Metoda wizualizacji Schlieren

Although the schlieren method is only one of the many methods I had to use, it is a very important one, and I be- lieve that you will enjoy the results as much as I do.

[Chociaż metoda Schlieren jest tylko jedną z wielu metod, których musiałem użyć, jest ona bardzo ważna i wierzę, że będziesz cieszyć się wynikami tak samo jak ja.]

Ernst Mach

Metoda wizualizacji Schlieren

Widzieliście kiedyś powietrze? To trudne zadanie i mimo, że opisywałem już metodę PIV o nawet ona nie pozwala zobaczyć ruchu cząstek powietrza a jedynie ruch cząsteczek, które w pewnym gazie rozpylamy. Skoro więc najnowsza technika nie pozwala tego zrobić to czy to w ogóle możliwe? Otóż tak i dokonano tego już w 64roku. 1864 roku.

Rysunek 1. Prototyp aparatu do wizualizacji zaprojektowany i zbudowany Toeplera
[Źródło 1]

Za ten przełom odpowiedzialny jest August Toepler. Niemiecki uczony urodzony w 1836 roku. Jak wszyscy w tamtym okresie zajmował się różnymi dziedzinami nauki, od chemii po fizykę eksperymentalną. Badał między innymi fale uderzeniową co zaowocowało opracowaniem omawianej właśnie techniki wizualizacji Schlieren – co po niemiecku znaczy nic więcej jak smugi.

Rysunek 2. Wizualizacja płonącej i gaszonej dmuchnięciem zapałki
[Źródło: YouTube]

Metoda ta bazuje na metodzie cieniowania Faucaulta (tak tego od wahadła) służącej do oceny zwierciadeł stosowanych w teleskopach. Aby tego dokonać potrzebujemy zwierciadła, źródła światła (skolimowanego – może być dioda) oraz kamery lub aparatu (pierwotnie Toepler oglądał wszystko przez lunetę/teleskop i rysował ręcznie to co udało mu się zaobserwować).

Źródło światła montujemy w odległości dwóch ogniskowych od zwierciadła co pozwala nam na uzyskanie obrazu odbitego zaraz obok. W miejscu, w którym powinien powstać obraz odbity umieszczamy żyletkę (w taki sposób aby blokowała połowę ‘obrazu’) a kawałek za nią kamerę. Koniec. Mamy gotowy Sprawnie działający aparat do wizualizacji metodą smug(wszyscy używają nazwy niemieckiej, ale trudno się ją odmienia).

Rysunek 3. Ustawienie sprzętu w czasie wizualizacji metodą smug
[Źródło 2]

W technice tej wykorzystuje się różnice współczynnika załamywania światła wynikające z różnej temperatury, albo gęstości. Oczywiście nim większe różnice tym lepiej, a obraz będzie dokładniejszy.
Czy metody te wykorzystuje się nadal? Oczywiście i mimo, że metoda smug nie cieszy się już takim powodzeniem to nadal powastają artykuły wykorzystujące ją do badań. Jednak nie samą nauką człowiek żyje. Prawda? Metoda Schlineren, a może raczej Shadowgraph, wykorzystywana jest również w sztuce. Doczekała się nawet filmu a raczej filmów, w którym została wykorzystana. Momo, że shadowgraph różni się troch od metody smugi i polega raczej na grze cieniem niż obrazowaniu, to wrzuca się je troche do wspólnego worka.
Warto o niej wspomnieć w szczególności, że niektórzy przypisują początki opisywanej metody Robertowi Hookowi, który jako pierwszy bawił się cieniami (shadowhraph) w celach naukowych. Ja się z tym nie zgadzam bo to trochę tak jakby mówić, że wyprawy Krzysztofa Kolumba zapoczątkował facet, który jako pierwszy wystrugał łódź. Jednak ocencie sami.

Rysunek 4. Nowoczesny pokaz z wykorzystaniem shadowgraph
[Źródło: YouTube]

Pierwszym filmem wykorzystującym tę metodę jest animacja Three Blind Mousketeers produkcji Disneya z 1936 roku. Wydaje mi się, że shadowgraph została tam wykorzystana do animowania cieni kota, ale nie jestem specjalistą, a niestety nie udało mi się znaleźć żaednych informacji do czego dokładnie wykorzystano w filmie tę metodę. Film możecie obejrzeć tu.
Urządzenie do wizualizacji Schlieren możecie wykonać sami w domu, a na YouTube znajduje się mnóstwo poradników jak to zrobić. Serdecznie polecam również obrazy pojawiające się po wpisaniu Schlieren albo Schlieren flow visualisation w wyszukiwarkę Googla.
Na koniec polecam film nagrany przez pracowników UWM w Poznaniu.