Как разглядеть невидимые воздушные потоки? [Veritasium]
[музыка] В этой лаборатории помогают раскрывать преступления. Изучая воздушные потоки, зеркала, лампочки и даже лазеры, позволяют увидеть малейшие различия в температуре и плотности воздуха и, например, понять, как помещение сдают частицы наркотиков, установить, кто стрелял из оружия и рассмотреть, как частицы попадают из наружу.
Отличный супер чуткий инструмент для химического анализа известен нам давно. Природа подарила нам лучший химический анализатор — нос собаки. Это бал точная копия носа лабрадора ретривера, напечатанная на 3D-принтере. Мы пробовали задействовать полицейских ищеек, но они быстро начинают лять еду и инить. Три секунды материала за сеанс слишком мало.
Собаки прекрасно слышат слабые запахи, даже с большого расстояния. При этом дышат они особым образом, совершая серию быстрых вдохов и выдохов — около пяти в секунду. Обратите внимание на пульсирующее движение воздуха возле, предположим, это кусочек корма. Вот это корм, видите? Как движется воздух. Удивительно, оно учует запах издалека.
Собакам помогает не вдох, а выдох. При выдохе из каждой ноздри собаки выходит турбулентный поток. У нас, кстати, тоже подставьте руку и почувствуйте две струи воздуха. Когда собака близко к земле, эти потоки бьют вниз и слегка назад, что толкает воздух как бы под морду, из-за чего воздух перед носом подтягивается ближе. То есть выдох толкает воздух назад и тем самым подтягивает воздух спереди.
Дальше собака делает вдох, забирает новый образец и тут же анализирует его благодаря прекрасно развитой обонятельной коре. Так, пять раз в секунду. Обычно, когда собака что-то вынюхивает — это пять раз в секунду по синусоиде. Вот что делает их нос таким точным прибором.
Что интересно, так делают все породы. Эволюция оказалась, что эффективнее всего обнюхивать что-то пять раз в секунду. Даже с бесконечно большими легкими, если бы собака просто постоянно вдыхала, охват был бы небольшим. А благодаря технике вдох-выдох он возрастает в восемнадцать раз.
Мы также продаём детекторы паров. Есть разные для наркотиков, взрывчатых, а также химически и биологически опасных веществ. А теперь же мы разработали и создали, по сути, ноздри, которые превращают детектор в подобие собачьего носа. В управляемых экспериментах мы размещали источник паров всё дальше и дальше, и оказалось, что чувствительность новых моделей возросла в 16-18 раз. Ух ты!
Лишь благодаря технике дыхания потоки воздуха можно разглядеть благодаря методу, о котором, кстати, я делал ролик. Перед ней стоит конденсаторная линза, которая фокусирует свет лампы в точку. Затем свет рассеивается и попадает на зеркало.
Представьте, лучи в виде стрелок абсолютно прямых — они проходят через некую среду, у которой показатель преломления отличается от воздуха вокруг. Это может быть тепло от моей руки или газ с другой плотностью. Вот при этом лучи слегка смещаются, совсем чуть-чуть. Это называется рефракцией или преломлением. Затем они возвращаются.
А здесь у нас полупрозрачное зеркало. Сперва лучи проходят сквозь него, а потом отражаются под прямым углом. Перед камерой установлено лезвие. Оно находится ровно в фокусе того большого зеркала. Край лезвия может двигаться туда-сюда вдоль фокальной плоскости. С его помощью я отрезаю те лучи, которые ломились, блокирую их.
Если убрать край лезвия, свет может проходить спокойно, и мы получим самое обычное зеркало — ничего интересного. Но если вернуть лезвие в фокус, на зеркале сразу проявится турбулентность воздуха. Подставьте руку. Да что ж, ваша лирин установка круче моей!
А вот это метод теневой визуализации. Младший брат лиран метода. Принцип отличается, но не сильно. Теневой метод не так чувствителен, но с ним проще работать. Нужна белая стена, тo фонарик, и всё в принципе готово. А как это работает? Правда, свет сфокусирован не идеально, но достаточно. Он проходит через более плотное горячее пламя со своим показателем преломления, и мы по сути видим тень пламени.
Отсюда и название метода. Метод используется для визуализации различных течений в среде. С его помощью, например, можно определить скорость пули и даже громкость выстрела. Вот это летит наша пуля — она быстрее звука, так как есть головная ударная волна. Очень слабая, видите? Еле заметно, чуть-чуть быстрее одного маха на самой границе.
