Увидеть невидимое
Как фотографируют ударные волны
«Видимость зависит от того, как видимое тело реагирует на свет. Давайте уж я начну с азов, тогда вы лучше поймете дальнейшее. Вы прекрасно знаете, что тела либо поглощают свет, либо отражают, либо преломляют его, или, может быть, все вместе. Если тело не отражает, не преломляет и не поглощает свет, оно не может быть видимо само по себе. Так, например, вы видите непрозрачный красный ящик только потому, что он поглощает некоторую долю света и отражает остальное, а именно, все красные лучи. Если бы ящик не поглощал некоторой доли света, а отражал бы его весь, он был бы блестящим, белым. Вспомните серебро!» – писал Герберт Уэллс в 1897 году в своем романе «Человек-невидимка».
Пули оставляют следы. Серия фотографий, сделанная группой Сеттлза, во всех подробностях показывает процессы, сопровождающие выстрел из огнестрельного оружия. На снимках видны пороховые газы, вылетающие из ствола, звуковые и ударные волны
Способы рассмотреть «почти прозрачные» объекты существуют уже более ста лет
Но для теневого метода и метода Тёплера обычно требовались параллельные пучки света. Использование световозвращающих экранов позволило обойти это ограничение. Шлирен-метод позволяет визуализировать, например, конвекционные потоки. Но особенно эффектны фотографии ударных волн
Шлирен-фотография, разумеется, не только эстетична, но и чрезвычайно полезна во многих областях науки и техники. С ее помощью специалисты начинают лучше понимать, какие процессы происходят в газах или других прозрачных средах
Космический шаттл: сверхзвуковая аэродинамика. Продувка модели космического челнока в трубе показывает разработчикам зоны образования ударных волн
Воздушный шар: прочность материалов. Мы не знаем, для чего нужен снимок лопающегося воздушного шарика. Но, согласитесь, красиво!
Пескоструйный аппарат: абразивная чистка. Снимок показывает поведение струи аэрозольного абразива при промышленной чистке поверхностей
«…Ящик из очень тонкого обыкновенного стекла было бы очень трудно различить при плохом освещении, потому что он не поглощает почти никаких лучей и отражает и преломляет совсем мало света. Если вы положите кусок обыкновенного стекла в воду или, еще лучше, в какую-нибудь жидкость, более плотную, чем вода, то вы стекла почти совсем не увидите, потому что свет, переходя из воды в стекло, преломляется и отражается очень слабо. Стекло в таком случае столь же невидимо, как струи углекислоты или водорода в воздухе. И по той же причине».
Свет и тени
Между тем Уэллс ошибался – когда он писал свой роман, уже существовали достаточно совершенные методы визуализации неоднородностей плотности в газах. Простейший из таких методов – это освещение изучаемого объекта параллельным пучком света. Достаточно лишь небольшой разницы в показателе преломления – вспомните, как искажаются предметы при взгляде вдаль над раскаленным шоссе летом или какую тень отбрасывает горящая свеча или газовая горелка. Этот так называемый «теневой метод» дает возможность увидеть области, где изменяется вторая производная плотности (типичные примеры таких областей – границы газовых струй и ударные волны).
Световой нож
В 1857 году французский физик Леон Фуко предложил контролировать точность изготовления зеркал для телескопов очень простым способом. В фокусе проверяемого зеркала он поставил одну дополнительную деталь – непрозрачный экран с острой кромкой, позднее названный ножом Фуко. Изображение источника (точечного или щелевого) фокусируется на самом краю ножа. Если поверхность зеркала строго сферическая, нож перекрывает весь световой пучок, а если на поверхности есть дефекты, часть света будет отклоняться и пройдет мимо кромки ножа.
В 1864 году этот метод усовершенствовал немецкий физик Август Тёплер. Он предложил использовать схему с ножом Фуко для изучения включений в прозрачные среды, например, при отбраковке линз. Тёплер назвал этот способ шлирен-методом, от немецкого слова Schlieren, означающего неоднородности (включения) в стекле.
Шлирен-метод позволяет получать более контрастное изображение: часть светового пучка, не испытывающая искажений, отсекается ножом Фуко, минимизируя «паразитную засветку». Метод Тёплера дает возможность видеть не вторую производную, а первую, то есть градиенты (плавные изменения, а при использовании фотометрии и эталона освещенности вычислять абсолютные значения плотности.
Размер имеет значение
Шлирен-метод или его вариации широко используют для визуализации неоднородностей на протяжении уже более ста лет. Он помог зафиксировать множество интереснейших газодинамических явлений. В XX веке этот метод стал неотъемлемым атрибутом почти любых аэродинамических исследований, и ученые понуро мирились с его недостатками, главным из которых было ограничение по масштабу. Исследуемый объем не мог выходить за пределы пространства, где организован параллельный световой пучок. Пучок фокусировался линзами или зеркалами, а размер этих оптических элементов строго ограничивался финансовыми соображениями. Чем больше диаметр линзы или зеркала, тем выше цена, и даже метровый масштаб предполагал большие затраты. Поэтому все шлирен-исследования в аэродинамических трубах проводились с крошечными масштабными моделями самолетов и ракет.
