Schlieren 이미징은 굴절 지수의 변형을 사용하여 공기 흐름을보고 사진을 찍는 기술입니다.
실제로 호흡을 볼 수 있으면 날씨가 매우 차가워 지지만 평범한 날에는 호흡이 주변의 나머지 공기만큼 보이지 않습니다. 사진에서 그 숨을 쉴 수있는 방법이있을 수 있습니까?
공기를 어떻게 찍을 수 있습니까? (사진 크레딧 :Tippapatt/Shutterstock)
기류처럼 보이지 않는 것을 어떻게보고 사진을 찍을 수 있습니까? 그것은 유체 흐름을 오랫동안 연구하는 과학자들의 관심을 유지해 온 것입니다. 다행히도, 방법은 실제로 정확히 그렇게하는 것으로 밝혀졌습니다.
Schlieren 이미징이란 무엇입니까?
Schlieren 이미징은 유체의 굴절률의 변형을 사용하여 인간의 눈에 보이지 않는 유체 흐름을 시각화하는 기술입니다.
이 기술은 공기 흐름 이미지를 캡처하는 데 널리 사용됩니다. 이제 우리는 공기가 흐르는 방식에 대한 사진을보고 사진을 캡처하거나 슬로우 모션으로 캡처 할 수 있습니다. Schlieren 이미징은 우리 몸에서 열이 올라가는 열을 포착하는 데 사용될 수 있습니다.
우리는 열이 Schlieren 이미징으로 손에서 상승하는 것을 볼 수 있습니다. (사진 크레딧 :Gary Settles/Wikimedia Commons)
Schlieren 이미징의 원칙
Schlieren 이미징의 작동 방식은 굴절률 개념을 통해 설명 될 수 있습니다. 통과하는 매체에 따라 빛의 속도가 변합니다. 다른 밀도의 매체 사이에서 움직일 때 빛이 굴절되거나 구부러집니다. 이 굽힘의 정도는 매체의 굴절률입니다. 진공에서의 광속 속도의 비율은 매체에서 빛의 속도에 대한 비율입니다.
굴절은 연필이 부분적으로 침수 될 때 구부러진 것처럼 보이는 이유입니다. (사진 크레딧 :10 억 사진/셔터 스톡)
우리는 일반적으로 공기의 굴절률이 약 1.0003이라고 말하지만이 값은 온도, 압력 및 공기 조성과 같은 요인에 따라 다릅니다. 예를 들어, 온수의 굴절률은 차가운 공기보다 적습니다. 이것이 우리가 더운 날에 미라지를 볼 수있는 이유입니다. 빛이 비질이 아닌 매체를 통과하면 굴절이 발생하여 다른 경로로 약간 구부러집니다.
매체에서 굴절률의 이러한 변화는 일반적으로 "Schlieren"이라고하며 Schlieren 이미징을 사용하면 그러한 변화를 볼 수 있습니다. 이 도구를 사용하면 주변의 공기와 물체의 상호 작용을 캡처하고 더 잘 이해할 수 있습니다.
Schlieren 이미징의 응용
Schlieren 이미징을 통해 우리는 숨을 내쉬면 숨을 볼 수 있습니다. 우리는 촛불 불꽃이 공기와 어떻게 상호 작용하는지 알 수 있습니다. 우리는 부탄이 더 가벼운 곳에서 쏟아지는 것을 볼 수 있으며, 우리가 그것을 발화 할 때 주변의 공기에 정확히 무슨 일이 일어나는지 볼 수 있습니다.
Schlieren 이미징을 사용하여 캡처했습니다. (사진 크레딧 :Wikimedia Commons)
그래서 우리는 공기를 잘 볼 수 있지만 어쨌든 우리는 왜 숨을 봐야합니까? 몇 가지 주요 응용 프로그램이 있지만 아래의 비디오를보고 특히 흥미로운 응용 프로그램을 볼 수 있습니다.
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Schlieren 이미징은 우리가 숨을 내쉬는 공기를 제어하는 데 마스크가 작동하는 방식을 포착하는 데 사용되므로 최근 몇 년 동안 세계를 움켜 쥐고있는 전염병의 확산을 제어하는 데 도움이됩니다.
