Из тени в свет перелетая

Далеко не все из того, что нас окружает, можно увидеть и потрогать руками — многое приходится домысливать и воображать. Математики так и живут в выдуманных ими мирах и пространствах, но вот физики, а особенно техники, не могут успокоиться, пока наглядно не представят себе, как выглядит решение уравнения, куда распространяются волны и в какую сторону дует ветер. Вычислительная математика и компьютерное моделирование могут весьма реалистично нарисовать любой процесс и самое замысловатое явление, но все равно хочется увидеть, как это выглядит на самом деле и как распространяется звук или кружатся воздушные вихри.

Воздух очень слабо преломляет свет, и тем не менее даже микроскопические изменения его малюсенького показателя преломления, оказывается, можно увидеть. Классические картинки такого рода, попавшие во все учебники, — это горящая свеча и летящая пуля. Клубы горячего воздуха, поднимающегося над пламенем, видны в принципе и без специальных технических устройств — если просто посмотреть поверх пламени свечи на другую свечу, горящую вдали. Но вот ударные волны, генерируемые летящей со сверхзвуковой скоростью пулей, как и турбулентный след позади нее, без так называемого теневого метода и фотовспышки увидеть невозможно.

Апчхи!.. — и мириады капелек, бактерий и просто воздушных завитков полетели на того, на кого вы решили начхать. Организм рефлекторно, не задумываясь, освобождается от накопившихся «излишков», и наша задача так направить этот процесс, чтобы по возможности минимизировать потенциальные потери окружающих. Вырывающийся из легких воздух достаточно сильно возмущает спокойную атмосферу между теплеровскими зеркалами, однако слабые потоки теплого и влажного воздуха, поднимающегося вдоль тела фотографируемого, также неплохо видны.

Этот уникальный исследовательский инструмент — шлирен-фотография позволяет видеть самые тонкие детали разнообразных процессов, начиная от диффузии ядовитого вещества в воздухе и заканчивая растворением сахара в воде. Научная мысль не стоит на месте, и новая модификация теневого метода, позволяющая выйти из узких стен лабораторий в широкий мир реальных машин и сооружений, была совсем недавно разработана американским ученым Гари Сэттлом. Сегодня это выглядит как достаточно курьезное изобретение, позволяющее видеть жар от барбекю и холод от замороженной пиццы, но на самом деле — это окно в новый и совсем незнакомый нам мир, и трудно даже представить те открытия и усовершенствования, которые оно может привнести в нашу жизнь. Но одно ясно уже сегодня — те возмущения, которые мы вносим в окружающий мир, не так уж и незаметны, и присутствие человека в помещении выдают не только звуки его дыхания и сердцебиения, но и то тепло, которое он отдает окружающим его людям.

Если путь у световых лучей большой, то отклонения от прямолинейного распространения хорошо видны даже невооруженным глазом. Примеров тому немало — начиная от размывания удаленных машин, едущих по раскаленному шоссе, и заканчивая причудливой тенью, отбрасываемой горящей газовой горелкой. Показатель преломления газа напрямую зависит от его плотности, то есть от количества молекул, находящихся в единице объема, а значит, и преломление изменяется, когда мы сжимаем газ при постоянной температуре или нагреваем при постоянном давлении.

При проверке зеркал с помощью ножа Фуко мы отрезаем основной поток света, оставляя только отклонения от нормы. В шлиренметоде Теплера все прямоидущие лучи тоже убирают, и только то, что уклонилось от верного пути, благодаря колебаниям показателя преломления, попадает в глаз наблюдателя или на фотопленку. Причем получающаяся картинка настолько наглядна и понятна, что какие-либо комментарии, как правило, излишни. Увеличение контрастности и «видности» воспринимается вполне естественно, и если не требуется численная оценка изменений температуры или давления газа в потоке, то можно и не вникать в тонкости оптической системы устройства, наслаждаясь замысловатыми завитками турбулентных потоков, лучами ударных волн и кругами звукового давления.

Комбинированная съемка, совмещающая продолжительную экспозицию и яркую короткую вспышку, позволяет запечатлеть на одном фото и поток тепла над горящей свечой, и ударную волну, порожденную пулей, летящей вдвое быстрее звука. Любопытно, что второй конус ударной волны начинается не там, где кончается пуля, а там, где воздушный поток становится турбулентным. То, что после пролета пули картинка от тепловых потоков свечи осталась почти неизменной, может быть следствием как специфичности освещения, так и тем, что траектория пули расположена не прямо над свечой, а ближе к наблюдателю.

Изначально все это придумывалось для того, чтобы увидеть звуковые волны и потоки, обтекающие модели самолетов и ракет, но сегодня теплеровский шлирен-метод используют для визуализации мощных пикосекундных лазерных импульсов и фазовых переходов в веществах, замороженных до температур, близких к абсолютному нулю. Пользы от теневой фотографии было немало — так аэродинамики, прежде чем научились численно рассчитывать потоки, обтекающие летательные аппараты, немало лет провели в аэродинамических трубах, измеряя силу и давление, а также анализируя теплеровские фотографии пограничных слоев и линий отрыва потока.

