Fotografía Schlieren

La fotografía Schlieren (del alemán; singular: Schliere , que significa "racha") es un proceso visual que se utiliza para fotografiar el flujo de fluidos de densidad variable. Inventado por elfísico alemán August Toepler en 1864 para estudiar elmovimiento supersónico , se usa ampliamente en ingeniería aeronáutica para fotografiar el flujo de aire alrededor de los objetos.

Una fotografía de Schlieren que muestra la compresión frente a un ala no barrida a Mach 1.2
"> Archivo: Video de Schlieren de balística intermedia de transición de Shotshell - Nathan Boor de Aimed Research.ogvReproducir medios
Imagen Schlieren de un shotshell proyectil sale de un barril.

La implementación clásica de un sistema óptico schlieren utiliza luz de una sola fuente colimada que brilla sobre un objeto objetivo o desde atrás. Las variaciones en el índice de refracción causadas por gradientes de densidad en el fluido distorsionan el haz de luz colimado. Esta distorsión crea una variación espacial en la intensidad de la luz, que se puede visualizar directamente con un sistema de gráficos de sombras .

En la fotografía clásica de Schlieren, la luz colimada se enfoca con un elemento óptico convergente (generalmente una lente o espejo curvo), y se coloca un filo de cuchillo en el punto focal, posicionado para bloquear aproximadamente la mitad de la luz. En un flujo de densidad uniforme, esto simplemente hará que la fotografía sea la mitad de brillante. Sin embargo, en el flujo con variaciones de densidad, el haz distorsionado enfoca de manera imperfecta y las partes que se han enfocado en un área cubierta por el filo de la cuchilla se bloquean. El resultado es un conjunto de parches más claros y oscuros que corresponden a gradientes de densidad de fluido positivos y negativos en la dirección normal al filo de la cuchilla. Cuando se utiliza un filo de cuchillo, el sistema se denomina generalmente sistema Schlieren , que mide la primera derivada de densidad en la dirección del filo de cuchillo. Si no se usa un filo de cuchillo, el sistema generalmente se denomina sistema de gráfico de sombras , que mide la segunda derivada de la densidad.

Diagrama de imágenes clásicas de Schlieren usando un espejo cóncavo parabólico

Si el flujo de fluido es uniforme, la imagen será estable, pero cualquier turbulencia causará centelleo , el efecto brillante que se puede ver sobre superficies calientes en un día caluroso. Para visualizar perfiles de densidad instantáneos, se puede utilizar un flash de corta duración (en lugar de iluminación continua).

A mediados del siglo XX, R. A. Burton desarrolló una forma alternativa de fotografía schlieren, que ahora se suele llamar schlieren de enfoque o schlieren de lente y cuadrícula , [1] basado en una sugerencia de Hubert Schardin . [2] Los sistemas schlieren de enfoque generalmente conservan el característico filo de la cuchilla para producir contraste, pero en lugar de usar luz colimada y un solo filo de cuchilla, utilizan un patrón de iluminación de bordes repetidos con un sistema de imagen de enfoque.

Diagrama básico de un sistema schlieren de enfoque

La idea básica es que el patrón de iluminación se crea en un patrón de corte geométricamente congruente (esencialmente una multiplicidad de bordes de cuchilla) con óptica de enfoque, mientras que los gradientes de densidad que se encuentran entre el patrón de iluminación y el patrón de corte se obtienen, generalmente mediante un sistema de cámara. Como en el schlieren clásico, las distorsiones producen regiones de brillo u oscurecimiento correspondientes a la posición y dirección de la distorsión, porque redirigen los rayos hacia fuera o hacia la parte opaca del patrón de corte. Mientras que en el schlieren clásico, las distorsiones en toda la trayectoria del haz se visualizan por igual, en el schlieren de enfoque, solo se visualizan claramente las distorsiones en el campo del objeto de la cámara. Las distorsiones que se alejan del campo del objeto se vuelven borrosas, por lo que esta técnica permite cierto grado de selección de profundidad. También tiene la ventaja de que se puede utilizar una amplia variedad de fondos iluminados, ya que no se requiere colimación. Esto permite la construcción de sistemas schlieren de enfoque basados ​​en proyecciones, que son mucho más fáciles de construir y alinear que los sistemas schlieren clásicos. El requisito de luz colimada en schlieren clásico es a menudo una barrera práctica sustancial para construir grandes sistemas debido a la necesidad de que la óptica de colimación sea del mismo tamaño que el campo de visión. Los sistemas Schlieren de enfoque pueden utilizar ópticas compactas con un patrón de iluminación de fondo grande, que es particularmente fácil de producir con un sistema de proyección. Para sistemas con gran desmagnificación, el patrón de iluminación debe ser aproximadamente dos veces más grande que el campo de visión para permitir el desenfoque del patrón de fondo. [3] [4]

Ondas de choque producidas por un T-38 Talon durante el vuelo utilizando schlieren analógico orientado al fondo

La técnica de schlieren orientada al fondo se basa en medir o visualizar cambios en imágenes enfocadas. En estas técnicas, el fondo y el objeto schlieren (la distorsión a visualizar) están enfocados y la distorsión se detecta porque mueve parte de la imagen de fondo en relación con su posición original. Debido a este requisito de enfoque, tienden a usarse para aplicaciones a gran escala donde tanto el objeto schlieren como el fondo están distantes (típicamente más allá de la distancia hiperfocal del sistema óptico). Dado que estos sistemas no requieren ópticas adicionales aparte de una cámara, a menudo son los más simples de construir, pero generalmente no son tan sensibles como otros tipos de sistemas schlieren, y la sensibilidad está limitada por la resolución de la cámara. La técnica también requiere una imagen de fondo adecuada. En algunos casos, el experimentador puede proporcionar el fondo, como un patrón de moteado aleatorio o una línea nítida, pero también se pueden utilizar características naturales como paisajes o fuentes de luz brillante como el sol y la luna. [5] El schlieren orientado al fondo se realiza con mayor frecuencia utilizando técnicas de software como la correlación de imágenes digitales y el análisis de flujo óptico para realizar un schlieren sintético , pero es posible lograr el mismo efecto en la generación de imágenes de rayas con un sistema óptico analógico.