А вот выстрел из автомата АК-47. Здесь можно количественно измерить два аспекта. Во-первых, если сравнить с миден вен и АК-47, то мы заметим разницу. Вот в этой линии у Ока она не такая тёмная, а значит, выстрел звук не такой громкий, и линия бледнее. Вроде того, да?
Горячие газы при выстреле расширяются, создавая ударную волну. По её фронту сильно меняется давление, плотность и температура воздуха. И чем сильнее, тем темнее будет эта линия на визуализации. Таким образом, по изображению мы можем узнать громкость выстрела.
А здесь пуля летит со скоростью, пожалуй, 2.5 Маха. Это можно довольно точно рассчитать от любого движущегося сквозь воздух тела. Со скоростью звука расходятся волны давления, так как эта пуля летит быстрее скорости звука, её волны давления сжимаются в одну коническую ударную волну. Вроде мини звукового удара.
Благодаря этому можно узнать скорость пули. Синус угла равен отношению звука к скорости тела. Есть ещё способ визуализировать потоки с помощью лазера. Он подсвечивает мелкие частицы. Например, можно увидеть пороховой след после выстрела. Это так называемый лазерный нож. Свет на месте, хотя я его почти не вижу в защитных очках.
Я вижу только в камере. Да, вот здесь лазерный луч — это стеклянный стержень, просто цилиндр из стекла, и он разворачивает луч в двумерную лазерную световую стену. Принцип такой: частицы, например, искусственный туман, проходят сквозь стену, их подсвечивает лазером.
Мы активно изучаем оружейные выстрелы. Нас интересует, что получается после сгорания пого при выстреле из оружия. На этих кадрах с помощью света лазера и высокоскоростной камеры становятся видны клубы дыма, вылетающие после самого выстрела. Сразу заметна разница с вентиляцией и без. Смотрите, это всё пороховой след — глазом его не увидишь, но он есть.
Представьте такое: в помещении пять выстрелов за пару секунд, и сколько материала что-то оседает на руках стрелка. Но при этом, к сожалению, значительная часть рассеивается и остаётся вокруг. Дальше только интереснее. Вопрос: возможно ли отличить следы, оставленные стрелком, от того, что мог занести кто-нибудь, кто пришёл уже позднее? Мы сейчас как раз над этим работаем.
Вот такие инструменты и методы мы используем. В них количественные и не совсем, но главное - реально работающие в сфере общественной безопасности. Мы помогаем выявлять контрабанду. Все люди излучают тепло, вокруг нас тёплое облако. Я покажу сейчас, вы удивитесь.
Видите? Это тепловой след человека. И знаете, из чего он состоит? Вода! А вот и нет. Ого, мы сбрасываем кожу с пугающей быстротой. Не помню точное число, но много. Тысячи клеток в час. Мы постоянно выделяем эти частички, и это неплохо помогает в обнаружении следов.
Как это? Когда речь идёт об отслеживании взрывных или наркотических веществ, работает фундаментальное правило — принцип обмена лака. Это из криминалистики. Любой контакт оставляет следы. Например, когда вы уходите, здесь останутся ваши микрочастицы — уносим с собой. Если я делаю бомбу или занимаюсь производством фентанила у себя в подвале, я неизбежно загрязняю. На мне остаются очень-очень маленькие частицы.
Современное обнаружение химикатов настолько чувствительно, что реагирует на единичные частицы, например, взрывчатого вещества. Представим, что в этой коробке бомба, так на пропускном пункте её проверяют, например, как на таможенном контроле. У сотрудника есть анализатор, обычный детектор паров, и всего десять секунд на проверку. Править детектор.
Вот тут пригодятся наши эксперименты, чтобы знать, где проводить замеры. Вот это мы называем отрыжкой, сейчас поймёте почему. Внутри ацетон, и когда мы надавливаем на коробку, его пары выходят из всех щелей. Поэтому проще всего понять, что внутри, направив детектор на одну из них. Сбоку бесполезно, сверху тоже надо. Вот тут, на углах, откуда содержимое пробивается из коробки наружу.
А это довольно новый проект. Мы имитируем подпольное производство наркотиков. У нас есть немного талька. Слегка встряхнув, глазам ничего не видно. Зато вот на камере. Вот так просто не рассмотреть, но благодаря тому, что лазер подсвечивает частицы, их можно увидеть. Проведём эксперимент: я насыплю запрещённое вещество А, в запрещённое вещество Б, и смотрите — стоит только крышку [музыка] снять — берём ложку, поднимается, вижу.
О да, притом немало. Представьте, если кто-то занимается этим у себя в подвале и не понимает, что оставляет кучу следов на поверхностях. Точное количество не скажу, но оно впечатляет. Очень много. Да, разлетается повсюду.
