Общие знания

Шлирен-метод: Как мы можем видеть и фотографировать воздух?


Шлирен-метод — это метод, в котором используются изменения показателей преломления, чтобы увидеть и сфотографировать воздушный поток.

Когда вы видите свое дыхание, вы знаете, что погода очень холодная, но в обычный день ваше дыхание так же незаметно, как и остальной воздух вокруг вас. Может быть, есть способ запечатлеть это дыхание на фотографии?

Что такое шлирен-изображение?

Визуализация по Шлирену - это метод, использующий изменения коэффициента преломления в жидкости для визуализации потоков жидкости, которые иначе невидимы для человеческого глаза.

Эта техника широко используется для получения изображений воздушного потока. Теперь мы можем наблюдать, фотографировать или снимать видео в замедленном режиме, как течет и ведет себя воздух. Изображение Шлирена может быть использовано для съемки тепла, поднимающегося от наших тел, гелия, выходящего из лопнувшего воздушного шара, или ударных волн от пули - вот лишь некоторые из захватывающих применений.

Мы даже можем увидеть, как тепло поднимается от наших рук с помощью изображения Шлирена.

Принцип, лежащий в основе формирования изображений Шлирена

Принцип работы изображения Шлирена можно объяснить с помощью понятия коэффициента преломления. Скорость света меняется в зависимости от среды, через которую он проходит. Свет преломляется или изгибается при движении между средами с различной плотностью. Степень этого изгиба и есть показатель преломления среды. Он представляет собой отношение скорости света в вакууме к скорости света в среде.

Преломление - вот почему карандаш выглядит так, будто он согнут, когда частично погружен в воду.

Обычно мы говорим, что коэффициент преломления воздуха составляет около 1,0003, но это значение меняется в зависимости от таких факторов, как температура, давление и состав воздуха. Например, коэффициент преломления горячего воздуха меньше, чем холодного. Именно поэтому в жаркие дни мы можем видеть миражи на дороге. Когда свет проходит через неоднородную среду, он претерпевает преломление, то есть слегка отклоняется на другой путь.

Такие изменения коэффициента преломления в среде принято называть "шлирен", а визуализация по Шлирену позволяет увидеть такие изменения. С помощью этого метода мы можем зафиксировать и лучше понять взаимодействие объекта с окружающим его воздухом.

Применение изображений Шлирена

С помощью визуализации Шлирена мы можем увидеть наше дыхание при выдохе. Мы можем наблюдать, как пламя свечи взаимодействует с воздухом. Мы можем видеть, как бутан вытекает из зажигалки, и что именно происходит с воздухом вокруг нее, когда мы зажигаем ее.

Выдохи, запечатленные с помощью метода визуализации Шлирена.

Итак, мы можем видеть воздух - замечательно, но зачем нам вообще нужно видеть наше дыхание? Существует несколько ключевых применений, но вы можете посмотреть видео ниже, чтобы увидеть особенно интересное из них.

Изображение Шлирена используется для того, чтобы запечатлеть, как маски контролируют воздух, который мы выдыхаем, помогая тем самым контролировать распространение пандемии, охватившей мир в последние годы.

Видеть свое дыхание - это, конечно, здорово, но это не основное применение визуализации Шлирена. Снимки Шлирена помогают ученым лучше понять воздушный поток. Одно из основных применений этого метода - аэронавтика. Этот метод чрезвычайно полезен для понимания того, как ведет себя воздух вокруг движущихся самолетов.

Он может быть использован для получения изображений ударных волн, возникающих в сверхзвуковых потоках. НАСА использовало изображение Шлирена для съемки ударных волн от сверхзвукового самолета. Эти данные будут полезны при разработке будущих конструкций таких самолетов.

Снимок Шлирена, показывающий взаимодействие ударных волн от двух сверхзвуковых самолетов в полете, сделанный НАСА.

Установка для получения изображений Шлирена

Простейшая установка для получения изображений Шлирена состоит из лампы, зеркала и камеры или экрана.

Установка для получения изображений Шлирена.

На одном конце у нас есть узкий источник света, приближенный к точечному источнику. Свет распространяется, освещая объект, вокруг которого мы хотим наблюдать воздушный поток. Затем свет отражается от вогнутого сферического или параболического зеркала. Отраженные лучи фокусируются в фокальной точке зеркала, где мы размещаем камеру. Если мы хотим просмотреть изображение, а не сфотографировать его, мы можем поместить туда смотровой экран.

Перед камерой помещается тонкая острая кромка ножа, отсекающая половину отраженного света. Острие загораживает часть преломленного света, в результате чего получается изображение с хорошим контрастом. Наличие острия ножа является определяющей особенностью установки Шлирена, которая отличает ее от аналогичной техники, называемой теневой графикой.

В качестве альтернативы вместо края можно использовать двухтоновый цветовой фильтр, что даст нам изображения с цветовыми градиентами.

Цветное шлирен-изображение газов, поднимающихся от зажженной свечи.

Неоднородность воздуха - вариации плотности - означает, что часть света преломляется, а часть - нет. Это приводит к контрастным различиям в изображении, давая нам визуальное представление.

Такая установка называется классической съемкой Шлирена. Для лучшего разрешения можно также использовать конфигурацию с двумя зеркалами. Вместо зеркал также часто используются линзы.

Эта установка настолько проста, что вы даже можете попробовать собрать ее самостоятельно у себя дома! Вот видео, которое покажет вам, как это сделать!

Разновидности съемки по Шлирену

Другая установка для получения изображений Шлирена называется фокусирующей системой Шлирена. В ней точечный источник света заменяется на массив источников света. Изображение формируется с помощью отсекающей решетки. Эти характеристики также дают ей название "линза и решетка Шлирена".

Фокусировочная установка Шлирен.

Фоноориентированная съемка по Шлирену - еще одна разновидность, используемая для более масштабных наблюдений. Они пригождаются там, где мы не можем поместить зеркало позади объекта, как в случае с испытаниями сверхзвуковых самолетов НАСА, которые мы видели выше.

С помощью Шлиренской визуализации мы теперь можем увидеть невидимое. Ученые могут использовать эту технику для лучшего понимания течения жидкости, а мы можем использовать ее, чтобы увидеть, как круто выглядит пламя свечи, или лучше понять, как маска защищает нас от смертельного вируса!

Подписывайтесь на нас
Back to top button