Можно ли наблюдать потенциально проблемные места технических конструкций почти невооружённым глазом? Причём буквально на микроуровне, когда ещё ничего не произошло?
Как я уже неоднократно говорил, я, можно сказать, обожаю простые, но эффективные подходы — и сегодня мы поговорим об одном из них, который позволяет с лёгкостью анализировать искажения под воздействием физической нагрузки, наблюдая их даже просто визуально!
Причём изначально даже сам объект не демонстрировал каких-то особых свойств к этому. Однако специфическим техническим подходом это вполне можно изменить…
Впервые эффект появления радужной окраски прозрачных объектов был открыт ещё в 1800-х годах шотландским физиком Дэвидом Брюстером, который в ходе своих исследований изобрёл схему поляризации света, располагая стопку стеклянных пластин под углом к свету:
Далее пропущенный свет использовался для освещения кристалла исландского шпата, а исследователь смотрел на источник света сквозь кристалл, производя постепенное его сдавливание, где в ходе этого эксперимента он обнаружил, что кристалл шпата окрашивается в радужные цвета.
Дальнейшие исследования показали, что причина явления кроется в том, что происходит двойное лучепреломление, в результате чего начинает наблюдаться интересный эффект с запаздыванием отдельных компонент света относительно друг друга во время распространения в среде.
В результате чего на выходе, если наблюдать этот свет через поляризованный фильтр, начинает наблюдаться картина интерференции этих волн с образованием радужных узоров — если материал не идеален и содержит сжатия и растяжения в своей структуре, то есть неоднородности (кому интересно, более-менее подробное объяснение есть, например, вот здесь)
Эти неоднородности могут быть как присущими ему изначально:
Так и появившимися в результате целенаправленного воздействия на материал, созданием внешней нагрузки — например, как показано ниже на картинке, где на пластину из пластика умышленно оказывают воздействие с помощью болтов:
Кстати говоря, на этой картинке выше можно видеть один из трёх типов эксперимента с поляризаторами, с помощью которых и можно выявлять подобные неоднородности в прозрачных и не только средах:
1-й вариант (как на картинке выше): исследуемый объект располагается между двумя поляризаторами*, расположенными параллельно — при таком расположении поляризаторов свет свободно проходит через них, и вся установка выглядит полностью прозрачной (что мы и наблюдаем выше) — таким образом удобно видеть все нюансы конструкции объекта, на которые накладываются радужные узоры мест напряжений.
*Использование двух поляризаторов вовсе не подразумевает обязательное их наличие под рукой — в литературе популярен эксперимент, когда в качестве одного из поляризаторов и источника света одновременно используется… обычный монитор компьютера, на котором запущен пустой белый документ в какой-либо программе!
Если вы до этого не знали: жидкокристаллический экран сверху покрыт плёнкой-поляризатором (мне даже приходилось её в своё время отдирать — весьма простое занятие, кстати: достаточно всего лишь на несколько часов сверху положить мокрые салфетки, и поляризатор отойдёт сам собой, без какого-либо труда!).
Таким образом, у нас уже есть один поляризатор, интегрированный с источником света. В качестве второго поляризатора исследователи обычно берут либо поляризационные очки, либо просто плёнку, снятую с другого жидкокристаллического монитора (например).
2-й вариант (позволяет наблюдать исключительно места напряжения, без самого объекта): для этого поляризаторы разворачивают под углом 90° друг к другу: в результате наблюдатель видит только тёмный фон, на котором появляются радужные всполохи в тех местах, где существуют напряжения в исследуемой детали:
3-й вариант (самый интересный, на мой взгляд): позволяет обнаруживать напряжения у непрозрачных материалов! Суть метода заключается в том, что некоторые материалы, демонстрирующие свойства двойного лучепреломления, плотно наносятся на некоторый непрозрачный объект (например, металл) таким образом, чтобы это покрытие хорошо сцепилось с поверхностью исследуемого объекта.
В дальнейшем эту поверхность объекта освещают поляризованным светом и наблюдают за ней через второй поляризатор. При деформациях объекта вместе с ним деформируется и нанесённый сверху слой, окрашивая поверхность в радужные узоры:
В прошлом для этого использовали целлулоид, которым покрывали непрозрачные объекты (а также просто использовали его для изготовления опытных макетов тех объектов, которые будут нагружены в дальнейшем); в настоящем же могут использоваться эпоксидные смолы, поликарбонат или даже полиэтилентерефталат (ПЭТ), как в пластиковых бутылках:
Было бы странно, если бы этот метод анализа не нашёл соответствующего применения в настоящем, так как даже практически в самом начале, когда этот метод был только открыт, учёные уже задумывались о практическом применении; но, так как речь идёт о 1800-х годах, то возможности по оперированию нехрупкими объектами (не такими, как стекло или шпат) были ограничены, и практическое применение метода нашлось только в XX веке, с развитием полимерной промышленности (появились материалы, чьи молекулы могли существенно менять свою форму без разрушения, вызывая значительное различие длин путей волн света в своём составе).
