Schlieren Imaging:Πώς μπορούμε να δούμε και να φωτογραφίσουμε τον αέρα;

Η απεικόνιση Schlieren είναι μια τεχνική που χρησιμοποιεί παραλλαγές στους δείκτες διάθλασης για να δει και να φωτογραφίσει τη ροή του αέρα.

Όταν μπορείτε πραγματικά να δείτε την αναπνοή σας, ξέρετε ότι ο καιρός είναι εξαιρετικά κρύος, αλλά σε μια κανονική μέρα, η αναπνοή σας είναι τόσο αόρατη όσο ο υπόλοιπος αέρας γύρω σας. Θα μπορούσε να υπάρχει τρόπος να αποτυπωθεί αυτή η αναπνοή σε μια φωτογραφία;

Πώς μπορείς να φωτογραφίσεις αέρα; (Πιστωτική φωτογραφία :TippaPatt/Shutterstock)

Πώς μπορείτε να δείτε και να φωτογραφίσετε κάτι αόρατο, όπως τα ρεύματα αέρα; Αυτό είναι κάτι που έχει κρατήσει το ενδιαφέρον των επιστημόνων που μελετούν τη ροή υγρών για μεγάλο χρονικό διάστημα. Ευτυχώς, έχει όντως ανακαλυφθεί μια μέθοδος που κάνει ακριβώς αυτό.

Τι είναι η απεικόνιση Schlieren;

Η απεικόνιση Schlieren είναι μια τεχνική που χρησιμοποιεί παραλλαγές στους δείκτες διάθλασης σε ένα υγρό για να απεικονίσει τις ροές υγρών που διαφορετικά είναι αόρατες στο ανθρώπινο μάτι.

Αυτή η τεχνική χρησιμοποιείται ευρέως για τη λήψη εικόνων ροής αέρα. Μπορούμε τώρα να παρακολουθήσουμε, να τραβήξουμε φωτογραφίες ή να τραβήξουμε βίντεο σε αργή κίνηση, για το πώς ρέει και συμπεριφέρεται ο αέρας. Η απεικόνιση Schlieren μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την καταγραφή της θερμότητας που ανεβαίνει από το σώμα μας, του ηλίου που διαφεύγει από ένα σκασμένο μπαλόνι ή των κρουστικών κυμάτων από μια σφαίρα, για να αναφέρουμε μόνο μερικές από τις συναρπαστικές εφαρμογές.

Μπορούμε ακόμη και να δούμε τη ζέστη να ανεβαίνει από τα χέρια μας με την απεικόνιση Schlieren. (Φωτογραφία:Gary Settles/Wikimedia Commons)

Αρχή πίσω από την απεικόνιση Schlieren

Το πώς λειτουργεί η απεικόνιση Schlieren μπορεί να εξηγηθεί μέσω της έννοιας του δείκτη διάθλασης. Η ταχύτητα του φωτός αλλάζει ανάλογα με το μέσο από το οποίο διέρχεται. Το φως διαθλάται ή κάμπτεται όταν κινείται μεταξύ μεσαίων διαφορετικών πυκνοτήτων. Ο βαθμός αυτής της κάμψης είναι ο δείκτης διάθλασης ενός μέσου. Είναι ο λόγος της ταχύτητας του φωτός στο κενό προς την ταχύτητα του φωτός σε ένα μέσο.

Η διάθλαση είναι ο λόγος που ένα μολύβι μοιάζει σαν να είναι λυγισμένο όταν είναι μερικώς βυθισμένο. (Πίστωση φωτογραφίας:Billion Photos/Shutterstock)

Συνήθως λέμε ότι ο δείκτης διάθλασης του αέρα είναι περίπου 1.0003, αλλά αυτή η τιμή ποικίλλει ανάλογα με παράγοντες όπως η θερμοκρασία, η πίεση και η σύνθεση του αέρα. Ο δείκτης διάθλασης του θερμού αέρα, για παράδειγμα, είναι μικρότερος από αυτόν του ψυχρού αέρα. Αυτός είναι ο λόγος που μπορεί να δούμε αντικατοπτρισμούς στο δρόμο τις ζεστές μέρες. Όταν το φως διέρχεται από ένα μη ομοιογενές μέσο, ​​υφίσταται διάθλαση, που σημαίνει ότι κάμπτεται ελαφρώς σε διαφορετική διαδρομή.

