Come fotografare un fluido in movimento

La fotografia Schlieren (dal tedesco “schliere”, che significa “striscia”) è un processo visivo utilizzato per fotografare il flusso di fluidi di diversa densità, e dunque mettere in evidenza un fluido in movimento. Inventato dal fisico tedesco August Toepler nel 1864 per studiare il movimento supersonico, è ampiamente usato nell’ingegneria aeronautica per fotografare il flusso d’aria attorno agli oggetti. Questo articolo illustra la costruzione, l’applicazione e la scienza di un apparato per la fotografia Schlieren e ti fornisce numerose idee sui soggetti che puoi fotografare e sui fenomeni che puoi studiare con tale sistema.

In breve, un sistema Schlieren sfrutta il principio di rifrazione e alcune ottiche intelligenti per consentire la visualizzazione delle differenze di densità dei media trasparenti. Il fenomeno fisico che questo tipo di fotografia permette di evidenziare, quindi, è la differenza nella densità dell’aria. Quando un gas viene riscaldato si espande e quando si raffredda si contrae. E, come ricorderete dalla fisica delle superiori, quando la luce attraversa materiali con densità diverse, si rifrange.

Noi tendiamo a pensare all’aria come uniforme perché non possiamo vedere i piccoli cambiamenti che ci circondano. Ma in realtà l’aria è costantemente in movimento e disturbata da piccole fonti di calore. Anche il tuo corpo sta facendo circolare l’aria verso l’alto intorno a te. Quindi abbiamo una zona d’aria più calda dell’aria circostante. Quando i raggi luminosi la attraversano vengono rifratti, cambiando direzione. I cambiamenti che vedremo, però, di solito sono molto, molto piccoli.

Nell’aria i cambiamenti di cammino per rifrazione non sono evidenti come nell’acqua.

La luce si rifrange, nel senso che si piega, quando attraversa la materia con densità diversa. Ecco perché, notoriamente, una cannuccia in un bicchiere d’acqua sembra essere piegata o addirittura spostata quando viene vista di lato. Quando la luce attraversa l’aria di diversa densità, infatti, si rifrange, divergendo dal percorso che un tempo percorreva. In una configurazione Schlieren, ciò significa in pratica che questa luce deviata non passerà più attraverso lo stesso punto focale.

Tuttavia, la quantità di rifrazione è così piccola, che normalmente non la notiamo poiché la luce passa ancora molto vicino al nostro punto focale originale. Quindi abbiamo bisogno di un mezzo per amplificare gli effetti di questa piccola rifrazione. È qui che entra in gioco la lama di rasoio. Se tagliamo in due il nostro punto focale con uno spigolo vivo, dato che il nostro punto focale sarà effettivamente di dimensioni finite allora piccoli cambiamenti nel percorso intrapreso dalla luce potrebbero avere grandi conseguenze.

Il fenomeno della rifrazione è grande in un liquido (a sinistra) ma piccolo nell’aria e in un sistema Schlieren (a destra).

Se la luce si rifrange e si piega in una direzione, colpirà la lama del rasoio e non raggiungerà mai la nostra fotocamera. D’altra parte, se la luce si rifrange e piega nella direzione opposta, la luce che in precedenza veniva rifiutata, ora sta raggiungendo la nostra fotocamera. Ma poiché il processo è analogico e non binario, finiamo con l’avere sfumature di grigio corrispondenti alle differenze di densità. Come si può quindi realizzare, in pratica, un sistema ottico per realizzare la fotografia Schlieren?

Come creare un sistema ottico Schlieren

L’implementazione classica di un sistema Schlieren ottico utilizza la luce proveniente da una singola fonte collimata che brilla su o da dietro un oggetto bersaglio. Le variazioni dell’indice di rifrazione causate dai gradienti di densità nel fluido distorcono il raggio di luce collimato. Questa distorsione crea una variazione spaziale nell’intensità della luce, che può essere visualizzata direttamente con un sistema ombra.

Nella fotografia Schlieren, la luce collimata viene focalizzata con un elemento ottico convergente (di solito una lente o uno specchio curvo) e una lama di coltello viene posizionata nel punto focale, in modo tale da bloccare circa metà della luce. In un flusso di densità uniforme ciò renderà la foto solo la metà più luminosa. Tuttavia, nel flusso con variazioni di densità, il raggio distorto mette a fuoco in modo imperfetto e le parti che sono state messe a fuoco in un’area coperta dal bordo del coltello vengono bloccate.

