Wszechpotężne lasery wypalające siatkówkę w służbie nauki

Zobaczyć to czego nie widać… marzenie każdego człowieka, chociaż przez kilka chwil. Jakkolwiek perwersyjne mogłoby się wydawać ja myślę raczej o powietrzu albo innych przezroczystych płynach. Mokrym snem każdej osoby zajmującej się mechaniką płynów jest możliwość pomiaru prędkości bez konieczności wprowadzania specjalnych sond pomiarowych, które zaburzają przepływ i są bardzo łatwe do zniszczenia. Odpowiedzią na te marzenia są metody wizualizacji PIV i na nie rzucimy sobie trochę światłą.

Prędkościomierz obrazujący cząsteczki – tłumaczenie własne

PIV (ang. Particle Image Velocimetry) to metoda pozwalająca na pomiar prędkości w płynie. Metoda ta powstała na początku XX wieku i zalicza się do metod optycznych. Aby ją zastosować do płyny dodaje się specjalny roztwór, który tworzy niewielkie kropelki. Następnie z wykorzystaniem kamery szybkoklatkowej (w zasadzie aparatu) wykonuje się serie zdjęć miejsca, w którym chcemy zmierzyć prędkość. Tak powstałe zdjęcia wrzuca się do specjalnego programu, który porównuje je ze sobą i oblicza prędkość z jaką poruszają się cząsteczki. W ten sposób otrzymujemy rozkład prędkości na pewnej płaszczyźnie pomiarowej.

No dobra. Formalności za nami i wszystko zostało wyjaśnione, ale niezupełnie. Jak obliczyć zdjęcie na podstawie dwóch zdjęć? Wyobraźmy sobie sytuację biegacza, któremu w czasie wyścigu robimy dwa zdjęcia siedząc na trybunach (pomiędzy zdjęciami nie zmieniamy naszego położenia). W prosty sposób możemy ustalić jaki czas minął pomiędzy jednym a drugim zdjęciem – wystarczy zajrzeć w właściwości pliku i sprawdzić czas powstania – jednak w przypadku PIV program po prostu wie jak szybko dane zdjęcia są wykonywane. Co jednak z odległością jaką przebył biegacz? Jeżeli nałożymy zdjęcia na siebie za pomocą linijki zmierzymy odległość jaką przebył, jednak skąd będziemy wiedzieli jaką skale zastosować? W obydwu przypadkach potrzebujemy jakiegoś wzorca, którego wymiary znamy. Wystarczy obliczyć w jakiej skali został uwieczniony na zdjęciu i w ten sposób obliczymy odległość jaką przebył biegacz. Oczywiście w przypadku PIV proporcje obrazu ustala się przed pomiarami, ale polega to na tym samym – w zasięgu aparatów umieszczamy znacznik i ręcznie zaznaczmy specjalne punkty, które posłużą do ustalenia skali obrazu. Jeżeli poradzimy sobie z tym wszystkim wystarczy w prosty sposób podzielić drogę przez czas aby obliczyć prędkość. Jeżeli teraz dokonamy tego dla każdych kolejnych dwóch zdjęć uzyskamy serię takich obrazków pokazujących prędkość (kontury) co pozwoli nam na utworzenie całkiem ciekawego filmu obrazującego jak zmieniała się prędkość w trakcie pomiarów.

W przypadku biegacza sprawa jest prosta, każdy z nas jest w stanie wypatrzeć ulubieńca w tłumie. Jednak jak już wspomniałem aby wizualizacja była możliwa do płynu dodaje się specjalnego roztworu tworzącego drobinki (stąd w nazwie Particle z ang. drobinki), które w losowy sposób przepływają w całej objętości. Skąd zatem wiadomo, które drobinki nas interesują? W tym celu używa się najfajniejszego gadżetu na świecie. Lasera. Laser przepuszczony przez specjalne soczewki naświetla tylko te drobinki (dokładniej płaszczyznę z drobinkami), która interesuje badacza w danym momencie. To trochę tak jakby na naszego biegacza świecić reflektorem, żebyśmy nie zgubili go z oczu. Oczywiście pomiary muszą odbywać się w ciemności, aby światło lasera było odpowiednio widoczne dla aparatów.

Oczywiście w zależności od wymagań istnieją różne metody PIV od najprostszej stereoskopowiej (płaszczyzna) po metody 3D. Jednak zasada działania ich wszystkich jest taka sama. Powstaje więc pytanie dlaczego w Polsce prawie nikt niema tego sprzętu? Ponieważ kosztuje on ponad 1 000 000 złotych (słownie: milion złotych)!!! Odpowiedź choć prosta ciągle przyprawia mnie o ból głowy… skąd zdobyć takie fundusze?

Ciekawostki:

1. Troszkę więcej technikalii od PAN