Шлирен-метод. Это наверное единственный способ в живую пронаблюдать конвекцию. Вообще данный метод позволяет увидеть любое изменение плотности в прозрачных средах. Например, когда горит свеча, она нагревает воздух, уменьшая его плотность, что позволяет заметить полученные неоднородности.
ρ-плотность газа
P-давление газа
T-температура
R-универсальная газовая постоянная
А как устроен шлирен-метод? На самом деле очень просто. Начнём с наиболее простого варианта.
Проекционный метод
Возьмём фонарик, желательно с маленькой светящей площадью, и направим его на листочек бумаги, которая будет играть роль экрана. Поместим неоднородность в световой поток фонарика.
Такой метод называется проекционным.
Почему же глазами не видно конвективный поток, а на экране его можно наблюдать?
Дело в том, что изменение плотности среды, следовательно и изменение показателя преломления незначительны, и человеческий глаз не может этого заметить.
Но когда мы светим на листочек, то лучи проходящие через неоднородность преломляются и усиливают некоторые зоны на экране. Но так как лучи отклонились, то туда, куда они должны были прийти, появляется зона с пониженной яркостью.
Шлирен-метод
В другом методе нам понадобится нож Фуко, это тонкий непрозрачный экран, в моём случае линейка. И ещё нам нужно чем-то сфокусировать свет от фонарика. Первое что приходит в голову, это линза, но линзы обладают сферическими аберрациями. Это когда лучи фокусируются не в точке, а на некотором отрезке.
Что же делать? Как же быть? Можно вместо обычной линзы взять объектив от фотоаппарата.
Или можно купить, например в магазине косметики, сферическое (вогнутое) зеркало. Оно априори не имеет сферических аберраций.
Возьмём наше зеркало и отразим свет от фонарика в сторону экрана. Если мы поместим нож Фуко до фокусного расстояния, то он перекроет одну из частей изображения. Поставив его за точкой фокуса, нож перекроет другую часть изображения. А что будет если мы нож Фуко поставим в саму точку фокуса? Тогда он затемнит изображение в целом.
Теперь когда мы помещаем неоднородность в световой поток, некоторые лучи преломляясь в ней, огибают нож и попадают на экран.
Этот метод не имеет засветки, так как на экран попадают только те лучи, которые прошли через неоднородность.
Можно заметить, что свет всё же не фокусируется в точку, это из-за того, что источник света имеет свои размеры, следовательно его изображение должно иметь какие-то размеры.
Чтобы уменьшить размеры этого изображения, нужно расположить источник света как можно дальше от зеркала, либо уменьшить его размеры.
Я использовал такие светодиоды.
Конвективный поток от спички.
Конвективный поток от паяльника.
На данной фотографии можно наблюдать, как горячие потоки воздуха вырываются из фена с большой скоростью.
На практике шлирен-метод используют в аэродинамических трубах, что позволяет наблюдать картину обтекания исследуемой модели.
Источник