Funzionamento di un sistema ottico Schlieren.

Il risultato è costituito da una serie di chiazze più chiare e più scure corrispondenti ai gradienti di densità del fluido positivi e negativi nella direzione normale al bordo del coltello. Quando viene utilizzata una lama di coltello, il sistema viene generalmente indicato come un “sistema Schlieren”. Se non viene usata una lama di coltello, il sistema viene generalmente indicato come un “sistema ombra”.

Esistono diversi modi per creare un sistema Schlieren. Il più comune è quello a specchio singolo, che useremo in quanto è necessario solo uno specchio invece di una coppia. Ogni specchio concavo ha quella che viene chiamata “lunghezza focale”, f, che rappresenta la metà del raggio di curvatura dello specchio. Vuoi quindi che la tua sorgente di luce sia posizionata esattamente a una distanza doppia in modo che la luce proveniente dalla sorgente rimbalzi sullo specchio, come in figura.

Schema dell’apparato di Schlieren da realizzare.

Ora, se sposti la sorgente luminosa solo leggermente di lato rispetto alla perpendicolare dello specchio, ciò che accadrà è che proietti un’immagine della sorgente luminosa proprio accanto a se stessa. Se dovessi usare una lampadina e un foglio di carta bianco accanto ad essa, vedresti un’immagine perfetta (se invertita) della lampadina. Nella fotografia di Schlieren, questa fonte di luce sarà minuscola quanto più è possibile, e quindi l’immagine proiettata sarà una linea sottile o un puntino.

Ora immagina quella macchia d’aria davanti allo specchio. Ogni luce che la attraversa verrà rifratta, ma solo di una piccola quantità, normalmente invisibile. Ma poiché tutta la luce è puntata su un punto così piccolo, anche la minima rifrazione farà disperdere il raggio. Se si dovesse bloccare metà dell’immagine proprio nel punto di proiezione, si produrrà ora un’immagine in cui la luce rifratta in una direzione viene bloccata, ma viene passata e aggiunta all’immagine nell’altra direzione.

Dove va collocato il soggetto da fotografare.

Attrezzatura per la fotografia Schlieren

Ecco cosa ti serve per creare un tuo sistema Schlieren tutto tuo:

  • Specchio telescopico parabolico / sferico con focale lunga
  • Telecamera
  • Teleobiettivo
  • Lama di rasoio
  • Sorgente luminosa puntiforme

Specchio parabolico / sferico – Per questo progetto sono desiderabili sia uno specchio grande (15-20 cm di diametro) sia una lunghezza focale maggiore. Maggiore è la lunghezza focale, migliore sarà l’immagine. Non proverei nulla di meno di 90-120 cm in quanto non darà alla luce abbastanza tempo per separarsi molto lontano e darà effetti molto deboli. Volete anche uno specchio di alta qualità per questo progetto, quindi consiglierei di acquistare uno specchio per telescopio, va bene se ha qualche graffio. Gli specchi per telescopi sono realizzati con grezzi di vetro di alta qualità, rettificati con precisione fino alla loro forma finale e infine rivestiti con una superficie riflettente. Ho comprato il mio su eBay per 60 euro. Ha un diametro di 160 mm e una lunghezza focale di 1300 mm. Il prezzo degli specchi per telescopio scala approssimativamente con il quadrato o il cubo del loro raggio (il che ha senso).

I materiali necessari per la fotografia Schlieren.

Fotocamera – Per un piccolo specchio da 15 cm quasi ogni fotocamera va bene: ciò che è più importante è essere in grado di ingrandire e mettere a fuoco la posizione del tuo specchio. Quindi è importante avere una fotocamera con obiettivi rimovibili o almeno una buona funzione di zoom ottico. Dovrai essere in grado di ingrandire fino a quando lo specchio non riempie l’intero fotogramma, se possibile. L’opzione migliore è, potendo scegliere, una DSLR con teleobiettivo fisso.

Teleobiettivo – Poiché sto usando una reflex digitale, sto usando un teleobiettivo zoom. È un obiettivo economico e non è affatto elegante. Ha una lunghezza focale massima di 300 mm e mi serve quasi tutto per riempire l’immagine con lo specchio.

