«Видимість залежить від того. як видиме тіло реагує на світло. Давайте вже я почну з азів. тоді ви краще зрозумієте подальше. Ви прекрасно знаєте. що тіла або поглинають світло. або відображають. або заломлюють його. або. може бути. всі разом. Якщо тіло не відбиває. НЕ переломлює і не поглинає світло. воно не може бути мабуть саме по собі. Так. наприклад. ви бачите непрозорий червоний ящик тільки тому. що він поглинає деяку частку світла і відображає інше. а саме. всі червоні промені. Якби скриньку не поглинав деякої частки світла. а відображав би його весь. він був би блискучим. білим. Згадайте срібло! »- писав Герберт Уеллс в 1897 році в своєму романі« Людина-невидимка ».
Кулі залишають сліди. Серія фотографій, зроблена групою Сеттлза, у всіх подробицях показує процеси, які супроводжують постріл з вогнепальної зброї. На знімках видно порохові гази, що вилітають зі ствола, звукові і ударні хвилі
Способи розглянути «майже прозорі» об'єкти існують вже більше ста років
Але для тіньового методу і методу Теплера зазвичай були потрібні паралельні пучки світла. Використання світлоповертаючих екранів дозволило обійти це обмеження. Шлірен-метод дозволяє візуалізувати, наприклад, конвекційні потоки. Але особливо ефектні фотографії ударних хвиль
Шлірен-фотографія, зрозуміло, не тільки естетична, а й надзвичайно корисна в багатьох областях науки і техніки. З її допомогою фахівці починають краще розуміти, які процеси відбуваються в газах або інших прозорих середовищах
Космічний шатл: надзвукова аеродинаміка. Продування моделі космічного човника в трубі показує розробникам зони освіти ударних хвиль
Повітряна куля: міцність матеріалів. Ми не знаємо, для чого потрібен знімок лопається повітряної кульки. Але, погодьтеся, красиво!
Піскоструминний апарат: абразивна чистка. Знімок показує поведінку струменя аерозольного абразиву при промислової чищення поверхонь
«... Ящик з дуже тонкого звичайного скла було б дуже важко розрізнити при поганому освітленні, тому що він не поглинає майже ніяких променів і відображає і переломлює зовсім мало світла. Якщо ви покладете шматок звичайного скла в воду або, ще краще, в яку-небудь рідину, більш щільну, ніж вода, то ви скла майже зовсім не побачите, тому що світло, переходячи з води в скло, заломлюється і відбивається дуже слабо. Скло в такому випадку настільки ж невидимо, як струмені вуглекислоти або водню в повітрі. І з тієї ж причини ».
Світло і тіні
Тим часом Уеллс помилявся - коли він писав свій роман, вже існували досить досконалі методи візуалізації неоднорідностей густини в газах. Найпростіший з таких методів - це освітлення досліджуваного об'єкта паралельним пучком світла. Досить лише невеликої різниці в показнику заломлення - згадайте, як спотворюються предмети при погляді вдалину над розпеченим шосе влітку або яку тінь відкидає палаюча свіча або газовий пальник. Цей так званий «тіньовий метод» дає можливість побачити області, де змінюється друга похідна щільності (типові приклади таких областей - кордони газових струменів і ударні хвилі).
світловий ніж
У 1857 році французький фізик Леон Фуко запропонував контролювати точність виготовлення дзеркал для телескопів дуже простим способом. У фокусі перевіряється дзеркала він поставив одну додаткову деталь - непрозорий екран з гострою кромкою, пізніше названий ножем Фуко. Зображення джерела (точкового або щілинного) фокусується на самому краю ножа. Якщо поверхню дзеркала строго сферична, ніж перекриває весь світловий пучок, а якщо на поверхні є дефекти, частина світла буде відхилятися і пройде повз кромки ножа.
Шлірен-метод дозволяє отримувати більш контрастне зображення: частина світлового пучка, не яка має спотворень, відсікається ножем Фуко, мінімізуючи «паразитне засвічення». Метод Теплера дає можливість бачити не другу похідну, а першу, тобто градієнти (плавні зміни, а при використанні фотометрії і еталона освітленості обчислювати абсолютні значення щільності.
Розмір має значення
Шлірен-метод або його варіації широко використовують для візуалізації неоднорідностей на протязі вже більше ста років. Він допоміг зафіксувати безліч цікавих газодинамічних явищ. У XX столітті цей метод став невід'ємним атрибутом майже будь-яких аеродинамічних досліджень, і вчені понуро мирилися з його недоліками, головним з яких було обмеження за масштабом. Досліджуваний обсяг не міг виходити за межі простору, де організований паралельний світловий пучок. Пучок фокусувався лінзами або дзеркалами, а розмір цих оптичних елементів строго обмежувався фінансовими міркуваннями. Чим більше діаметр лінзи або дзеркала, тим вище ціна, і навіть метровий масштаб припускав великі витрати. Тому все шлірен-дослідження в аеродинамічних трубах проводилися з крихітними масштабними моделями літаків і ракет.