В настоящее время метод эволюционировал до компьютерного определения величины искажений (вплоть до долей нанометров) — для чего поляризационный фильтр шаговым двигателем поворачивают под разными углами и делают несколько снимков исследуемого объекта, наблюдая, как изменяется при этом яркость освещённости каждого пикселя. Результатом становится высокоточное измерение величины напряжённости в каждой точке.
Кроме всего прочего, современные методы позволяют использовать и недоступные ранее подходы — скажем, если ранее в основном происходило наблюдение относительно статичной картинки, то в настоящее время, с развитием техники, стало доступным и исследование высокоскоростных процессов. Для чего используются высокоскоростные камеры и импульсные источники света (лазеры), что позволяет получать срез наблюдаемой картины за каждый короткий момент времени — например, такой, как распространение сейсмических волн, ударных волн в материале (при попадании пули, например).
Любопытным развитием идеи наблюдения искажений (хотя, наверное, это уже и не совсем фотоэластичность, но, возможно, этот метод можно считать преемником или неким параллельным подходом) является один из методов мониторинга технического состояния конструкций (Structural Health Monitoring (SHM)), где также используются свет и его искажения, который применяется, например, при мониторинге технического состояния самолётов и не только.
Суть его вкратце заключается в том, что используются решётки Брэгга, интегрированные внутрь волоконно-оптических кабелей (периодические структуры внутри кабелей):
Если не вдаваться слишком глубоко в подробности, то принцип работы заключается в изменении прохождения луча лазера, направленного в волокно (при малейших деформациях конструкции, в которую это волокно интегрировано), что позволяет мониторить деформации постоянно, в реальном времени — понятно, почему это нашло своё применение в самолётах: для подобного транспорта никакие меры безопасности не будут лишними.
Однако это всё достаточно далёкие вещи от нас, от обычных людей! Интересным же с нашей точки зрения может быть то, что в 2017 году журнал Nature выпустил статью об использовании метода фотоэластичности для анализа распечаток, выполненных с применением 3D-принтера! В одном из разделов этой статьи показаны интересные фотографии, как выглядят распечатки при анализе — отлично видны напряжения модели!
Таким образом, по идее, мы тоже могли бы взять этот подход на вооружение: например, производить тестовые распечатки, скажем, из прозрачного пластика типа SBS-Glass (если печать осуществляется с применением FDM 3D-принтера) или любого прозрачного фотополимера, если применяется фотополимерный принтер.
После чего, поместив тестовую прозрачную распечатку между поляризаторами (или просто надев поляризационные очки и удерживая распечатку перед экраном компьютера), начать её гнуть или применять рабочую нагрузку — примерно такую, какая должна была бы быть в реальной жизни.
Таким образом, ещё даже и не изготовив настоящую модель, мы можем применить этот метод своеобразной «предварительной модели» для анализа геометрии и её правки, если наблюдаются значительные напряжения в рабочем режиме.
Можно было бы подумать, что метод фотоэластичности применим только для сугубо практичных, инженерных целей. Однако, как показывает практика, люди разные и находят необычное даже в таком, казалось бы, глубоко научном направлении!
Именно таким и является использование поляризаторов и деформаций для создания полноценных картин! О_о
Основательницей этой техники является американская художница Остин Вуд Комароу, которая изобрела в 1967 году метод создания картин с помощью света и поляризационных фильтров, когда впервые разместила между ними смятый целлофан и поразилась богатству красок, которые увидела.
С того момента, она совершенствовала технику 50 лет, и на данный момент техника не предполагает использования каких-либо красок: все цвета на картине возникают исключительно за счёт поляризации света и материалов внутри, а особую живость картинам придаёт то, что они зачастую снабжаются моторизованными поляризационными фильтрами, медленно поворачивающимися и заставляющими цвета переливаться один в другой:
В настоящее время работы этой художницы получили мировое признание и находятся в крупнейших музейных коллекциях мира.
Наверняка, после описания этого, многим захочется ознакомиться с техникой создания таких картин поподробнее, и специально для этого случая, я тут нашёл весьма подробное описание техники и физики самого процесса в целом, в виде огромной статьи от Дональда Х. Лайонса, профессора физики Массачусетского университета (Бостон).
Подытоживая, можно сказать, что мы видим, как эффект из далёкого прошлого не только нашёл широкое применение в нынешнем, но и проник в совершенно неожиданные сферы вроде искусства, и, кроме того, даёт некоторые возможности и обычным самодельщикам, увлечённым процессом 3D-печати! ;-)
© 2026 ООО «МТ ФИНАНС»
