Мы привыкли к тому, что фотография позволяет запечатлеть все объекты материального мира, а также процессы, протекающие между ними. 

Но, за пределами наблюдения остаётся весьма существенный объект - воздушный океан вокруг! 

Ведь существует множество процессов, протекающих в воздушной среде, которые необходимо запечатлеть, для последующего анализа: явления турбулентности, срыва потока и т.д. - причём, это касается не только воздушной среды, а, в широком смысле, любой газовой среды в целом. 

И для этого, существует специальный метод фото/видео фиксации процессов прозрачных сред*, называемый «шлирен‑методом» (от «schlieren» — «полосы» (нем.) — здесь под «полосами» подразумеваются неоднородности).

*Здесь и далее мы будем рассматривать исключительно частный случай, а именно, исследование неоднородностей газовых сред, хотя, сам метод обладает гораздо большими возможностями и позволяет исследовать неоднородности не только газовых, но и жидкостных, и даже твёрдых прозрачных сред (процессы в кристаллах, во время прохождения звука/света/тепла; а также уже существующие в статике неоднородности, напряжения и прочее). 

Однако, чтобы быть ближе к вариантам, которые могут быть реализованы любым читателем, мы остановимся на частном случае - исследовании неоднородностей воздушной среды. 

Тем не менее, это оговорка в начале статьи приводится специально, чтобы читатель понимал, что метод достаточно универсален и может быть применён к разным средам.

Привлекательным шлирен-метод является тем, что, со времени своего открытия английским учёным Робертом Гуком в 1665 году, а затем усовершенствованием, ориентировочно,
в 1864 г. немецким учёным Августом Тёплером, он не утратил свою актуальность и поныне, активно применяясь для многих целей. 

Ещё одним любопытным моментом является то, что метод весьма прост в своей реализации, что позволяет практически каждому попробовать свои силы и реализовать фото/видеофиксацию с его помощью!

Итак, в чём он заключается?

Если сказать вкратце, то можно суть этого метода выразить в примерно таком определении: позволяет зафиксировать неоднородности в оптически прозрачной среде, вызываемые различиями в плотности областей среды.

Кроме того, метод позволяет контролировать величину дефектов отражающей поверхности, которая используется в ходе экспериментов - собственно говоря, именно для этого такой способ контроля и был разработан своё время, Августом Тёплером, с целью проконтролировать точность получаемой геометрии сферических зеркал, используемых в телескопах. 

И вот как выглядела стандартная схема эксперимента, в рамках шлирен-метода:

Как мы видим, здесь представлено четыре ключевых элемента:

1. - источник света (в качестве него в оригинале использовалась свеча);

2. - двояковыпуклая линза, собирающая лучи (жёлтого цвета) и направляющая их на небольшой непрозрачный экран (3 - его ещё называют "диафрагмой"); 

3. - непрозрачный экран (или, другими словами "диафрагма") представляет собой средство, для устранения прохода лучей от источника света к основному экрану (5); кстати говоря, диафрагму ещё называют "нож Фуко", и появилось это название из-за физического воплощения, так как, чтобы получить чёткое изображение, необходим максимально возможно ровный край, - поэтому, в качестве такой диафрагмы часто используют лезвие ножа или опасное лезвие для бритья, располагая их горизонтально, чтобы они полностью затеняли световой поток (т.е. основной экран (5) был полностью затенён, а любые возмущения в оптической среде - вызовут появление на экране световых всполохов);

4. - основной экран, на котором и происходит построение изображения.

Как мы могли видеть на картинке выше, там ход лучей представлен двумя их типами, где один из типов, показан, как жёлтые лучи, а другой, как зелёные. 

Смысл здесь заключается в том, что лучи, исходящие от свечи, собираются линзой на непрозрачном экране, и не попадают на основной экран. 

В то же время, если в воздушной среде есть какие-либо неоднородности - завихрения, области с разной плотностью, которые неизбежно возникают при, например, горении свечи, они будут отличаться по своему коэффициенту преломления, от существующей оптической среды и это означает, что лучи, прошедшие через такие неоднородности, отклонятся, и пройдут по зелёному пути, минуя непрозрачный экран (3), что, в итоге, приведёт к тому, что на основном экране (4) появится изображение только этих неоднородностей!

Метод настолько чувствителен, что позволяет увидеть даже тёплый воздух, поднимающийся от руки, или дыхание человека, в виде возмущений воздуха, выдуваемых изо рта или носа! 

Как мы видим, классический вариант эксперимента очень прост и может быть повторён практически любым человеком!

При этом, надо отметить, что надо стремиться к использованию максимально точечного источника света, так как именно он позволит получить не размытое, а чёткое изображение, так как, чем больше источник света в размерах, тем каждая область его поверхности будет создавать свою собственную тень от ножа Фуко, а все эти тени в итоге сольются в своеобразную шумовую "кашу", в которой будет очень сложно разглядеть мелкие нюансы (изучить которые обычно и стремятся). 

Кроме того, основной экран (4), следует располагать на таком расстоянии, чтобы изображение было достаточно большим для удобства рассматривания (для этого может быть придётся несколько усложнить схему, добавив после ножа Фуко ещё и объектив). 

