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
$?=PM/RT $

?-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.

Комментарии (14)


  1. Nuwen
    30.08.2017 16:24
    +7

    Или можно купить, например в магазине косметики, сферическое (вогнутое) зеркало. Оно априори не имеет сферических аберраций.
    Как раз таки сферические аберрации это зеркало будет иметь. Зеркала не имеют хроматических аберраций, в отличии от линз, но зеркала сферической формы всё же не совершенны. Для отсутствия аберраций нужны параболические зеркала.

    свет всё же не фокусируется в точку, это из-за того, что источник света имеет свои размеры
    Не совсем ясно, вы использовали обычные светодиоды, но зелёного цвета, или это лазерные диоды? Во втором случае, размер источника света получается вполне точечным, с оптической точки зрения.


    1. Iroslove Автор
      30.08.2017 17:07

      Согласен, и вправду сферические аберрации здесь присутствуют. Я использовал обычные светодиоды зелёного и красного цвета, других просто не было.


    1. x67
      30.08.2017 17:08
      -1

      лазерный диод без оптики создает световой поток с большой площадью в поперечном сечении, а с оптикой — имеет оптику, которая не отличается прецизионным качеством


  1. EndUser
    30.08.2017 16:54
    +2

    Вот тоже в динамике и с пояснениями
    www.youtube.com/watch?v=4tgOyU34D44


  1. ferocactus
    30.08.2017 17:34
    +1

    Если на экран попадают только лучи, которые огибают препятствие (линейку) расположенное в фокусе, почему на экране они образуют круг? Я бы ожидал увидеть нечто бесформенное, из-за «случайного» выбора лучей, которые достигнут экрана


    1. Iroslove Автор
      30.08.2017 18:02

      Это интересный вопрос. Дело в том, что на ноже свет фокусируется в виде маленького пятна.
      Регулируя величину отсечения светового пучка на ноже, мы можем изменять яркость «фона» изображения.


  1. Zulus-Imba
    30.08.2017 17:49

    От чего стук, слышный на видео, фотоны отскакивают от ножа Фуко? :)


    1. Iroslove Автор
      30.08.2017 18:05

      Я в школьной лаборатории делал, а там товарищи тоже много интересного исследовали.


  1. commanderxo
    30.08.2017 20:20

    Очень интересно, можете выложить схему установки, чтоб было понятно как лучше расположить объект, зеркало и экран?

    Заинтриговать у вас получилось, теперь хочется подсказок и рекомендаций для желающих повторить эксперимент.


    1. Iroslove Автор
      30.08.2017 20:53
      +3

      Вообще источник света лучше расположить как можно дальше от зеркала, и желательно под углом близким к 90 градусам (так будет меньше искажений). image
      Неоднородность можно ставить везде, главное перед ножом. Чем ближе неоднородность к источнику света, тем больше шанс её различить. В качестве экрана можно использовать фотоаппарат, я использовал зеркалку. Обычные любительские фотоаппараты можно тоже использовать, ну только в ручном режиме.
      Также вместо зеркала можно использовать линзы, но у меня ничего хорошего с ними не получалось.


  1. Sladkozub
    31.08.2017 12:14

    Автор, замени, пожалуйста, картинки из vk, есть проблемы с доступом для украинских пользователей и оболтусов, вроде меня, бездельничающих расширяющих кругозор в рабочее время :)


    1. Iroslove Автор
      31.08.2017 12:15

      Хорошо, как только так сразу.


      1. Iroslove Автор
        31.08.2017 12:46

        Готово, вроде всё заменил, и с вк видео перезагрузил на ютуб.


  1. catharsis
    31.08.2017 12:32
    +2