великий масштаб
В кінці 1950-х один з піонерів високошвидкісної зйомки Гарольд Еджертон запропонував при тіньової зйомці використовувати в якості елемента, що фокусує світловий пучок, світлоповертаючий екран. На мікроскопічному рівні такий екран складається з маленьких елементів (катафотов), що відображають світло в точності в тому ж напрямку, звідки він прийшов. Світлоповертаючі плівки широко використовуються в побуті і промисловості - досить згадати дорожні покажчики, автомобільні номерні знаки і навіть вставки в одязі та взутті. Використовуючи звичайний тіньової метод, Еджертон вперше отримав зображення вибуху динамітного капсуля з використанням екрану розміром 1х2 м.
Однак пройшло більше 30 років, перш ніж світлоповертаючий екран вперше з'явився в шлірен-фотографії. Як каже Леонард М. Вайнштейн, фізик з Дослідницького центру NASA ім. Ленглі, ідея буквально витала в повітрі, але ніхто не наважився реалізувати її на практиці. Вайнштейн ввів в традиційну шлірен-схему ще одна зміна - він завдав на світлоповертаюче полотно вертикальні чорні смуги, перетворивши його (при освітленні розходяться пучком) в віртуальний набір щілинних джерел. Замість ножа Фуко у відповідному місці схеми дослідник розташував негативний растр - грати чергуються прозорих і непрозорих смуг, відтинають неспотворений «зайве світло».
В результаті були отримані повномасштабні зображення невидимих раніше явищ - ударних хвиль від вибухів, конвекційних потоків від промислового обладнання і людей. «Досвідчені фахівці в аеродинаміці знають, що подібна візуалізація дозволяє дослідникам краще розуміти фізичні процеси, що відбуваються в газових потоках», - каже Вайнштейн. Його слова підтверджує Гарі Сеттлз, професор механіки в університеті штату Пенсільванія, засновник і директор лабораторії газодинаміки: «Наочність буває вельми корисна для пояснення складних шляхів поширення і руйнівного впливу ударних хвиль, наприклад, при авіаційних катастрофах - як минулих, так і майбутніх».
Вибухи і постріли
Установка Пенсільванського університету також пролила світло на постріли з вогнепальної зброї, дозволивши розгледіти картинку в деталях: ударну хвилю від кулі не тільки в безпосередній близькості від дульного зрізу, а й на набагато більшій відстані і навіть вилітають зі ствола порохові гази. На фотографіях видно, як ударні хвилі і хмари порохових газів взаємодіють з сусідніми об'єктами, в тому числі і з самим стрільцем. Ця інформація, каже Сеттлз, коли-небудь допоможе криміналістам встановлювати більш достовірні зв'язки між типом зброї, відстанню, з якого зроблений постріл, і, скажімо, залишками пороховий сажі на жертві і підозрюваному.
Від вибухів до чихів
У планах групи Сеттлза - ще більший масштаб. Вчені з нетерпінням чекають моменту, коли їм дадуть можливість рознести на шматки цілий Boeing 747. Час від часу інженери, зайняті захистом літаків від тероризму, отримують в своє розпорядження списаний авіалайнер і підривають його в експериментальних цілях - щоб дати практичну оцінку тих чи інших пристосувань для захисту від бомб на комерційних лайнерах.
Літак подібного розміру не поміститься в університетську дослідницьку установку, тому для майбутньої зйомки вчені розробили портативний варіант. Найбільший елемент установки, відбивний екран, при перевезенні просто згортають в рулон. Конструкція вже випробувана - в минулому році університетська дослідницька група відвідала лабораторії армії США в Абердіні, штат Меріленд, де були відзняті вибухи в багажному відсіку літака. Користуючись армійською захистом для свого обладнання і для самих себе, експериментатори зробили серію фотографій, на яких видно вплив вибуху на багажні контейнери.
120 років тому весь світ облетіли перші, не дуже-то розбірливі шлірен-фотографії палаючих свічок і летять куль. Все повертається на круги своя - зараз завдяки старанням Сеттлза популярні наукові і ненаукові журнали знову рясніють яскравими, гарними фотографіями повітряних фантасмагорій, які виникають навколо вибухають бомб, літаючих літаків і навіть просто чхають людей.