Шлирен-метод для визуализации потоков и времяпрепровождения
Подрабатываю репетитором.
Возьмите чашечку кофа и углубитесь в чтение. Ведь я собираюсь говорить о физике!
Предисловие.
Я уже писал про девочку Аню, с которой мы занимаемся олимпиадами. Собственно, мы и сейчас занимаемся. В качестве дополнения я решил внести лабораторные работы, поэтому мы с Аней научились использовать Шлирен-метод для визуализации потоков и даже выпустили публикацию (маленькую, скромную, но тем не менее!).
Я хочу показать вам сегодня суть Шлирен-метода на примере нашей школьной работы. В тексте я постараюсь подробно описать все технические нюансы, чтобы желающие могли повторить.
Приятного чтения. Длиннопост!
Суть Шлирен-метода
Я думаю, все люди так или иначе сталкивались с преломлением света при переходе между различными средами. Например, все знают, что если посмотреть на стакан с водой, в котором торчит ложка, то ложка будет как будто сломана.
Инженер не ломать ложка, оптика ломать ложка
Так происходит из-за того, что в воде и воздухе свет движется с разной скоростью и при переходе из одной среды в другую вынужденно меняет траекторию движения.
Если мы пронаблюдаем столкновение холодного и горячего воздуха (теплый воздух над костром и холодный воздух вокруг или теплый воздух, выходящий из комнаты на улицу в мороз),то легко заметим некоторое дрожание этого самого воздуха. В видео показан пример с костром. Обратите внимание, что воздух над ним (в правой части кадра) еле заметно дрожит.
Это дрожание вызвано тем, что горячий и холодный воздух имеют разную плотность. Из-за разной плотности свет в холодном и горячем воздухе преломляется чуть-чуть по-разному. Не настолько сильно, чтобы ломалась ложка, но достаточно сильно, чтобы мы видели искажения.
Замечу, что такую ситуацию можно создать не только температурой - достаточно просто подуть, например, и уже появятся воздушные потоки с отличающейся плотностью. Незначительно, но отличающейся. Такие потоки глазу, конечно, не видны.
И так мы плавно переходим к сути метода. Получается, что свет, пройдя через нагретый воздух или через воздушный поток, преломляется чуть-чуть иначе, чем во всем остальном воздухе. Значит, если мы сможем исхитриться и это 'чуть-чуть' пронаблюдать, то мы сможем увидеть сами искажения! Визуализировать почти невидимые глазу воздушные потоки!
Для этого есть шикарный теневой метод или Шлирен-метод.
Этот метод можно реализовать просто - направить на область с воздушными потоками яркий свет и наблюдать визуализацию этих потоков на экране. В видео пример со свечкой.
Видно! Конечно, плохо видно, ведь свечка создает маленькие искажения.
Однако, если вы хотите наблюдать ситуацию более детально, то нужно усложнить оптическую схему.
Схема эксперимента
Итак, на рисунке я привел схему более сложного эксперимента.
ФП - фотоаппарат, СД - светодиод, НФ - нож Фуко, СЗ - сферическое зеркало
Суть довольно проста. Свет от точечного источника (я использовал синие светодиоды, которым закрасил башку черным гель-лаком так, чтобы осталась только маленькая точка) проходит через область с воздушными потоками, часть из этих лучей на этих потоках преломляется. Затем весь свет попадает на сферическое вогнутое зеркало, которое собирает все эти лучи обратно в одну точку на фотоаппарате. Поскольку в таком случае в объектив попадут лучи, прошедшие через весь объем воздуха, то область с возмущенным воздухом будет отлично видна на фоне невозмущенного воздуха, и при этом все малейшие искажения будут видны.
В качестве фотоаппарата я использовал свою старую зеркалку Nikon D3100 с объективом Tamron. В целом тут нет великих требований к фотоаппарату, но объектив с хорошим зумом определенно был очень удобен.
В качестве сферического зеркала я использовал зеркало с диаметром 25 см из лазерной установки, выведенной из эксплуатации. Сразу скажу, что я пробовал использовать сферические косметические зеркала с озона - они все очень кривые (я попробовал три разных) и не могут сфокусировать излучение в одну точку. Получается довольно большое и кривое пятно, из которого изображение в общем-то можно получить, но все это будет уродливо и некрасиво. Но можно. Но не нужно.
Закономерный вопрос - что такое нож Фуко и зачем он нужен?
1. Нож Фуко - любая поверхность с резким краем. Подойдет лезвие ножа (я использовал канцелярский), банковская карточка и так далее.
2. Нож Фуко позволяет убрать лишнюю засветку.
Для подстройки положения ножа я использовал подвижный оптический столик, который позволял аккуратно двигать нож вверх-вниз. В столике нет особой необходимости, просто так удобнее.
Давайте посмотрим разницу в изображении с ножом Фуко и без него.
В видео подсвечен воздух над свечой. Я сначала поднимаю нож, перекрывая тем самым часть изображения, затем убираю.
Разница очевидна, без ножа видно очень плохо.
Замечу, что нож Фуко ставится в самом фокусе изображения. Объектив фотоаппарата, соответственно, на пару сантиметров дальше. Источник света и фотоаппарат ставятся близко друг к другу на одном уровне.
Результаты эксперимента
И, собственно, самая интересная часть - что же мы там наснимали?
Давайте начнем с перехода потока из ламинарного в турбулентный.
Если свечку оставить в покое, то над ее пламенем образуется, вообще говоря, ламинарный, то есть, ровный и однородный поток. Если на нее дунуть, то начнут происходит воздушные завихрения и поток станет турбулентным - сплошная воздушная мешанина.
Очевидно, что турбулентный поток лучше видно, поскольку он сильнее возмущает воздух.
А здесь показаны воздушные и газовые потоки вокруг зажигалки.
И в качестве вишенки в тарелке черешни - демонстрация эффекта Коанда.
Суть проста - если воздушный поток упирается в преграду, то рядом с преградой образуется область пониженного давления, которая подсасывает воздушный поток, заставляя его прилипать к поверхности и обтекать преграду.
В качестве воздушного потока я использовал воздух из фена, в качестве преграды - коробку от бадминтонных воланчиков. Фен медленно опускается сверху вниз. Заметно, что поток постепенно прилипает к поверхности и заходит в область, в которой его, вообще говоря, быть не должно.
Ну, и конечно же, воздушные потоки над простым советским паяльником.
Заключение
Как по мне, демонстрации с помощью Шлирен-метода отлично подходят для того, чтобы вызывать интерес у школьников в вопросах физики, поскольку метод относительно прост в реализации и имеет крайне широкую область применения.
Уточню, что именно таковой и была цель моих действий - вызвать интерес к физике. Этого результата я однозначно добился. И, конечно же, в интернете есть много похожих более интересных демонстраций еще и снятых более аккуратно - моему месту под Солнцем это не мешает, даже помогает.
На этом все! С вами был автор этого поста в моем лице, который будет рад ответить на любые вопросы в комментах!
Больше похожих демонстраций вы найдете на моем Telegram-канале!
P.S. По всем вопросам - Alexjuriev3142@gmail.com
