Техника - молодёжи 1966-08, страница 6

В 1880 году чешский ученый Дворжак нашел, что если между точечным источником света и экраном поместить неоднородную среду, то на экране появится теневое изображение всех шлир, ведь оптическая неоднородность отклоняет проходящие через нее световые лучи. Непреломлен-ные лучи дают равномерно освещенный фон, а преломленные образуют более светлые и более темные зоны на этом фоне. Например, если снять теневым методом ударную волну, то на фотографии получится темная зона, окаймленная яркой саетлой полосой, придающей изображению особую контрастность. При расшифровке теневых фотографий следует иметь в виду, что только темные зоны характеризуют оптические неоднородности, светлые же —лишь преломляющую способность среды. Теневая картина тем контрастнее, чем меньше размеры источника света. Лампы накаливания н газоразрядные трубки, конечно, не назовешь точечными источниками. Выход из положения прост: с помощью линзы можно построить изображение лампы на точечной диафрагме. Чтобы проявить побольше деталей, исследуемый объект лучше всего поместить посередине между диафрагмой н экраном.

Теневой метод подкупает своей простотой. Как правило, он используется для качественных наблюдений. Однако в ряде случаев с его помощью можно получить н количественную оценку процесса, скажем, определить интенсивность ударной волны, найтн коэффициент теплопередачи от нагретой стенки к газу. Особенно удобен теневой метод в тех случаях, когда показатель преломления в исследуемой среде меняется быстро. А если медленно?

Еще в 1856 году французский ученый Фуко предложил оригинальный способ исследования оптических поверхностей. Эти работы совершенно независимо от Фуко проводились и в Германии молодым преподавателем фнзикн и химии Теп л ером, но уже применительно к исследованию н однород-ностей в любых прозрачных средах. Прибор, созданный Теплером, был достаточно чувствителен: он позволял видеть теплый воздух, поднимающийся над чашкой с подогретой ртутью, когда температура ртути отличалась от температуры окружающего воздуха меньше чем на один градус. В то время не было еще фотографических пластинок. Поэтому Теп-леру приходилось зарисовывать от руки наблюдаемую им картину. Лишь спустя двадцать лет были получены первые фотографин — теплерограммы.

Так в 1864 году родился метод Теплера (другая разновидность шлирен-метода, открытая Дворжаком и получившая название теневого метода, появилась лишь через 15 лет). Интересно, что Теллеру свои первые работы удалось опубликовать с большим трудом. А теперь метод Теплера широко используется в науке — главным образом при изучении сред, в которых показатель преломления изменяется сравнительно медленно (конвективные токи над нагретыми поверхностями, фронт пламени, смешение жидкостей и газов). Установка для визуализации этих явлений способом Теплера несколько сложнее, чем тенёвым, но все равно ее нетрудно собрать собственными силами.

Конденсор фокусирует лучи от источника света на щелевой диафрагме, расположенной в фокальной плоскости другой линзы. Эта вторая линза дает параллельный пучок лучей, который проходит через исследуемую среду и попадает на третью линзу, собирающую параллельные лучи в сходящийся пучок. В фокусе третьей линзы расположен нож. Кромка иожа должна находиться точно в фокусе—'только тогда экран (или матовое стекло фотоаппарата) будет затемнен равномерно. Ииече либо верхняя, либо нижняя сторона экране окажется затемненной сильнее (см. цветную вкладку I).

Теперь представьте, что а параллельных лучах находится масса газа или жидкости с иной оптической плотностью, чем у окружающего воздуха. Часть световых лучей, пронизывающих ее, отклонится книзу н будет задержана ножом. На равномерно освещенном экране появится темная зона. Лучи же, отклоненные кверху, минуют нож — и вы увидите на экране зону с большей освещенностью, чем окружающий фон. Именно так становятся видимыми тепловые потоки вокруг руки (сама рука, как непрозрачный объект, оставит лишь тень).

Рекомендуется использовать первоклассные линзы, исправленные на сферическую и хроматическую аберрацию, иначе их изъяны, действуя как оптические неоднородности, исказят наблюдаемую картину. Изготовить линзы большого диаметра, свободные от аберраций, нелегко. Поэтому кх неред

ко заменяют вогнутыми зеркалами. Удачным решением являются смешанные оптические системы. В зеркально-менисковых установках Максутова сферическое зеркало сочетается с мениском, ограниченным сферическими поверхностями. У нас выпускаются зеркально-менисковые, зеркально-линзовые и зеркальные приборы (ИАБ-451, ТЕ-21, ТЕ-19).

