Шлирен-метод: как увидеть воздух? [Veritasium]

Вот сайт с шаурмой Likes. Если бы мы могли видеть незаметные нашему глазу воздушные потоки, перепады температур, разницу давлений и состав воздуха, вот так выглядела бы загорающаяся спичка. А вот так гелий, выходящий из шарика. Вы бы видели поднимающийся от рук теплый воздух, из пары изопропилового спирта и капельки, которые вылетают изо рта, когда мы чихаем.

Вот установка, с помощью которой я все это заснял: вогнутое параболическое зеркало 40 сантиметров в диаметре, такой использует в телескопах. С большой натяжкой можно представить, что она часть гигантского сферического зеркала. Мы находимся внутри, и центр получается примерно вот тут. Именно здесь я разместил светодиод размером 3 миллиметра, большую часть которого я закрасил лаком, чтобы источник света был максимально узким, почти точечным.

И так, луч выходит из лампочки, расширяясь, летит сюда, отражается от зеркала и фокусируется вновь практически в том же месте, откуда начал. Вот видите? На руке светодиод. Я немного сдвинул, чтобы луч попадал прямо на линзу фотоаппарата. Перед ним на штативе я закрепил лезвие так, чтобы она закрывала где-то половину луча. Теперь мы сможем увидеть еле заметные флуктуации в воздухе перед зеркалом, например, восходящие потоки от горящей свечи.

И вот почему, отраженный свет, проходя через столб теплого воздуха, слегка меняет свое направление из-за преломления. Существует такое понятие, как показатель преломления у холодного и теплого воздуха. Он разный. Показатель преломления — это то, насколько скорость света в среде отличается от скорости света в вакууме. Воздух комнатной температуры имеет он чуть больше единицы, но становится тем меньше, чем воздух теплее.

Так как разница совсем небольшая, в обычных условиях мы ничего не замечаем, но здесь всё становится видно, потому что часть фотонов, которые прошли бы над лезвием, из-за преломления попадает в него. И некоторые элементы изображения получаются темнее. Свет, который должен был оказаться на лезвии, частично проходит над ним, делая некоторые элементы светлее. Благодаря этому можно увидеть, как от моего лица исходит тепло. Можно рассмотреть собственное дыхание и как холодный воздух выливается из бокала со льдом.

Но не только температура влияет на преломление, разные материалы и вещества обладают разными характеристиками. К примеру, бутан в зажигалке невооруженным глазом его не увидишь, а вот так можно даже без огня. [аплодисменты] Мыльные пузыри тоже преломляют свет. Насколько зависит от толщины стены, этот метод называется шли-ран, от немецкого слова, которое означает "в полосы".

Впервые подобный эффект в 1665 году наблюдал Роберт Гук. Он использовал несколько линз и пару свечей. В 19 веке метод, кстати, применяли, чтобы находить на стекле для линз дефекты. В последнее время им активно пользуются в аэродинамике и гидродинамике. Он позволяет разглядеть перепады давления, температурные градиенты, а это и ударные волны, неоднородности в составе газов.

Если чиркнуть спичкой, видно, как трение создает тепло, из-за чего загорается фосфор и добавляет больше тепла, как сера вступает в реакцию с хлором и калия, как выделяется диоксид серы и как загорается пламя. А еще отлично видно, как я его задуваю.

Переведено и озвучено студией Вирт Дайдар.