Αυτές οι διακυμάνσεις στους δείκτες διάθλασης σε ένα μέσο ονομάζονται γενικά "schlieren" και η απεικόνιση Schlieren μας επιτρέπει να δούμε τέτοιες διακυμάνσεις. Με αυτό το εργαλείο, μπορούμε να καταγράψουμε και να κατανοήσουμε καλύτερα τις αλληλεπιδράσεις ενός αντικειμένου με τον αέρα γύρω του.

Εφαρμογές του Schlieren Imaging

Με την απεικόνιση Schlieren, μπορούμε να δούμε την αναπνοή μας όταν εκπνέουμε. Μπορούμε να παρατηρήσουμε πώς μια φλόγα κεριού αλληλεπιδρά με τον αέρα. Μπορούμε να δούμε το βουτάνιο να ξεχύνεται από έναν αναπτήρα και τι ακριβώς συμβαίνει στον αέρα γύρω του όταν τον αναφλέγουμε.

Οι εκπνοές καταγράφηκαν με χρήση απεικόνισης Schlieren. (Φωτογραφία:Wikimedia commons)

Μπορούμε λοιπόν να δούμε αέρα, υπέροχο, αλλά γιατί πρέπει να βλέπουμε την αναπνοή μας ούτως ή άλλως; Υπάρχουν πολλές βασικές εφαρμογές, αλλά μπορείτε να παρακολουθήσετε το παρακάτω βίντεο για να παρατηρήσετε μια ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα.

Η απεικόνιση Schlieren χρησιμοποιείται για να καταγράψει πώς λειτουργούν οι μάσκες στον έλεγχο του αέρα που εκπνέουμε, συμβάλλοντας έτσι στον έλεγχο της εξάπλωσης της πανδημίας που έχει κυριεύσει τον κόσμο τα τελευταία χρόνια.

Το να βλέπεις την αναπνοή σου φαίνεται ωραίο, αλλά δεν είναι η κύρια εφαρμογή της απεικόνισης Schlieren. Η απεικόνιση Schlieren βοηθά τους επιστήμονες να κατανοήσουν καλύτερα τη ροή του αέρα. Μία από τις κύριες εφαρμογές αυτής της τεχνικής βρίσκεται στην αεροναυπηγική. Η μέθοδος είναι εξαιρετικά ωφέλιμη για να μας βοηθήσει να κατανοήσουμε πώς συμπεριφέρεται ο αέρας γύρω από κινούμενα αεροσκάφη.

Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη λήψη γραφικών των κρουστικών κυμάτων που παράγονται σε υπερηχητικές ροές. Η NASA χρησιμοποίησε απεικόνιση Schlieren για να καταγράψει τα ωστικά κύματα από το υπερηχητικό αεροσκάφος της. Αυτά τα δεδομένα θα βοηθήσουν πολύ στην ανάπτυξη μελλοντικών σχεδίων για τέτοια αεροσκάφη.

Εικόνα Schlieren που δείχνει την αλληλεπίδραση κρουστικών κυμάτων από δύο υπερηχητικά αεροσκάφη κατά την πτήση, που καταγράφηκε από τη NASA. (Φωτογραφία:flickr)

Ρύθμιση απεικόνισης Schlieren

Η απλούστερη ρύθμιση για την απεικόνιση Schlieren διαθέτει φως, καθρέφτη και κάμερα ή οθόνη.