Lama di rasoio – Hai bisogno di qualcosa per bloccare parzialmente o colorare la luce nel punto focale. Qualsiasi bordo piccolo e molto affilato funzionerà, come una lama di rasoio. È necessario una lama di rasoio e non di coltello perché, se c’è uno spessore, disperderà la luce e produrrà un bagliore. Se vuoi divertirti di più, puoi anche usare un filtro con gradiente di colore e posizionarlo nel punto focale.

Alcuni esempi di riprese fatte con un sistema Schlieren.

Sorgente luminosa puntiforme – Penso che questo sia il componente più difficile dell’intera lista. Più piccola e luminosa è la tua fonte di luce, migliori saranno i risultati. La prima volta ho provato i laser, ma presto ho scoperto che non va bene. Alla fine ho deciso di utilizzare un LED da 3 W accoppiato (eventualmente tramite una lente) ad una fibra ottica. Altre persone hanno usato LED e aperture di carta stagnola. Qualunque cosa tu finisca per fare, ricorda che vuoi che il tuo diaframma sia il più vicino possibile al punto in cui viene generata la luce, perché l’intensità scala con 1/r2. Rimarrai sorpreso: anche se la tua sorgente luminosa puntiforme appare estremamente fioca, creerà comunque un’immagine nella tua fotocamera.

Come fare una fotografia Schlieren

Ecco il setup che occorre realizzare per la fotografia Schlieren:

  • Posiziona la tua sorgente luminosa puntiforme su una superficie stabile su un lato di una stanza.
  • Posiziona lo specchio su un’altra superficie molto stabile sul lato opposto della stanza, rivolto verso la tua sorgente luminosa.
  • Posiziona verticalmente un pezzo di carta bianca o un poster vicino alla tua sorgente luminosa.
  • Abbassa le luci e regola lo specchio fino a quando non focalizzi nuovamente la luce in un punto molto vicino alla sorgente luminosa stessa – ecco perché vogliamo una superficie bianca come aiuto.
  • Posiziona il bordo del rasoio verticalmente vicino al punto focale, ma non oscurare ancora la luce.
  • Posiziona la fotocamera sul percorso della luce, dietro il punto focale.

Il setup da realizzare per la fotografia Schlieren.

Prendi in considerazione la costruzione di un supporto per specchio. Ho realizzato un supporto per il mio specchio che mi consente di effettuare regolazioni di precisione. Consiglierei di farlo, ma non è del tutto necessario. Tutto ciò di cui hai bisogno è un modo per orientare il tuo specchio in modo un po’ preciso.

L’importanza della stabilità. Alla fine, facciamo affidamento sulla dissezione di un punto focale di diametro inferiore a 1 mm. Pertanto, avere un sistema molto stabile è importante per ottenere buoni risultati. Per la mia sistemazione ho usato un tavolo e un piano di lavoro sui lati opposti della stanza, ma mi sono reso conto che mentre camminavo per il mio appartamento, il pavimento, a mia insaputa, si piegava leggermente, ma abbastanza per cambiare il percorso della luce, il che risultava in un’immagine sbiadita o in un’immagine completamente nera. Pertanto, stai fermo durante le riprese. Usa il tuo seminterrato se puoi. Eventuali vibrazioni provocheranno sbalzi nel sistema, perciò evita i tappeti.

Allineamento della fotocamera. Far allineare la fotocamera può essere complicato. Dovrai lavorare nell’oscurità. Per trovare il punto di proiezione è possibile utilizzare una torcia per illuminare lo specchio e spostarlo avanti e indietro fino a ottenere un’immagine chiara. Qui è dove dovresti installare la fotocamera. Ora puoi spostare la fotocamera in posizione e regolarla fino a quando non focalizzi la fonte di luce del punto proprio al centro dell’obiettivo della stessa. Può aiutare il mettere un po’ di carta sopra l’obiettivo per trovare il punto di focalizzazione della luce.

Ripresa di una combustione realizzata con un sistema Schliener.

