Método de Schlieren ( de él. Schlieren - falta de homogeneidad óptica ) - un método para detectar falta de homogeneidad óptica en medios refractivos transparentes y detectar defectos en superficies reflectantes [1] .
A veces se le llama método Toepler , por el nombre del autor, el físico alemán August Toepler .
El método de Schlieren, desarrollado en 1864 por August Töpler, es un desarrollo del método de la sombra de Léon Foucault , propuesto en 1857 , diseñado para controlar la geometría en la fabricación de espejos esféricos para telescopios . El método de Foucault consistía en que el espejo bajo prueba se iluminaba con una fuente de luz puntual. Se colocó una pantalla opaca con un borde afilado en el centro de la curvatura de la esfera; Más tarde, tal pantalla se conoció como el cuchillo de Foucault.
Si la superficie del espejo era estrictamente esférica, el cuchillo, bloqueando el flujo de luz principal de la fuente puntual, sombreaba uniformemente la imagen formada por el espejo. Si la esfera presentaba defectos, la imagen generada, según el signo y el grado de error en el radio de curvatura local, presentaba zonas claras u oscuras. Enfocándose en una iluminación tan diferente, el espejo fue pulido [2] .
La figura muestra una configuración para estudiar el flujo de aire convectivo de una vela encendida por el método de Schlieren. Además del objeto de estudio - 1, la instalación incluye una lente - 2, una apertura (cuchillo de Foucault) - 3, ubicada en el foco de la lente, y una pantalla - 4, sobre la cual la lente construye una imagen real . Si el medio es ópticamente homogéneo, entonces la imagen de la vela (1), pasando, como lo muestran las flechas amarillas, por la lente (2), estará completamente enfocada en el diafragma (3) y no caerá en la pantalla. (4). En presencia de flujos convectivos, que conducen a la aparición de falta de homogeneidad óptica, parte de los rayos de luz, al pasar a través de la lente (2), como lo muestra la flecha verde, pasa por alto el diafragma (3) y se muestra en la pantalla (4 ). Por lo tanto, el diafragma, por así decirlo, corta la "luz parásita", dejando solo la imagen de las faltas de homogeneidad en la pantalla. En este caso, la variación en el brillo de tal imagen corresponderá a cambios en el índice de refracción en un flujo convectivo [3] .
Cualquier perturbación óptica se investiga de manera similar. La única diferencia es que, por regla general, se utiliza una fuente de luz separada para iluminarlos. Si el proceso en estudio es laminar , su imagen en la pantalla (4) será estable. La turbulencia de la perturbación óptica provoca parpadeos, similares a los que se pueden ver, por ejemplo, en un día soleado en la calurosa superficie de una lejana carretera asfaltada . En tales casos, en lugar de una iluminación continua, se utilizan breves destellos de luz para visualizar el estado instantáneo del índice de refracción de la perturbación óptica. El resultado se puede presentar en forma de película .
En términos de sensibilidad, el método de Schlieren es superior a otros, incluidos los métodos de interferencia . En algunos casos, por ejemplo, gradientes muy pequeños del índice de refracción, como procesos que ocurren en gases enrarecidos, el método es generalmente el único método óptico posible [4] :64 [5] .
El método de Schlieren se ha generalizado especialmente para la visualización de varios procesos en el aire. Esto se aplica, por ejemplo, a los estudios de la distribución de la densidad de los flujos de aire formados durante el flujo alrededor de modelos en túneles de viento , es decir, en tecnología aeronáutica. También se utiliza en mecánica de fluidos, balística , el estudio de la propagación y mezcla de gases y soluciones, el estudio de la transferencia de calor por convección, etc. [1]
El cuello de botella en el uso práctico del método de Schlieren clásico era la necesidad de colocar el objeto bajo estudio en un haz paralelo de rayos que pasaban a través de lentes o espejos cóncavos. Esta circunstancia obligaba o bien a fabricar costosas y voluminosas instalaciones, o bien a utilizar modelos reducidos de dispositivos técnicos reales.
En la década de 1980, el físico estadounidense Leonard M. Weinstein del Centro de Investigación Langley de la NASA (NASA LaRC) propuso el uso de una pantalla reflectante, similar en propiedades a un reflector y que permitía trabajar con rayos divergentes. Además, aplicó rayas negras verticales a la pantalla reflectante, convirtiéndola (cuando se ilumina con un haz divergente) en una especie de conjunto de fuentes de hendidura que reemplazó al cuchillo de Foucault, que corta la "luz adicional" sin distorsiones. Como resultado, se obtuvieron imágenes a gran escala de ondas de choque de explosiones, flujos de convección de equipos industriales y personas. [6]
En 2003, el profesor de mecánica de la Universidad de Pensilvania, Gary Settle, propuso el uso de recubrimientos reflectantes especiales, que eliminaron las restricciones sobre el tamaño de los objetos estudiados. [7]