| |
|
А. Леонов
Фата-моргана
на лабораторном столе
|
Наш глаз видит на небе лишь миллионную часть звезд. А о микробах и говорить нечего. Их и не углядишь. А ведь они составляют 99,9% "населения" нашей планеты. Кроме того, глаз не способен различать нечто слишком быстрое или очень медленное...
Обо всех этих недостатках мы давно догадывались и придумали множество приборов, которые их устраняют.
Но есть еще вещи и другого порядка. Они невидимы по причине своей полной прозрачности. Это, к примеру, движение струй чистого воздуха или жидкостей... Правда, природа в некоторых случаях нам их добровольно показывает. Каждый, наверное, видел жарким летом марево. Струйки раскаленного воздуха поднимаются с земли, и через них очертания далеких предметов начинают расплываться, порою меняя свою форму. Крайнее проявление этого -- миражи в пустынях и над морем. Игры феи Фаты-Морганы, как говорили в старину.
С нами, жителями городов, фея играет редко. Но, если хорошенько присмотреться, то можно кое-что увидеть. Если вы живете на верхнем этаже очень высокого здания, стоит присмотреться к предметам на самом краю линии горизонта. Наблюдая день изо дня, можно заметить, что даже в самую ясную погоду некоторых деталей недостает... А все потому, что сама линия горизонта эфемерна. Лучи света только в однородный среде распространяются прямолинейно. Основная особенность света -- способность выбирать себе путь, который требует наименьшего времени для прохождения. Скорость же света в воздухе зависит от его температуры и плотности, а значит, не постоянна на различных высотах. В таких случаях свет, выбирая себе кратчайший путь, распространяется криволинейно. В этом и причина непостоянства линии видимого горизонта, миражей, дрожания предметов в летнем мареве, отражения автомобиля в раскаленном асфальте. Такова природа инструмента, на котором играет с нами Фата-Моргана.
Чуть более ста лет назад физикам, изучавшим движение воздуха, стало особенно не хватать умения видеть прозрачное в прозрачном. Например, движение прозрачной струи воздуха в прозрачном же воздухе не удается заметить по ясной причине: и то и другое прозрачно. Естественно, появляется желание "подкрасить" его дымом. Но такой способ позволяет различать лишь очень грубые неоднородности, вызванные движением.
Тогда ученые решили обратить вред на пользу. Заставили прозрачные оптические неоднородности (шлиры) выявлять самих себя. Убедиться в такой возможности можно на совсем несложном опыте (рис. 1). Он позволяет увидеть конвекцию воздуха в пламени горящей свечи.
|
Главное здесь -- источник света. Он должен быть очень маленьким -- с точку -- и ярким. Очень хороша для этого лампа от карманного фонаря. Ее надо завернуть в трубочку из черной бумаги и с расстояния примерно полметра направить на свечу. Тогда на белой стене, отстоящей примерно на 2 -- 3 метра, вы увидите довольно четкое изображение клубящихся струй.
Объясняется наблюдаемый эффект просто. Неоднородности воздуха, возникшие в пламени, искривляют путь проходящего через них света. Они работают как линзы, собирающие или рассеивающие лучи, и тем самым выявляют свое присутствие.
Яркость изображения в этом опыте оставляет желать лучшего. Нетрудно подсчитать, что в нем полезно используется не более сотой части светового потока. А яркость и четкость изображения тесно взаимосвязаны.
Если заменить лампу карманного фонаря на более яркую, например автомобильную или проекционную, сразу же ухудшается четкость. Придется ставить диафрагму -- пластинку с небольшим отверстием, которое вырезает из мощного потока лампы ничтожную его часть. Четкость восстановится, а яркость слегка возрастет.
Еще интересней результат получится, если свет лампы пропустить через линзу, на которой цветным прозрачным лаком нанесены три разноцветные кольцевые зоны. В этом случае детали приобретают очень яркую, быстро меняющуюся раскраску, и все в целом выглядит гораздо более контрастным.