Ρύθμιση απεικόνισης Schlieren. (Φωτογραφία:EricABCAT/Wikimedia commons)

Στο ένα άκρο έχουμε μια στενή πηγή φωτός που προσεγγίζει μια σημειακή πηγή. Το φως απλώνεται, φωτίζοντας το αντικείμενο γύρω από το οποίο θέλουμε να παρατηρήσουμε τη ροή του αέρα. Στη συνέχεια, το φως ανακλάται από ένα κοίλο σφαιρικό ή παραβολικό κάτοπτρο. Οι ανακλώμενες ακτίνες στη συνέχεια εστιάζονται στο εστιακό σημείο του καθρέφτη, όπου τοποθετούμε μια κάμερα. Μπορούμε να τοποθετήσουμε μια οθόνη προβολής εκεί, αν θέλουμε να προβάλουμε εικόνες αντί να τις φωτογραφίσουμε.

Μια λεπτή αιχμηρή άκρη μαχαιριού τοποθετείται μπροστά από την κάμερα, κόβοντας το μισό από το ανακλώμενο φως. Η άκρη εμποδίζει μέρος του διαθλασμένου φωτός, με αποτέλεσμα μια εικόνα με καλή αντίθεση. Η παρουσία αυτής της ακμής μαχαιριού είναι ένα καθοριστικό χαρακτηριστικό της ρύθμισης Schlieren, που τη διαφοροποιεί από μια παρόμοια τεχνική που ονομάζεται απεικόνιση σκιαγραφήματος.

Εναλλακτικά, αντί για την άκρη, θα μπορούσαμε να χρησιμοποιήσουμε ένα φίλτρο χρώματος διπλού τόνου, δίνοντάς μας εικόνες σε χρωματικές διαβαθμίσεις.

Μια έγχρωμη εικόνα σλίερεν αερίων που αναδύονται από ένα αναμμένο κερί. (Φωτογραφία :Settles1/Wikimedia commons)

Οι μη ομοιογένειες στον αέρα - οι διακυμάνσεις της πυκνότητας - σημαίνουν ότι ένα μέρος του φωτός διαθλάται και ένα μέρος όχι. Αυτό μεταφράζεται σε διαφορές αντίθεσης στην εικόνα, δίνοντάς μας μια οπτική.

Αυτή η ρύθμιση ονομάζεται κλασική απεικόνιση Schlieren. Μια διαμόρφωση με δύο καθρέφτες μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για καλύτερη ανάλυση. Συχνά χρησιμοποιούνται επίσης φακοί αντί για καθρέφτες.

Η ρύθμιση είναι τόσο απλή που θα μπορούσατε ακόμη και να δοκιμάσετε να φτιάξετε ένα μόνοι σας στο σπίτι! Ακολουθεί ένα βίντεο που σας δείχνει πώς!

Παραλλαγές της απεικόνισης Schlieren

Μια άλλη ρύθμιση για την απεικόνιση Schlieren ονομάζεται σύστημα εστίασης Schlieren. Ανταλλάσσει τη σημειακή πηγή φωτός με μια σειρά από πηγές φωτός. Η εικόνα σχηματίζεται με τη βοήθεια ενός πλέγματος αποκοπής. Αυτά τα χαρακτηριστικά του δίνουν επίσης το όνομα lens-and-grid Schlieren imaging.

Εστίαση ρύθμισης Schlieren. (Φωτογραφία :Tarchon/Wikimedia commons)

Η απεικόνιση Schlieren με προσανατολισμό στο παρασκήνιο είναι μια άλλη παραλλαγή που χρησιμοποιείται για παρατήρηση μεγαλύτερης κλίμακας. Αυτά είναι χρήσιμα όταν δεν μπορούμε να τοποθετήσουμε ακριβώς έναν καθρέφτη πίσω από το αντικείμενο, όπως στην περίπτωση των δοκιμών της NASA υπερηχητικών αεροσκαφών που είδαμε παραπάνω.

Με τη βοήθεια της απεικόνισης Schlieren, μπορούμε πλέον να δούμε το αόρατο. Οι επιστήμονες μπορούν να χρησιμοποιήσουν αυτήν την τεχνική για να κατανοήσουν καλύτερα τη ροή του υγρού και μπορούμε να τη χρησιμοποιήσουμε για να δούμε πόσο δροσερή φαίνεται μια φλόγα κεριού ή να κατανοήσουμε καλύτερα πώς μια μάσκα μας προστατεύει από έναν θανατηφόρο ιό!