Метод Теплера, будучи ненамного сложнее теневого, позволяет получать не только черно-белые, но и цветные изо-бражения. Надо сказать, крвски на цветной теплерогромме (как и степень почернения на черно-белой) условны — они аовсе не отражают естественную окраску объекта. Однако цветная теплерогромма легче расшифровывается, а главное — дает больше информации об исследуемом объекте: наш глаз лучше различает изменение цветов, нежели степень почернения. Как же изготовить цветную теплерограмму? Можно прибегнуть к помощи призмы. Для этого в схему для получения черно-белых теплерограмм (цв. вкладка I) придется внести некоторые изменения. Во-первых, между щелевой диафрагмой и линзой, дающей параллельный пучок лучей, ставится призма, разлагающая белый свет в спектр. Во-вторых, вместо ножа в фокальной плоскости линзы, собирающей параллельные лучн в сходящийся пучок, устанавливается щелевая диафрагма (вторая по счету), вырезающая часть спектра. Пока среда однородна, экран окрашен в какой-то один цвет. Но как только на пути лучей появятся неоднородности, часть спектра сместится и через щель пройдут лучи другой длины волны.

Можно обойтись без призмы. Не тогда придется нож заменить специальной решеткой, составленной из обычных пленочных цветных светофильтров. Решетка собирается из ровных прямоугольных полосок пленки, плотно пригнанных одно к другой специальной рамкой. Решетка устанавливается так, чтобы, пока среда однородна (объекта исследования еще нет), изображение источника света попадало на среднюю полосу, имеющую размеры от долей миллиметра до , 1—2 мм — в зависимости от характера исследувмого объекта. Если срада однородна, экран будет равномерно освещен лучами того же цветв, что и окраска средней полоски решетки. Лишь пройдя через шлиры, лучи света отклонятся и попадут на боковые полоски решетки, имеющие иную окраску, чем центральная. На экране появятся разноцветные зоны. Не обязательно использовать решетку только с тремя полосками, количество светофильтров можно увеличить. Можно менять и ширину лолос.

При сборке установки предпочтение следует отдать длиннофокусным объективам достаточно большого диаметре (диаметр определяет поле зрения прибора).

Сажная деталь оптической схемы — источник света. Для визуализации стационарных процессов можно использовать лампы прожекторного типа (ПЖ-26, ПЖ-27) или газоразрядные (ртутные или ксеноновые высокого давления). Для съемки быстро протекающих процессов обычно пользуются импульсными источниками света. (Ширина щелевой диафрагмы выбирается в зависимости от яркости источника света и обычно составляет десятые доли миллиметра.) Особое внимание следует уделить изготовлению диафрагмы и ножа. Дело в том, что контрастную картину можно получить лишь в случае, когдв диафрагме и нож имеют резко очерченные границы. Диафрагму, как и нож, можно сделать из лезвия бритвы. Все детали оптической схемы следует расположить на одной оси. Для сборки установки удобнее всего использовать оптическую скамью, располагая отдельные элементы схемы на рейтервх, это облегчит юстировку системы. Хороший объект исследования — кусок оконного стекла. На экране вы увидите все его неоднородности. Очень интересные опыты можно провести* если сделать сосуд — кювету с плоскопараллельными стенками иэ оптического стекла. Вы сможете увидеть неоднородности, возникающие при смешении в кювете двух различных жидкостей, при растворении твердых тел, и узнать много нового о явлениях, которые вам до сего времени казались хорошо знакомыми.

«Я впервые увидел звук». В этих словах, взятых с эпитафии на могиле Теплера, ие отражена и малая толика иэ огромного многообразия применений шлирен-метода.

Акустика, аэро- и гидродинамика, физика плазмы, взрывы. Баллистика, теплообмен, диффузия... Трудно назвать такую облвсть наукн и техники, где использование шлирен-метода не открыло бы пар д исследователями новых горизонтов. Остается только сожалеть, что получение цветных теплерограмм не нашло у нас должного распространения. Следует сделать все возможное, чтобы шире и скорее внедрить прогрессивный метод в практику исследовательских лабораторий.