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.
?-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.
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.
Теперь когда мы помещаем неоднородность в световой поток, некоторые лучи преломляясь в ней, огибают нож и попадают на экран.
Этот метод не имеет засветки, так как на экран попадают только те лучи, которые прошли через неоднородность.
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.
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)
ferocactus
30.08.2017 17:34+1Если 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
Iroslove Автор
30.08.2017 18:02Это 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.
Zulus-Imba
30.08.2017 17:49От чего стук, слышный на видео, фотоны отскакивают от ножа Фуко? :)
Iroslove Автор
30.08.2017 18:05Я в школьной лаборатории делал, а там товарищи тоже много интересного исследовали.
commanderxo
30.08.2017 20:20Очень 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.Iroslove Автор
30.08.2017 20:53+3Вообще источник света лучше расположить как можно дальше от зеркала, и желательно под углом близким к 90 градусам (так будет меньше искажений).
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.
Sladkozub
31.08.2017 12:14Автор, замени, пожалуйста, картинки из vk, есть проблемы с доступом для украинских пользователей и оболтусов, вроде меня,
бездельничающихрасширяющих кругозор в рабочее время :)
Nuwen
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.
Iroslove Автор
Согласен, и вправду сферические аберрации здесь присутствуют. Я использовал обычные светодиоды зелёного и красного цвета, других просто не было.
x67
лазерный диод без оптики создает световой поток с большой площадью в поперечном сечении, а с оптикой — имеет оптику, которая не отличается прецизионным качеством