Schlierenkamera
Die Schlierenkamera ist ein Aufbau, mit dem Luftströmungen, Druckunterschiede und Temperaturunterschiede sichtbar gemacht werden können. Man kann sie als Schlieren auf einem (Bild-)Schirm beobachten. Der prinzipielle Aufbau wirkt nicht sonderlich kompliziert:
Das Licht einer Punktlichtquelle scheint auf einen sphärischen Spiegel. Dabei wird das Licht reflektiert und zu einem zweiten Brennpunkt gebündelt. Kurz nach dem zweiten Brennpunkt trifft der Lichtstrahl auf einen Kamerasensor. Das zu beobachtende Objekt, bzw. dessen Luftströmungen, müssen sich im reflektierten Lichtstrahl befinden.
Nun gibt es zwei Möglichkeiten für Lichtstrahlen. Zum einen können sie fast ungehindert die Luftströmung passieren und fallen auf den Kamerasensor, zum anderen können sie aber in der Luftströmung so stark gebrochen werden, dass sie den Sensor verfehlen! Als Folge erhält man ein Abbild der Luftströmung. Das sieht dann in etwa so aus:
Abbildung 1: (Linkes Bild) Durch die Körperwärme erwärmte Luft steigt als Konvektionsströmungen nach oben. (Rechtes Bild) Raketenmodell der SLS-70 ton-Rakete der NASA, dem Space Shuttle-Nachfolger, im Windkanal. Man erkennt sehr schon die Mach’schen Kegel (Überschallknall)
Um zu verstehen, warum zum Beispiel eine Kerzenflamme, eine heiße Tasse, ein Mensch, oder ein Föhn genutzt werden können, um diese schönen Bilder zu erzeugen, muss man das Brechungsgesetz kennen:
Snellius’sches Brechungsgesetz:
n1 sin(α) = n2 sin(β) Licht wird an Materialgrenzen mit unterschiedlichen Brechungsindizes zur Oberflächennormale (Einfallslot) hin gebrochen, wenn es in das Material mit dem höheren Brechungsindex eindringt.
Der Brechungsindex ist dabei definiert als die Lichtgeschwindigkeit durch die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes im Material (Phasengeschwindigkeit). Man kann zeigen, dass der Brechungsindex vom Druck, der Luftdichte und der Temperatur (und auch der Wellenlänge des Lichtes) abhängt:
somit hängt der Brechungsindex von Druck p , Temperatur T , Dichte ρ und Wellenlänge λ ab.(γ... kubischer Ausdehnungskoeffizient, κ…Kompressionsmodul)
Das führt jetzt dazu, dass ein Objekt in der Schlierenkamera „Lufttaschen “ mit verschiedenen Brechungsindizes erzeugt, an deren Grenzen das Licht gebrochen werden kann:
Der Versuch selber scheint einfach und dennoch spektakulär. Theoretisch bräuchte man auch nur ein paar Bauteile aus der Vorlesungssammlung und stellt diese auf eine optische Bank. Das wirkt so, als ob man nach drei Wochen den Aufbau fertig und funktionsfähig haben könnte.
Was für ein Irrtum. Wir haben mehr als 8 Monate gebraucht und vier Spiegel verschlissen: Der eine etwas klein, der andere hatte eine Brennweite, die länger als der Raum ist und die anderen beiden Spiegel waren nicht präzise genug gefertigt. Entweder sah man Dellen, oder die Frässpuren der Tiefziehform! Ideal wäre ein 10 Zoll Teleskopspiegel gewesen, der mit etwa 1400 Euro deutlich zu teuer wäre.
Außerdem erhält man nicht mehr einen scharfen Brennpunkt, wenn man mit dem Winkel zwischen ein- und ausfallendem Lichtstrahl auch nur etwas von der optischen Achse abweicht. Stattdessen erhält man zwei Schlitzförmige Brennpunkte auf der Kameraseite, die auch noch um 90° zueinander gedreht sind! Mittlerweile glaube ich den Theoretikern nicht mehr, dass Lichtstrahlen Geraden folgen.
Dann kommt noch hinzu, dass man ein eigenes Zoomobjektiv aufbauen muss (die letzten 3 Linsen vor der Kamera), um das Objekt halbwegs scharf abbilden zu können und um mehr als einen Daumennagel großen Ausschnitt vom Objekt zu sehen. Außerdem konnte man bei einer Halogenlampe als Lichtquelle die Glühwendel erkennen. Wenn dann noch jemand unvorsichtig ist und gegen den Spiegel stößt, kommt wieder Freude auf. Dann darf man letzteren wieder stundenlang ausrichten. Zum Glück haben wir uns jetzt ein Ausrichtungssystem mit Laserdioden gebastelt.
Aber seht selbst:
Zu sehen sind der Spiegel und eine Kerzenflamme zur Beobachtung. Außerdem sind die beiden Laserdioden zu erkennen.
Das sieht doch schon ganz anders aus, als in der Prinzip-Skizze.
Man beachte den professionell zusammengelöteten Vorwiderstand der roten LED.
Quellen:
Raketenbild: http://www.nasa.gov/exploration/systems/sls/multimedia/gallery/windtunnel1.html
Konvektion von Mann: http://www.meteo.psu.edu/~j2n/2_27_Schlier2Lee.jpg
Brechungsgesetz: Metzler Physik, J. Grehn, J. Krause, Westermann-Schroedel-Verlag, 4.Aufl., 2007, Braunschweig,
S. 326
Sicherlich sind so auch Schlieren zu erzeugen....................................................................