Las variaciones en el método de schlieren óptico incluyen el reemplazo del filo de la navaja por un objetivo de color, lo que resulta en un arco iris schlieren que puede ayudar a visualizar el flujo. Las diferentes configuraciones de bordes, como los anillos concéntricos, también pueden dar sensibilidad a las direcciones de gradiente variables, y también se ha demostrado la generación de bordes digitales programables mediante el uso de pantallas y moduladores digitales. El sensor de frente de onda de la pirámide de óptica adaptativa es una forma modificada de schlieren (que tiene dos bordes de cuchilla perpendiculares formados por los vértices de una pirámide cuadrada refractora).

Los sistemas ópticos Schlieren completos se pueden construir a partir de componentes o comprar como instrumentos disponibles comercialmente. Los detalles de la teoría y el funcionamiento se dan en el libro de Settles de 2001. [6] La URSS produjo una serie de sofisticados sistemas schlieren basados ​​en el principio del telescopio Maksutov , muchos de los cuales aún sobreviven en la ex Unión Soviética y China.

Imagen de color schlieren de la pluma térmica de una vela encendida, perturbada por una brisa de la derecha.

La fotografía Schlieren se utiliza para visualizar los flujos de los medios, que son en sí mismos transparentes (por lo tanto, su movimiento no se puede ver directamente), pero forman gradientes de índice de refracción, que se hacen visibles en las imágenes schlieren como tonos de gris o incluso en color. Los gradientes del índice de refracción pueden ser causados ​​por cambios de temperatura / presión del mismo fluido o por variaciones de la concentración de componentes en mezclas y soluciones. Una aplicación típica en dinámica de gases es el estudio de ondas de choque en vehículos balísticos y supersónicos o hipersónicos. Se pueden visualizar los flujos provocados por el calentamiento, la absorción física [7] o las reacciones químicas. Por lo tanto, la fotografía schlieren se puede utilizar en muchos problemas de ingeniería, como la transferencia de calor, la detección de fugas, el estudio del desprendimiento de la capa límite y la caracterización de la óptica.

  1. ↑ Burton, Ralph A. (1 de noviembre de 1949). "Un aparato Schlieren modificado para grandes áreas de campo". Revista de la Optical Society of America . La sociedad óptica. 39 (11): 907. doi : 10.1364 / josa.39.000907 . ISSN  0030-3941 . PMID  15393811 .
  2. ^ Schardin, Hubert (1942). "Die Schlierenverfahren und ihre Anwendungen". Ergebnisse der Exakten Naturwissenschaften . 20 . Berlín, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg. págs. 303–439. doi : 10.1007 / bfb0111981 . ISBN 978-3-540-77206-4.
  3. ^ Goulding, JS (2006). Un estudio de sistemas Schlieren de enfoque a gran escala (tesis de maestría). Universidad de Witwatersrand.
  4. ^ Weinstein, LM (2010). "Revisión y actualización de lentes y rejilla schlieren y cámara de movimiento schlieren". Temas especiales de la revista European Physical Journal . Springer Science and Business Media LLC. 182 (1): 65–95. doi : 10.1140 / epjst / e2010-01226-y . ISSN  1951-6355 .
  5. ^ Kamlet, Matt (13 de abril de 2016). "Investigación fotográfica de ondas de choque alcanza nuevas alturas con vuelos BOSCO" . Sitio web de la NASA . Consultado el 5 de mayo de 2016 .
  6. ^ Se instala, GS (2001). Técnicas de Schlieren y shadowgraph: Visualización de fenómenos en medios transparentes . Berlín, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg. doi : 10.1007 / 978-3-642-56640-0 . ISBN 978-3-642-63034-7.
  7. ^ Okhotsimskii, Andrei; Hozawa, Mitsunori (1998). "Visualización Schlieren de convección natural en sistemas binarios de gas-líquido". Ciencias de la Ingeniería Química . Elsevier BV. 53 (14): 2547-2573. doi : 10.1016 / s0009-2509 (98) 00092-x . ISSN  0009-2509 .

  • Grady, Denise (28 de octubre de 2008). "La tos misteriosa, capturada en la película" . The New York Times . pag. D3 . Consultado el 28 de octubre de 2008 .
  • "Fotografía Schlieren - ¿Cómo funciona?" . ian.org . 2010-01-22 . Consultado el 4 de abril de 2020 .
  • "Imágenes de balística de alta velocidad: un blog invitado de Nathan Boor de Aimed Research" . mousegunaddict.blogspot.com . 2013-06-10 . Consultado el 4 de abril de 2020 .
  • Buckner, Benjamin D .; L'Esperance, Drew (2013). "Cámara digital sincrobalística schlieren para fotografía de alta velocidad de balas y trineos de cohetes". Ingeniería óptica . 52 (8): 083105. doi : 10.1117 / 1.OE.52.8.083105 . ISSN  0091-3286 .
  • "Sistema óptico Schlieren y pruebas aerodinámicas 1958 Shell Oil Co. Película educativa XD13174" . PeriscopeFilm. 2020-04-03 - vía YouTube.