Крупный масштаб
В конце 1950-х один из пионеров высокоскоростной съемки Гарольд Эджертон предложил при теневой съемке использовать в качестве элемента, фокусирующего световой пучок, световозвращающий экран. На микроскопическом уровне такой экран состоит из маленьких элементов (катафотов), отражающих свет в точности в том же направлении, откуда он пришел. Световозвращающие пленки широко используются в быту и промышленности – достаточно вспомнить дорожные указатели, автомобильные номерные знаки и даже вставки в одежде и обуви. Используя обычный теневой метод, Эджертон впервые получил изображение взрыва динамитного капсюля с использованием экрана размером 1х2 м.
Однако прошло более 30 лет, прежде чем световозвращающий экран впервые появился в шлирен-фотографии. Как говорит Леонард М. Вайнштейн, физик из Исследовательского центра NASA им. Лэнгли, идея буквально витала в воздухе, но никто не решился реализовать ее на практике. Вайнштейн ввел в традиционную шлирен-схему еще одно изменение – он нанес на световозвращающее полотно вертикальные черные полосы, превратив его (при освещении расходящимся пучком) в виртуальный набор щелевых источников. Вместо ножа Фуко в соответствующем месте схемы исследователь расположил негативный растр – решетку чередующихся прозрачных и непрозрачных полос, отсекающих неискаженный «лишний свет».
В результате были получены полномасштабные изображения невидимых ранее явлений – ударных волн от взрывов, конвекционных потоков от промышленного оборудования и людей. «Опытные специалисты в аэродинамике знают, что подобная визуализация позволяет исследователям лучше понимать физические процессы, происходящие в газовых потоках», – говорит Вайнштейн. Его слова подтверждает Гари Сеттлз, профессор механики в университете штата Пенсильвания, основатель и директор лаборатории газодинамики: «Наглядность бывает весьма полезна для объяснения сложных путей распространения и разрушительного воздействия ударных волн, например, при авиационных катастрофах – как прошлых, так и будущих».
Взрывы и выстрелы
В конце 1990-х Гари Сеттлз и его коллеги построили в старом складском здании на окраине университетского городка самый крупный в мире лабораторный аппарат для шлирен-съемки. Висящая на стене световозвращающая растровая панель размерами 5х5 м отражает пучки ламп-вспышек. В гулком ангаре непрерывно грохочут капсюли, пиропатроны, динамитные шашки. На компьютерных мониторах возникают все новые яркие картинки, но никто не обращает внимания на живописные языки пламени и разлетающиеся осколки – всех здесь интересуют в основном едва заметные рисунки ударных волн.
Размеры этой установки дали ученым и инженерам беспрецедентные возможности. В 2003 году был опубликован отчет об экспериментальном изучении ударных волн, возникающих при взрыве бомбы в салоне или багажном отделении авиалайнера, произведенном по заказу Федеральной авиационной администрации (макет части пассажирского салона был выполнен в натуральную величину, а багажное отделение – в 60-процентном масштабе). «Возможно, – говорит Сеттлз, – результаты наших исследований помогут конструировать самолеты, более эффективно противостоящие диверсиям».
Установка Пенсильванского университета также пролила свет на выстрелы из огнестрельного оружия, позволив разглядеть картинку в деталях: ударную волну от пули не только в непосредственной близости от дульного среза, но и на гораздо большем расстоянии и даже вылетающие из ствола пороховые газы. На фотографиях видно, как ударные волны и облака пороховых газов взаимодействуют с соседними объектами, в том числе и с самим стрелком. Эта информация, говорит Сеттлз, когда-нибудь поможет криминалистам устанавливать более достоверные связи между типом оружия, расстоянием, с которого сделан выстрел, и, скажем, остатками пороховой сажи на жертве и подозреваемом.
От взрывов до чихов
В планах группы Сеттлза – еще больший масштаб. Ученые с нетерпением ждут момента, когда им дадут возможность разнести в клочья целый Boeing 747. Время от времени инженеры, занятые защитой самолетов от терроризма, получают в свое распоряжение списанный авиалайнер и взрывают его в экспериментальных целях – чтобы дать практическую оценку тех или иных приспособлений для защиты от бомб на коммерческих лайнерах.
Самолет подобного размера не поместится в университетскую исследовательскую установку, поэтому для будущей съемки ученые разработали портативный вариант. Самый большой элемент установки, отражательный экран, при перевозке просто сворачивают в рулон. Конструкция уже испытана – в прошлом году университетская исследовательская группа посетила лаборатории армии США в Абердине, штат Мэриленд, где были отсняты взрывы в багажном отсеке самолета. Пользуясь армейской защитой для своего оборудования и для самих себя, экспериментаторы сделали серию фотографий, на которых видно воздействие взрыва на багажные контейнеры.
120 лет назад весь мир облетели первые, не очень-то разборчивые шлирен-фотографии горящих свечей и летящих пуль. Все возвращается на круги своя – сейчас благодаря стараниям Сеттлза популярные научные и ненаучные журналы снова пестрят яркими, красивыми фотографиями воздушных фантасмагорий, которые возникают вокруг взрывающихся бомб, летающих самолетов и даже просто чихающих людей.