Для наблюдения процессов обтекания моделей летательных аппаратов в аэродинамических трубах применяют метод наблюдения оптических неоднородностей на темном поле. Простейший эксперимент подобного рода можно провести с помощью школьного проектора для физических демонстраций типа ФОС или ПФ. Все его детали: осветитель, конденсоры, блок диафрагм и объектива -- сделаны подвижными, что позволит применять прибор для самых разнообразных целей.
На рисунке 2 показана сборка проектора и ход лучей в нем для демонстрации оптических неоднородностей. В осветителе обычно используется специальная проекционная лампа с компактным телом накала (спиралью). Положение конденсоров и лампы отрегулируйте так, чтобы получить в фокусе четкое изображение спирали. В этом месте установите зачерненную жестяную пластинку, габариты которой точно соответствуют размерам изображения спирали. При этом свет на экран практически попадать не будет. Положение изменится, если в промежутке между конденсорами появится оптическая неоднородность, которая позволит некоторым лучам распространяться криволинейно. В этом случае изображение источника света немного сместится в сторону и часть его попадет в объектив и на экран. Обратите внимание: здесь действует тот же принцип, который вызывает возникновение миражей.
|
Поставьте между конденсорами газовую горелку или горячий паяльник. Отрегулировав положение объектива, вы получите на экране изображение поднимающихся от предмета струек теплого воздуха. Они будут светлыми на темном фоне. Качество, конечно, оставляет желать лучшего. Однако теперь вы приобрели опыт, который позволит перейти к созданию устройств с гораздо более высокой чувствительностью, позволяющей даже увидеть звук, воздействующий на воздух.
Но вначале несколько слов о недостатках установки, собранной на базе школьного проектора. Ради дешевизны в нем применены конденсорные линзы очень низкого качества. Резко снижает чувствительность применение ламп с телом накала прямоугольной формы. Вот как все происходит. При появлении в пространстве между конденсорами оптической неоднородности возникает некоторое смещение изображения источника света. Смещение невелико. Поэтому большая часть светового потока остается на заграждающей пластине и лишь незначительная его часть идет в обход, создавая полезное изображение на экране.
Советский ученый М.Линник в 30-е годы предложил очень простой способ повышения яркости изображения для оптических систем такого типа. Он заключается в применении специальных ламп с прямой (не спиральной!) нитью накала. В оптических системах с такой лампой, так же как и в системе с обычной, должно получаться изображение тела накала. Его перекрывают при помощи специальной пластины -- "ножа". Малейшее смещение приводит к очень резкому усилению светового потока.
Применение метода Линника и открыло для оптических систем возможность наблюдения картин обтекания тел в аэродинамических трубах. А без этого, вы согласитесь, успехи современной авиации были бы невозможны.
Правда, сегодня на смену лампам пришел лазер. С ним методы наблюдения оптических неоднородностей стали еще совершеннее. Но лазер дорог, лампы с прямой нитью сегодня не выпускаются. Как быть? Подскажем. Встречаются автомобильные лампы накаливания, спираль которых намотана прямолинейно. Они позволяют значительно улучшить качество работы нашей школьной установки. В этом случае перекрывать световой поток в месте образования изображения нити нужно при помощи "ножа". На одной из линз конденсора советуем нанести прозрачные цветовые зоны. Это значительно повысит качество изображения.
|
Улучшенный вариант схемы для наблюдения оптических неоднородностей.
Фокусное расстояние линзы L1 -- 1 м, диаметр -- 12 см, a=1,5 м, b=c=4 м.
|
Установка описанного типа позволяет наблюдать струю воздуха, создаваемую насосом, конвекцию жидкости в прозрачном сосуде, растворение кристаллов, распределение сил в нагруженном прозрачном теле...
А вот для наблюдения обтекания тел медленными потоками воздуха в школьной аэродинамической трубе или образования ударных волн потребуются высококачественные линзы (см. схему на рис. 2). В качестве источника света здесь лучше использовать дуговую лампу, которую можно найти в физическом кабинете. В принципе такая установка позволяет увидеть и звуковые волны.
|
