. Можно долго объяснять на формулах, показывать расчёты, обрисовывать словами… но проще показать одной картинкой и сразу всё понял. Особенно если это касается физических явлений, которые невидимы глазу. Я решил собрать в один пост известные мне техники визуализации разных физических явлений в 1 и в 2х измерениях.

Техники, известные в докомпьютерную эпоху и не использующие измерение датчиком по координатам, с последующим составлением карты.

Магнитное поле

Для совсем мелких объектов вместо опилок можно использовать магнитную жидкость — те же опилки только очень мелкие и стабилизированные в растворе. Вот так магнитная жидкость проявляет метки магнитной полосы карты:

Опилками пользоваться неудобно, поэтому изобрели специальную плёнку, где частички никеля (меньше остаточно намагничиваются) плавают в масле внутри микрокапсул, заключённых в плёнку. Она очень удобна, например, при сборке, когда нужно магнит ориентировать конкретным образом. Или убедиться, что диск магнитного энкодера не размагничен. На фото видно виниловый магнит, он намагничен полюсами в одну сторону, поэтому этой плёнкой можно быстро определить, на какую из сторон клеить декорацию.

А вот на этом фото видно, как я испортил родное намагничивание винила маленьким неодимовым магнитом, получилось скрытое послание. Визуально видно, где нарушен периодический характер магнитного поля. (так можно проверить что магнитный энкодер не испорчен)

Так как плёнка сохраняет картинку, если убрать магнит, то её используют в конструкции некоторых магнитных пломб — внешнее поле разрушит картинку специального магнита, использованного при производстве.

Для визуализации очень слабого магнитного поля, например, от магнитного пигмента в защищённой полиграфии, используют специальные магнитооптические кристаллы. Используется магнитооптический эффект, под внешним магнитным полем поворачивается поляризация отраженного света, что видно в увеличительное стекло. На фото ниже видно в поляризованном свете на поверхности кристалла в правой части картинки, что пигмент содержит магнитные частицы:

Способ хорош высокой чувствительностью, видны очень мелкие элементы, например, запись на магнитной ленте. И даже изменения структуры металла, например, при перебивке серийного номера.
Увы, мне удалось купить только сильно исцарапанный магнитооптический кристалл в составе DORS 30, оказалось их не так просто изготавливать, и у китайцев я их не нашёл. Вот так выглядят намагниченные биты всё той же магнитной полосы пластиковой карточки. Обратите внимание на рисунок доменов, где происходит смена полярности:

Механические напряжения
Увидеть внутренние напряжения в прозрачных средах можно благодаря явлению фотоупругости. При наличии таких внутренних напряжений, плоскость поляризации проходящего света поворачивается, что видно по изменению цвета и яркости через поляризационный фильтр. Устройства для просмотра таких напряжений называются полярископы. Вот, например, явно видно, где в очковой линзе из-за неидеальной обточки есть внутренние напряжения: (очки мои - тег [мое])

Способ используют для контроля наличия внутренних напряжений в прозрачных материалах, например, в стеклянных изделиях. В докомпьютерную эпоху из оргстекла изготавливали масштабные модели деталей, например, мостовых ферм, и нагружали их, наблюдая распределение нагрузок. Более наглядного распределения нагрузок в детали не показать, только моделировать на компьютере.

Вот наглядно видно, какие напряжения в оргстекле оставляет рез лазером, особенно заметно внутри буквы R. А отверстие справа не имеет ореола — исходная деталь, в которой я вырезал логотип, была изготовлена методом фрезеровки. Именно из-за внутренних напряжений порезанный на лазере акрил может покрыться трещинами по краю при нанесении клея. Если деталь после резки лазером отправить полежать в печи и дать медленно остыть то напряжения снимутся.

Температура
Ну наверное самое простое — угадайте, где под землёй теплотрасса?:)

Для визуализации распределения температур на поверхности есть жидкокристаллические плёнки. Угол, на который поворачивают плоскость поляризации оптически активных веществ, очень сильно зависит от температуры. Если нанести их на плёнку, то получится тепловизор для бедных, причём он работает в очень узком диапазоне температур, полный переход от черного до черного укладывается в диапазон менее 10 С.