В классической вариации метода, для исследования каких-либо процессов, они должны располагаться в пространстве между линзой и ножом Фуко, таким образом, чтобы любые возникающие возмущения газовой среды приводили к "обтеканию" лучами ножа Фуко, и, соответственно, появлению на основном экране световых всполохов.

И тут, мы видим основную проблему классического метода: размер поля для экспериментов, по сути, ограничен диаметром луча, исходящего от линзы. 

Таким образом, нам надо либо "умерить хотелки" и проводить миниатюрные эксперименты, либо, где-то раздобыть достаточно большую линзу. 

Второе всегда было проблемой, в отличие от первого. :-)

Поэтому, для увеличения масштаба проводимых экспериментов, метод был модифицирован, и, вместо большой линзы был применён вогнутый отражатель - обычно, от телескопа, так как они достаточно высокого качества геометрии. 

Таким образом, модифицированный эксперимент будет выглядеть так: 

Кроме увеличения поля для экспериментов, как выше уже было сказано, подобная схема позволяет тестировать качество геометрии вогнутого отражателя: если отражатель имеет идеальную или близкую к этому геометрию, то экран будет равномерно затенён; если же имеются некоторые дефекты отражателя - на изображении будут присутствовать светлые и тёмные участки. 

В современных условиях, экспериментаторы используют для проведения опытов в качестве точечного источника света - светодиоды, дополнительно заклеенные на верхушке, чтобы оставить только маленькое отверстие для прохода света, а сами эксперименты проводятся в пространстве между вогнутым зеркалом и ножом Фуко - после которого можно было бы спроецировать изображение на стену или экран, но, вместо этого часто используют видео/фото камеру для съёмки процесса и схема эксперимента будет выглядеть так:

А вот и сам эксперимент, проведённый по этой схеме:

Таким образом, после ознакомления со всей предыдущей информацией, становится понятно, что у шлирен-метода существует узкое место:

• или маленькая линза, а, соответственно и небольшие по размерам эксперименты;

• или вогнутое зеркало (которое довольно дорогое) и большие по размерам эксперименты.

"Что в лоб, что по лбу". Всё плохо... Но неужели нет никаких выходов? 

Вовсе нет, есть! И это, как минимум, один замечательный лайфхак, который позволяет в корне переломить ситуацию и для этого надо... использовать линзу френеля!

Так как в предыдущие годы её распространение ограничивалось трудоёмкостью изготовления и недостаточно совершенными методами производства, то, в наше время, её использование является отличным лайфхаком для увеличения площади проводимого эксперимента, так как современные методы позволяют изготавливать такие линзы весьма больших размеров, по достаточно низкой цене.

Скажем, мне в своё время приходилось покупать линзы френеля, где то 600х600х5 мм, по цене, примерно 700 руб за штуку. 

Так как я давно не интересовался этой темой, мне самому стало любопытно и я посмотрел на одном из популярных маркетплейсов, сколько сейчас стоят такие штуки... 

Оказалось, вполне доступно: скажем, линза размером 245х170 мм стоит в районе 300 руб, а, например, 265х200 мм - в районе 600 руб. 

Таким образом, мы видим, что эта цена не идёт ни в какое сравнение со стеклянными линзами или вогнутыми зеркалами, которые будут стоить многократно больше, при таких размерах...

На самом деле, идея с линзой френеля пришла мне в голову, в первую очередь, после ознакомления со всей этой темой, и, до этого, я не видел и не слышал, чтобы кто-то так делал. 

И мне стало интересно, а шёл ли кто-нибудь по такому же пути?

И в ходе своих поисков мне удалось найти подробную схему эксперимента, который показал замечательные результаты! 

В этом эксперименте оптическая схема выглядела следующим образом:

Ну и само видео, где в самом конце можно видеть, что результат отличный:

Таким образом, вы можете как попробовать повторить показанный эксперимент, так и модифицировать классический эксперимент, использовав вместо стандартной двояковыпуклой линзы - линзу френеля. 

В любом случае, такой подход, с использованием подобного рода линз, делает доступным для каждого, даже относительно крупномасштабные эксперименты. 

Напоследок можно упомянуть, что рассмотренный вариант использования линзы френеля не является единственно возможным вариантом увеличения рабочего поля, известны также разработки НАСА, с использованием отражающего экрана, наподобие катафота, покрытого вертикальными полосами, которые играют ту же роль, что и нож Фуко, и такой экран позволяет заменить вогнутый отражатель. 

Однако, думается что такое устройство будет не особо доступным широкой публике, и, поэтому, применение линз френеля видится самым простым, для желающего проводить подобные опыты.

То есть, любой желающий может попробовать приобщиться к исследованию удивительных процессов "невидимого" мира, и наглядно увидеть, - как смешиваются разные газы, как выглядят потоки одного газа и разной температуры, на что похожи ударные волны, от быстро движущихся объектов (например, пуль) и даже просто ветер!

Или, скажем, как стекает вниз, переливаясь за края ёмкости, холодный воздух от кубика льда! Эти и многие другие, весьма зрелищные эксперименты становятся доступны каждому, кто решит использовать шлирен-метод в своих экспериментах. Не всегда зрелищная наука требует затрат - иногда, она требует просто желания. ;-)