Metoda Schlieren ( de la ea. Schlieren - neomogenitate optică ) - o metodă pentru detectarea neomogenităților optice în medii transparente, refractive și detectarea defectelor în suprafețele reflectorizante [1] .
Uneori este numită metoda Toepler - după numele autorului, fizicianul german August Toepler .
Metoda Schlieren, dezvoltată în 1864 de August Töpler, este o dezvoltare a metodei umbrei lui Léon Foucault , propusă în 1857 , concepută pentru a controla geometria în fabricarea oglinzilor telescopului sferic . Metoda lui Foucault a constat în faptul că oglinda testată a fost iluminată cu o sursă punctiformă de lumină. Un ecran opac cu o margine ascuțită a fost plasat în centrul curburii sferei; Mai târziu, un astfel de ecran a devenit cunoscut sub numele de cuțitul Foucault.
Dacă suprafața oglinzii era strict sferică, cuțitul, blocând fluxul de lumină principal al sursei punctiforme, a umbrit uniform imaginea formată de oglindă. Dacă sfera avea defecte, imaginea generată, în funcție de semn și de gradul de eroare în raza de curbură locală, avea zone luminoase sau întunecate. Concentrându-se pe o iluminare atât de diferită, oglinda a fost lustruită [2] .
Figura prezintă o configurație pentru studierea fluxului de aer convectiv al unei lumânări aprinse prin metoda Schlieren. Pe lângă obiectul de studiu - 1, instalația include o lentilă - 2, o deschidere (cuțit Foucault) - 3, situată la focalizarea lentilei și un ecran - 4, pe care obiectivul construiește o imagine reală . Dacă mediul este omogen din punct de vedere optic, atunci imaginea lumânării (1), trecând, după cum arată săgețile galbene, lentila (2), va fi complet focalizată pe diafragma (3) și nu va cădea pe ecran. (4). În prezența fluxurilor convective, ducând la apariția neomogenității optice, o parte din razele de lumină, care trec prin lentilă (2), așa cum se arată cu săgeata verde, ocolește diafragma (3) și este afișată pe ecran (4). ). Astfel, diafragma, parcă, taie „lumina parazită”, lăsând doar imaginea neomogenităților pe ecran. În acest caz, variația luminozității unei astfel de imagini va corespunde modificărilor indicelui de refracție într-un flux convectiv [3] .
Orice perturbații optice sunt investigate într-un mod similar. Singura diferență este că, de regulă, se folosește o sursă de lumină separată pentru a le ilumina. Dacă procesul studiat este laminar , imaginea acestuia pe ecran (4) va fi stabilă. Turbulența perturbației optice provoacă pâlpâire, similară cu cele care pot fi văzute, de exemplu, într-o zi însorită pe suprafața fierbinte a unui drum asfaltat îndepărtat . În astfel de cazuri, în loc de iluminare continuă, sclipiri scurte de lumină sunt folosite pentru a vizualiza starea instantanee a indicelui de refracție al perturbației optice. Rezultatul poate fi prezentat sub forma unui film .
Din punct de vedere al sensibilității, metoda Schlieren este superioară altora, inclusiv metodelor de interferență . În unele cazuri, de exemplu, gradienți foarte mici ai indicelui de refracție, cum ar fi procesele care au loc în gazele rarefiate, metoda este în general singura metodă optică posibilă [4] :64 [5] .
Metoda Schlieren a devenit deosebit de răspândită pentru vizualizarea diferitelor procese din aer. Acest lucru se aplică, de exemplu, studiilor privind distribuția densității fluxurilor de aer formate în timpul curgerii în jurul modelelor din tunelurile de vânt , adică în tehnologia aviației. Este folosit și în mecanica fluidelor, balistică , studiul propagării și amestecării gazelor și soluțiilor, studiul transferului de căldură prin convecție etc. [1]
Blocajul în utilizarea practică a metodei clasice schlieren a fost nevoia de a plasa obiectul studiat într-un fascicul paralel de raze care treceau prin lentile sau oglinzi concave. Această împrejurare a obligat fie să fabrice instalații scumpe, voluminoase, fie să utilizeze modele reduse de dispozitive tehnice reale.
În anii 1980, fizicianul american Leonard M. Weinstein de la NASA Langley Research Center (NASA LaRC) a propus utilizarea unui ecran reflectorizant, similar ca proprietăți cu un reflector și care să permită lucrul cu raze divergente. În plus, a aplicat pe ecranul reflectorizant dungi verticale negre, transformându-l (atunci când este iluminat de un fascicul divergent) într-un fel de set de surse cu fante care au înlocuit cuțitul Foucault, care întrerupe „lumina suplimentară” nedistorsionată. Ca urmare, au fost obținute imagini la scară completă ale undelor de șoc din explozii, fluxuri de convecție de la echipamente industriale și oameni. [6]
În 2003, profesorul de mecanică la Universitatea din Pennsylvania Gary Settle a propus utilizarea unor acoperiri reflectorizante speciale, care au eliminat restricțiile privind dimensiunea obiectelor studiate. [7]