Плёнка получила широкое распространение не для наблюдения за распределением температуры на поверхности, а в виде плоских (толщина бумаги) термометров. Есть даже одноразовые медицинские (как то видел хитропопых торговцев, которые паковали одноразовые термометры и продавали их как многоразовые. А еще помню вроде были такие СССРовские):

Вместо жидких кристаллов можно использовать термохромную краску. Она меняет свой цвет обратимо при пороговой температуре. Такое встречается, например, на сувенирных футболках, сразу видно, кто где кого трогал. Как раз вчера был пост с книжкой покрытой таким пигментом.

Практически все эти способы вытесняет тепловизор — камера, матрица которой реагирует не на свет, а на тепло. Это требует особой конструкции чувствительной матрицы и оптики. Но этот способ уже под изначальный мотив поста «без компьютера» не сильно подходит).

Потоки воздуха
Наиболее распространённый способ визуализировать движение воздуха — шлирен метод. Смысл состоит в том, что используется параболическое зеркало, которое отражает свет, собирая его в точку — фокус. К краю фокуса подводят нож, если свет отклонился от идеальной траектории из-за преломления на границе разных плотностей воздуха, то он упрётся в нож, и на итоговой картинке будет тёмным пятном.

Есть разные вариации этого метода, в том числе с использованием ретрорефлективных экранов. Способ используется для изучения потоков воздуха.

Другой способ, используемый в аэродинамических трубах — подмешать в поток воздуха дымка, который наглядно покажет, как движется воздух:

Для потоков жидкости можно использовать перламутр, его частички плоские, поэтому ориентируются вдоль потока и выглядят светлыми, если поток меняет направление — мы видим торцы частичек — тёмные. На этом эффекте, например, в Парке чудес Галилео мы делали экспонат «вихревая жидкость».

Если шайбу раскрутить и резко остановить, то видно, как в продолжающей по инерции движении жидкости — образуются вихри:

Акустические стоячие волны
Когда акустическая волна бежит, отражается и сама с собой интерферирует, возможно образование стоячей волны, когда образуются узлы — места, где волна взаимоуничтожилась, а есть места, где она взаимоусилилась. Самый простой способ визуализации этого явления — фигуры Хладни. Просто посыпаем пластину песком, если образуется стоячая волна, от вибрации песок сам убежит в узлы, где вибрации нет. Такой экспонат в парк чудес Галилео мы тоже делали: (Крутишь ручку частоты, ловишь резонансы, смотришь как красиво песок укладывается и думаешь о том что @logotipper, останется без работы - песок сам в готовые логотипы складывается)

Стоячие волны как раз одна из причин, почему резонаторы музыкальных инструментов, сделанные «от балды» могут звучать плохо. Одномерным вариантом визуализации стоячей волны является труба Кундта, с ней мы тоже намучались. Благодаря прозрачности и тому, что пробку в трубе можно перемещать, Кундт смог исследовать и измерить скорость звука в газе.

Ну и конечно труба Рубенса, где вместо воздуха с легкими частицами для визуализации используется горючий газ. В узлах давление газа будет ниже и высота столбиков пламени — ниже.

Электрическое поле
Для демонстрации электростатического заряда на поверхности можно использовать метод, который использовал Лихтенберг. Он делал скользящий разряд от большой электрофорной машины по поверхности диэлектрика, и затем посыпал это место тонкоизмельченным порошком, например, серой. Частички налипали в местах, где сохранялась поляризация диэлектрика и проявляла характерную фигуру, которая и носит имя Лихтенберга:

(в домашних условиях можно взять белый пластик, щёлкнуть по поверхности пьезозажигалкой и «окурить» пылью тонера — фигура проявится.)

Такие фигуры вы можете часто видеть на внутренних поверхностях пластиковых деталей приборов — там годами мелкодисперсная пыль из воздуха налипает. Фактически вся лазерная печать работает на аналогичном механизме, тонер налипает на те места фотобарабана, где сохраняется электростатический заряд.

Аналогичные по использованию есть материалы для УФ и ИК диапазона. Вот, например, карточки, светящиеся от ИК излучения лазера, упрощающие процесс юстировки:

иииии я уперся в лимит размера поста на пикабу, опять :( Сейчас оставшееся в комментарии вынесу, там немного осталось. Все-таки первый раз публиковал на хабр, там с этим сильно проще.