Свой метод Фуко предложил в 1859 году и даже сумел сам изготовить два телескопа с зеркалами диаметром 80 см, а уже к 1908 году в обсерватории Маунт-Вилсон был построен полутораметровый рефлектор. Метод Фуко в различных модификациях используется и сегодня — при изготовлении как любительских зеркал, так и многометровых космических и земных телескопов. Идея отсечения основного неинформативного потока света оказалась очень продуктивной не только для чисто оптических задач, и уже в 1867 году немецкий физик Август Теплер разработал шлирен-метод наблюдения мелких оптических неоднородностей в прозрачных средах. Это было прямое развитие теневого метода Фуко, и сегодня, несмотря на наличие лазеров и огромные возможности интерферометрических способов контроля поверхностей и объемов, старинные методики не только не забыты, но и активно развиваются ныне живущими кулибиными.

На этот раз инициативу съемки невидимого перехватила Америка. В середине прошлого века Х. Шардин предложил использовать специальнысветовозвращающий экран и сходящийся пучок света, а в конце века Л.М. Ванштейн сумел изготовить большеразмерную шлирен-систему, лишенную принципиальных ограничений на размер исследуемых объектов.

Последние наиболее значимые достижения в области полномасштабной шлирен-фотографии крупных конструкций связаны с именем профессора механики из Пенсильванского университета Гари Сэттла, сумевшего обойтись при съемке мелких неоднородностей без больших высокоточных зеркал и научившегося снимать конвективные потоки и воздушные струи, пронизывающие нашу жизнь прямо там, где это требуется. Так что, возможно, имя Сэттла, равно как и 2003 год, станет еще одной важной вехой в развитии методов визуализации невидимого.

Нож Фуко

На заре телескопостроения перед шлифовальных дел мастерами стояла совершенно непосильная задача — придать зеркалу или линзе сферическую форму с точностью до долей микрона. Смотря на рабочее изделие, трудно понять, где у него завал, а где ямка или бугор, и в результате телескопы с большими зеркалами и линзами порой хуже показывали звездное небо, чем их меньшие, но более удачные собратья. Ситуация была совершенно безвыходной, пока великий французский физик Жан Бернар Леон Фуко не предложил гениальный по своей простоте метод контроля вогнутых зеркальных поверхностей. Секрет состоял в том, что надо отсечь основной световой поток, оставив только ту его часть, которая отражается от «неправильных» участков поверхности. Достигается это с помощью ножа Фуко — тонкого непрозрачного экрана, помещаемого в ту точку пространства, куда собирается основной пучок световых лучей. Отрезав основной поток света, мы отлично увидим те участки зеркала, которые неправильно собирают свет, и можем, при последующей полировке, легко выправить форму будущего зеркала.

Метод Гари Сэттла

В традиционной схеме теневого метода исследуемый объект помещается в параллельный пучок лучей, идущий от одного вогнутого зеркала к другому. Поэтому для того, чтобы наблюдать большие предметы и потоки, нужны еще большие зеркала. Это обстоятельство заставило изготавливать дорогие, громоздкие установки и использовать уменьшенные модели реальных технических устройств.

Гари Сэттл, хорошо освоив классическую методику, усовершенствовал ее, заменив сферическое зеркало, формирующее сходящийся пучок, плоским экраном, выполняющим ту же функцию. Данный световозвращающий экран является сердцем всей системы, поскольку используемые лампы-вспышки и фотокамера со встроенным в нее ножом Фуко, отрезающим лишний свет, — это, в общем-то, стандартное оборудование. Задача экрана — направить свет от ламп точно на край ножа Фуко, в этом случае только лучи, отклоненные потоками воздуха, свободно просочатся в объектив фотоаппарата и создадут красивое и необычное изображение. По сути, это решетка из микроотражателей, в чем-то напоминающая обычные дорожные знаки, возвращающие свет фар назад водителю.

Самым сложным в теплеровском шлирен-методе всегда было формирование параллельного пучка лучей, зондирующего исследуемую область пространства. Замена параллельного пучка на сходящийся существенно упростила всю конструкцию, а разработка специальных световозвращающих покрытий сняла все ограничения на размер изучаемых объектов. В установке, разработанной Гари Сэттлом, лучи света, испущенные лампой-вспышкой, отразившись от экрана, собираются на входе в фотокамеру. Основной поток света, не претерпевший отклонения от прямолинейного пути, не попадает на фотопленку, поскольку его отрезает непрозрачный нож Фуко, а вот лучи, преломленные воздушными линзами, напротив, доходят до фоточувствительного слоя и создают видимое на фотографиях изображение.