숨을 쉬는 것은 시원해 보이지만 Schlieren 이미징의 주요 적용은 아닙니다. Schlieren 이미징은 과학자들이 공기 흐름을 더 잘 이해하도록 도와줍니다. 이 기술의 주요 응용 중 하나는 항공에 있습니다. 이 방법은 항공기가 어떻게 이동하는지 이해하는 데 매우 유익합니다.
초음속 흐름에서 생성 된 충격파의 영상을 포착하는 데 사용할 수 있습니다. NASA는 Schlieren 이미징을 사용하여 초음속 항공기에서 충격파를 포착했습니다. 이 데이터는 그러한 항공기의 미래 설계 개발에서 먼 길을 갈 것입니다.
NASA가 캡처 한 비행 중 2 개의 초음속 항공기에서 충격파의 상호 작용을 보여주는 Schlieren 이미지. (사진 크레디트 :Flickr)
Schlieren 이미징 설정
Schlieren 이미징의 가장 간단한 설정에는 빛, 거울 및 카메라 또는 화면이 있습니다.
Schlieren 이미징 설정. (사진 크레딧 :Ericabcat/Wikimedia Commons)
한쪽 끝에는 포인트 소스를 근사하는 좁은 빛의 원천이 있습니다. 빛이 퍼져서 공기 흐름을 관찰하려는 물체를 비추고 있습니다. 그런 다음 빛은 오목한 구형 또는 포물선 거울로 반영됩니다. 반사 광선은 카메라를 놓는 거울의 초점에 집중됩니다. 사진을 찍지 않고 이미지를 보려고한다면 대신보기 화면을 배치 할 수 있습니다.
얇은 날카로운 나이프 모서리가 카메라 앞에 놓여 반사 된 빛의 절반을 차단합니다. 가장자리는 굴절 된 빛의 일부를 방해하여 대조가 양호한 이미지를 초래합니다. 이 나이프 가장자리의 존재는 Schlieren 설정의 정의 기능으로 Shadowgraph 이미징이라는 유사한 기술과 구별됩니다.
또는 가장자리 대신 듀얼 톤 컬러 필터를 사용하여 색상 그라디언트의 이미지를 제공 할 수 있습니다.
불이 붙은 촛불에서 상승하는 가스의 색깔 된 schlieren 이미지. (사진 크레딧 :Settles1/Wikimedia Commons)
공기의 비 호질 (밀도 변화)은 빛의 일부가 굴절되고 일부는 그렇지 않다는 것을 의미합니다. 이것은 그림의 대비 차이로 해석되어 시각적입니다.
이 설정을 클래식 Schlieren 이미징이라고합니다. 두 개의 거울이있는 구성은 더 나은 해상도를 위해 사용할 수도 있습니다. 렌즈는 종종 거울 대신 사용됩니다.
설정은 너무 간단하여 집에서 직접 만들 수 있습니다! 방법을 보여주는 비디오가 있습니다!
Schlieren 이미징의 변형
Schlieren 이미징의 또 다른 설정을 Focusing Schlieren 시스템이라고합니다. 광원의 배열을 위해 빛의 원천을 거래합니다. 이미지는 컷오프 그리드의 도움으로 형성됩니다. 이 특성은 또한 이름 렌즈 앤 그리드 Schlieren 이미징을 제공합니다.
Schlieren 설정 초점. (사진 크레딧 :Tarchon/Wikimedia Commons)
배경 지향 Schlieren 이미징은 대규모 관찰에 사용되는 또 다른 변형입니다. 이들은 위에서 본 초음속 항공기의 NASA 테스트의 경우와 같이 물체 뒤에 거울을 정확하게 넣을 수없는 곳에서 편리합니다.
.Schlieren 이미징의 도움으로 이제 우리는 보이지 않는 것을 볼 수 있습니다. 과학자들은이 기술을 사용하여 유체 흐름을 더 잘 이해할 수 있으며, 우리는 그것을 사용하여 촛불 불꽃이 얼마나 시원하게 보이는지, 마스크가 치명적인 바이러스로부터 우리를 보호하는 방법을 더 잘 이해할 수 있습니다!
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