На uCrazy 15 лет 4 месяца
Невидимое на фотографиях
Наверняка многие наблюдали, как "плывет" воздух над пламенем свечи. И хотя преломление света в воздухе крайне незначительно, в этом случае горячий воздух виден достаточно хорошо. А можно ли увидеть значительно менее теплый воздух? Можно! Можно увидеть ударную волну от пули в воздухе, и даже более тонкие детали процессов. И все это благодаря специальному методу фотографии - шлирен-фотографии.
В 1857 году французским физиком Леоном Фуко было предложено контролировать точность изготовления зеркал для телескопов очень простым способом - помещая в фокус проверяемого зеркала одну дополнительную деталь - непрозрачный экран с острой кромкой, позднее названный ножом Фуко. Изображение источника (точечного или щелевого) фокусируется на самом краю ножа. Если поверхность зеркала строго сферическая, нож перекрывает весь световой пучок, а если на поверхности есть дефекты, часть света будет отклоняться и пройдет мимо кромки ножа.
В 1864 году этот метод был усовершенствован немецким физиком Августом Тёплером. Он предложил использовать схему с ножом Фуко для изучения включений в прозрачные среды, например, при отбраковке линз. Тёплер назвал этот способ шлирен-методом, от немецкого слова Schlieren, означающего неоднородности (включения) в стекле.
Шлирен-метод позволяет получать более контрастное изображение: часть светового пучка, не испытывающая искажений, отсекается ножом Фуко, минимизируя "паразитную засветку". Метод Тёплера дает возможность видеть не вторую производную, а первую, то есть градиенты (плавные изменения), а при использовании фотометрии и эталона освещенности вычислять абсолютные значения плотности.
Шлирен-метод или его вариации широко используют для визуализации неоднородностей на протяжении уже более ста лет. Он помог зафиксировать множество интереснейших газодинамических явлений. В XX веке этот метод стал неотъемлемым атрибутом почти любых аэродинамических исследований, однако приходилось мириться с его недостатками, главным из которых было ограничение по масштабу. Исследуемый объем не мог выходить за пределы пространства, где организован параллельный световой пучок. Пучок фокусировался линзами или зеркалами, а размер этих оптических элементов строго ограничивался финансовыми соображениями. Чем больше диаметр линзы или зеркала, тем выше цена, и даже метровый масштаб предполагал большие затраты. Поэтому все шлирен-исследования в аэродинамических трубах проводились с крошечными масштабными моделями самолетов и ракет.
В конце 1950-х один из пионеров высокоскоростной съемки Гарольд Эджертон предложил при теневой съемке использовать в качестве элемента, фокусирующего световой пучок, световозвращающий экран. На микроскопическом уровне такой экран состоит из маленьких элементов (катафотов), отражающих свет в точности в том же направлении, откуда он пришел. Стоит отметить, что световозвращающие пленки широко используются в быту и промышленности - достаточно вспомнить дорожные указатели, автомобильные номерные знаки и даже вставки в одежде и обуви. Используя обычный теневой метод, Эджертон впервые получил изображение взрыва динамитного капсюля с использованием экрана размером 1х2 м.
Однако прошло более 30 лет, прежде чем световозвращающий экран впервые появился в шлирен-фотографии. Леонард М. Вайнштейн, физик из Исследовательского центра NASA им. Лэнгли, ввел в традиционную шлирен-схему еще одно изменение - он нанес на световозвращающее полотно вертикальные черные полосы, превратив его (при освещении расходящимся пучком) в виртуальный набор щелевых источников. Вместо ножа Фуко в соответствующем месте схемы исследователь расположил негативный растр -решетку чередующихся прозрачных и непрозрачных полос, отсекающих неискаженный "лишний свет". В результате были получены полномасштабные изображения невидимых ранее явлений - ударных волн от взрывов, конвекционных потоков от промышленного оборудования и людей.
Теневой метод с диафрагмированием световых лучей (шлирен-метод) позволяет регистрировать угловое отклонение лучей света на неоднородностях. В этом методе отклонение лучей и изменение освещенности экрана пропорционально градиенту плотности в возмущенной среде. Шлирен-метод позволяет получать фотографии ударных волн.