Acquisizione dell’immagine. Ora puoi guardare attraverso il mirino e puntare la fotocamera proprio al centro dello specchio. Questa sarà la parte più difficile, è necessario spostare la telecamera avanti e indietro e su e giù a poco a poco fino a quando l’intero specchio è illuminato uniformemente. Ciò richiede molta pratica per averne un’idea. Una volta trovato il punto perfetto, trova un modo per supportare la tua fotocamera in quella posizione. Un treppiede non era un’opzione nella mia configurazione, quindi ho usato solo dei notebook e degli spessori trovati in giro.

Acquisizione Schlieren. Ora sposta la lama del rasoio per poter intercettare esattamente il punto focale. Se hai un modo per visualizzare contemporaneamente l’output dalla tua fotocamera, ciò renderà più semplice questo processo. Vuoi posizionare il rasoio all’incirca a metà del tuo punto focale e saprai di averlo fatto bene quando vedrai le imperfezioni nella forma del tuo specchio. Ad esempio, puoi vedere uno schema concentrico di lucidatura imperfetta.

L’astigmatismo non è nostro amico. Per ridurre l’astigmatismo, assicurati che la tua fonte puntiforme sia vicina al punto focale. Più vicina è, meglio è. Maggiore è questa distanza, maggiore è la differenza di angolo tra i raggi orizzontali che colpiscono il tuo specchio e maggiore sarà l’astigmatismo. L’astigmatismo si traduce in una messa a fuoco soft, il che non va bene per una configurazione Schlieren.

Cosa succede quando spegniamo un fiammifero con un soffio.

Divertiti a esaminare vari soggetti

Questa è la parte migliore. Guarda cosa puoi visualizzare con la tua configurazione! Le candele sono un buon punto di riferimento, poiché dovrebbero produrre pennacchi a contrasto molto elevato. Altre cose che è possibile provare nel proprio studio o laboratorio casalingo includono:

  • Gas propano
  • Ghiaccio secco
  • Fornelli da campo (illuminati)
  • Espirazione / inalazione
  • Climatizzatori
  • Vuoto
  • Vapore isopropilico dalla bottiglia (questo è divertente)
  • Puzzette (gas dallo stomaco)
  • Acqua bollente in un bollitore
  • CO2 da reazione aceto / bicarbonato di sodio
  • Biscotti appena sfornati
  • Calore corporeo

Immagine dei fluidi emessi da un soggetto con o senza mascherina realizzata grazie a un sistema Schlieren. Essa è tratta da uno straordinario video visualizzabile qui.

È possibile provare anche molte altre cose. Non tutto è però possibile con questa configurazione non sofisticata. Se hai una macchina fotografica ad alta velocità, avrai ancora più possibilità, come ad es. l’imaging Schlieren, che permette la visualizzazione del campo di pressione prodotto dai trasduttori ad ultrasuoni, generalmente nei media che imitano l’acqua o i tessuti. Il metodo fornisce un’immagine di proiezione bidimensionale (2D) del raggio acustico in tempo reale (tramite un “live video”).

Le proprietà uniche del metodo di imaging Schlieren consentono lo studio di caratteristiche specifiche del campo acustico (ad es. punto focale nei trasduttori), rilevamento di irregolarità del profilo del fascio acustico (ad es. a causa di difetti nel trasduttore) e identificazione di fenomeni dipendenti dal tempo (ad esempio nei trasduttori di array in fase). Alcuni ricercatori affermano che l’imaging di Schlieren equivale a una vera e propria “radiografia a raggi X” del campo acustico.

Imaging Schlieren di un trasduttore ultrasonico.

La configurazione ottica di un sistema di imaging Schlieren può comprendere le seguenti sezioni principali: raggio parallelo, elemento di messa a fuoco, stop (spigolo vivo) e una telecamera. Il raggio parallelo può essere ottenuto da una sorgente luminosa a punta (viene talvolta utilizzato un laser focalizzato in un foro stenopeico) posizionato nel punto focale di un elemento ottico collimante (lente o specchio).

L’elemento di messa a fuoco può essere un obiettivo o uno specchio. L’arresto ottico può essere realizzato da una lama di rasoio collocato orizzontalmente o verticalmente nel punto focale dell’elemento di messa a fuoco, posizionato con cura per bloccare l’immagine del punto luminoso sul suo bordo. La telecamera è posizionata dietro l’arresto ottico e può essere dotata di un obiettivo adatto.

Setup del sistema di imaging Schlieren: configurazione basata su obiettivi lineari.