Pull to refresh

Визуализация плотности или что такое шлирен-метод

PhysicsDIY
Sandbox



Шлирен-метод. Это наверное единственный способ в живую пронаблюдать конвекцию. Вообще данный метод позволяет увидеть любое изменение плотности в прозрачных средах. Например, когда горит свеча, она нагревает воздух, уменьшая его плотность, что позволяет заметить полученные неоднородности.

В математической записи
$ρ=PM/RT $

ρ-плотность газа
P-давление газа
T-температура
R-универсальная газовая постоянная



А как устроен шлирен-метод? На самом деле очень просто. Начнём с наиболее простого варианта.

Проекционный метод


Возьмём фонарик, желательно с маленькой светящей площадью, и направим его на листочек бумаги, которая будет играть роль экрана. Поместим неоднородность в световой поток фонарика.



Такой метод называется проекционным.



Почему же глазами не видно конвективный поток, а на экране его можно наблюдать?
Дело в том, что изменение плотности среды, следовательно и изменение показателя преломления незначительны, и человеческий глаз не может этого заметить.

Но когда мы светим на листочек, то лучи проходящие через неоднородность преломляются и усиливают некоторые зоны на экране. Но так как лучи отклонились, то туда, куда они должны были прийти, появляется зона с пониженной яркостью.



Основная проблема проекционного метода
Увы, но проекционный метод, обладает повышенной засветкой изображения. Таким образом конвекционный потоки, допустим, от паяльника уже не видно.



Шлирен-метод


В другом методе нам понадобится нож Фуко, это тонкий непрозрачный экран, в моём случае линейка. И ещё нам нужно чем-то сфокусировать свет от фонарика. Первое что приходит в голову, это линза, но линзы обладают сферическими аберрациями. Это когда лучи фокусируются не в точке, а на некотором отрезке.



Что же делать? Как же быть? Можно вместо обычной линзы взять объектив от фотоаппарата.
Или можно купить, например в магазине косметики, сферическое (вогнутое) зеркало. Оно априори не имеет сферических аберраций.

Возьмём наше зеркало и отразим свет от фонарика в сторону экрана. Если мы поместим нож Фуко до фокусного расстояния, то он перекроет одну из частей изображения. Поставив его за точкой фокуса, нож перекроет другую часть изображения. А что будет если мы нож Фуко поставим в саму точку фокуса? Тогда он затемнит изображение в целом.

image

Теперь когда мы помещаем неоднородность в световой поток, некоторые лучи преломляясь в ней, огибают нож и попадают на экран.

image

Этот метод не имеет засветки, так как на экран попадают только те лучи, которые прошли через неоднородность.





Можно заметить...


Можно заметить, что свет всё же не фокусируется в точку, это из-за того, что источник света имеет свои размеры, следовательно его изображение должно иметь какие-то размеры.
Чтобы уменьшить размеры этого изображения, нужно расположить источник света как можно дальше от зеркала, либо уменьшить его размеры.







Я использовал такие светодиоды.



Далее...
Далее, я заменил данное зеркало на более большое, и вот что у меня получилось.






Конвективный поток от спички.


Конвективный поток от паяльника.


На данной фотографии можно наблюдать, как горячие потоки воздуха вырываются из фена с большой скоростью.

На практике шлирен-метод используют в аэродинамических трубах, что позволяет наблюдать картину обтекания исследуемой модели.

Tags:физикаоптикавизуализация плотности
Hubs: Physics DIY
Total votes 24: ↑22 and ↓2+20
Views18K

Top of the last 24 hours