Сейчас выпустим дым, готовы? Да, мне нравится, как лазерный световой нож делает видимой турбулентность воздуха. Так можно самому проследить движение воздуха. Красота! Да, справа вверху экрана график. Он в реальном времени показывает количество частиц в воздухе вокруг человека.
Другими словами, это так называемое ингаляционное воздействие материалов, с которыми работает сотрудник. Показатели впечатляют, ведь если это фентанил, а человек без маски — ему конец. Можно добавить рующий порошок, чтобы сделать же. Используем количественный метод путём отбора проб с поверхностей. Это как брать мазок.
Возможно, встречались с этим в аэропортах — протягивает руки, и сотрудник водит по ним ваткой или бумажечкой. Осталось. Если вы занимаетесь их изготовлением? Это дрон. Запись дрона в поте. Обратите внимание, как интересно — заряд воздуха его винтов.
И вот вопрос: можно ли каким-то образом использовать это, чтобы собирать образцы? Я вот о чём. Если мы лишь предполагаем, что где-то есть точка производства метамфетамина или фентанила, вызывать спецотряд, который работает с опасными веществами, очень дорого. Это куча людей, оборудование и высокий потенциальный риск.
Но если у нас есть дрон, залетаем в здание, туда-сюда. На брюхе у дрона стоит уловитель, и поток воздуха от винтов поднимает частицы с поверхностей. Дрон как-нибудь их собирает и возвращается на базу. Проводим анализ. Если всё хорошо — отлично. Если нет, вот тут уже вызываем спецотряд в химзащите.
То есть по большому счёту мы главным образом озабочены вопросами общественной безопасности. Вот чем мы тут занимаемся. В принципе, разработка масок тоже попадает под это определение. Когда началась пандемия, мы переключились на изучение эффективности масок. Эта голова имитирует дыхание человека. Конкретно этот человек — я. Я замерил частоту своего дыхания и собрал пневматическую систему, которая его имитирует.
Также туда встроен генератор дыма, поэтому манекен затянулся сигаретой и выдыхает дым. Кажется, будто сквозь маску ничего не проходит. Но на самом деле миллионы частиц пытаются вырваться наружу, и у некоторых получается, ведь маска не герметична. Я написал код для обработки изображения. Берём видео, загружаем в программу, и она их анализирует.
Считаем количество белых пикселей. Если надеть респиратор 95, заснять, почитать — угадайте, сколько пикселей загорится белым. 5%, верно? Дышите как обычно. При вдохе маска темнеет, а при выдохе светлеет, поскольку воздух нагревается в лёгких и уже тёплым идёт наружу.
Интересно, как быстро при вдохе темнеет маска — почти сразу же. Обратите внимание, край всегда тёмный. Эта часть маски прилегает очень плотно. Медицинская маска меняет свет сильнее. Да, у вас заметно, но не сильно. Сама маска просто тоньше. Да, да, поэтому тепло выходит сильнее.
Мне кажется, сверху много выдувается. Да, именно. Если дышать как обычно, там будет сильный поток. [музыка] С масками было сложно. Сначала всем говорили, мол, они не помогают, не носите маски. Потом оказывается, нужно носить, носите тканевые. Нет, тканевые не работают. Очень сложно разобраться.
Мы быстро поняли одну вещь про агитацию за ношение масок — это нужно делать с умом. Поэтому мы сняли видео с Лин методом, ведь средний американец не будет читать научные статьи, но ролик в полторы минуты посмотрит и увидит, как выглядит кашель с маской и без. Это мы и показали.
У нас особые отношения с федеральными службами. Скажем, у бюро, которое нельзя называть, есть запрос в сфере безопасности. Они приходят к нам и говорят: нужен способ находить сыз на обуви. И наши специалисты начинают думать, а как лучше это сделать.
И наоборот: как этого делать не стоит. Что мы будем измерять и какие нам нужны результаты. Всю систему приходится создавать с нуля. Нужно разработать стандарты для подобных измерений. Без этого никак. Мы выясняем всё это в лаборатории, оформляем как следует, даём службе заказчику, а они уже занимаются внедрением в индустрии.
Будет уже не так сложно реализовать идею, потому что мы подвели базу под это дело. Успех того видео с маской показал, что область применения самой технологии очень велика. Оценка качества воздуха: можно взять зеркало побольше, посадить двух человек напротив и посмотреть, чем они обмениваются при разговоре.
Что самое главное, визуализация потоков — это важный инструмент для нашей работы. Он позволяет видеть, что происходит, считать частицы на поверхностях — это отлично. Но теперь мы можем увидеть и отследить, откуда эти частицы взялись.