Теневые и интерференционные методы применяются в основном для визуализации двумерных и осесимметричных течений, что связано с их недостатками: изменения плотности в потоке суммируются вдоль направления распространения зондирующего излучения и регистрируется интегральное значение изменения плотности.
Для визуализации неоднородностей, которые невозможно визуализировать прямым теневым методом, также используют метод сеток (линейчатую или сетчатую диафрагму или маску). Если исследуемое явление фотографировать на фоне таких диафрагм, то по смещению и искривлению полос диафрагмы возможна регистрация слабых ударных волны и волны сжатия.
В 1864 году этот метод был усовершенствован немецким физиком Августом Тёплером. Он предложил использовать схему с ножом Фуко для изучения включений в прозрачные среды, например, при отбраковке линз. Тёплер назвал этот способ шлирен-методом, от немецкого слова Schlieren, означающего неоднородности (включения) в стекле.
Шлирен-метод позволяет получать более контрастное изображение: часть светового пучка, не испытывающая искажений, отсекается ножом Фуко, минимизируя "паразитную засветку". Метод Тёплера дает возможность видеть не вторую производную, а первую, то есть градиенты (плавные изменения), а при использовании фотометрии и эталона освещенности вычислять абсолютные значения плотности.
Шлирен-метод или его вариации широко используют для визуализации неоднородностей на протяжении уже более ста лет. Он помог зафиксировать множество интереснейших газодинамических явлений. В XX веке этот метод стал неотъемлемым атрибутом почти любых аэродинамических исследований, однако приходилось мириться с его недостатками, главным из которых было ограничение по масштабу. Исследуемый объем не мог выходить за пределы пространства, где организован параллельный световой пучок. Пучок фокусировался линзами или зеркалами, а размер этих оптических элементов строго ограничивался финансовыми соображениями. Чем больше диаметр линзы или зеркала, тем выше цена, и даже метровый масштаб предполагал большие затраты. Поэтому все шлирен-исследования в аэродинамических трубах проводились с крошечными масштабными моделями самолетов и ракет.
В конце 1950-х один из пионеров высокоскоростной съемки Гарольд Эджертон предложил при теневой съемке использовать в качестве элемента, фокусирующего световой пучок, световозвращающий экран. На микроскопическом уровне такой экран состоит из маленьких элементов (катафотов), отражающих свет в точности в том же направлении, откуда он пришел. Стоит отметить, что световозвращающие пленки широко используются в быту и промышленности - достаточно вспомнить дорожные указатели, автомобильные номерные знаки и даже вставки в одежде и обуви. Используя обычный теневой метод, Эджертон впервые получил изображение взрыва динамитного капсюля с использованием экрана размером 1х2 м.
Однако прошло более 30 лет, прежде чем световозвращающий экран впервые появился в шлирен-фотографии. Леонард М. Вайнштейн, физик из Исследовательского центра NASA им. Лэнгли, ввел в традиционную шлирен-схему еще одно изменение - он нанес на световозвращающее полотно вертикальные черные полосы, превратив его (при освещении расходящимся пучком) в виртуальный набор щелевых источников. Вместо ножа Фуко в соответствующем месте схемы исследователь расположил негативный растр -решетку чередующихся прозрачных и непрозрачных полос, отсекающих неискаженный "лишний свет". В результате были получены полномасштабные изображения невидимых ранее явлений - ударных волн от взрывов, конвекционных потоков от промышленного оборудования и людей.
Теневой метод с диафрагмированием световых лучей (шлирен-метод) позволяет регистрировать угловое отклонение лучей света на неоднородностях. В этом методе отклонение лучей и изменение освещенности экрана пропорционально градиенту плотности в возмущенной среде. Шлирен-метод позволяет получать фотографии ударных волн.
Теневые и интерференционные методы применяются в основном для визуализации двумерных и осесимметричных течений, что связано с их недостатками: изменения плотности в потоке суммируются вдоль направления распространения зондирующего излучения и регистрируется интегральное значение изменения плотности.
Для визуализации неоднородностей, которые невозможно визуализировать прямым теневым методом, также используют метод сеток (линейчатую или сетчатую диафрагму или маску). Если исследуемое явление фотографировать на фоне таких диафрагм, то по смещению и искривлению полос диафрагмы возможна регистрация слабых ударных волны и волны сжатия.
Комментарии2
