Fotografía de fluidos: Técnica Schlieren
Schlieren desarrolló, en el siglo XIX, una técnica fotográfica para localizar defectos en vidrios. Previamente, Rober Hooke (1635-1703) realizó experimentos tratando de visualizar el flujo de aire caliente generado por el humo de una vela.
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Actualmente, esta técnica se utiliza, entre otras cosas, como medio de visualización de ondas de choque en túneles de viento y gradientes térmicos en torno a los objetos. El gradiente térmico se define como la relación entre la diferencia de temperatura y la distancia entre dos puntos.
La fotografía de Schlieren permite fotografiar el flujo de fluidos con densidades variables. En la práctica, el término "Schlieren" se refiere a cualquier falta de homogeneidad óptica en un medio transparente. Las imágenes de Schlieren aprovechan esta anisotropía óptica (tendencia de algunos materiales a alterar el progreso de la luz a través de ellos de manera diferente dependiendo de cómo estén viajando los rayos) para producir una imagen.
Las imágenes de Schlieren se basan en la modificación del índice de refracción (la capacidad de "desviar" la luz) de un medio transparente (a menudo el aire) que cambia con la densidad (y por tanto, con la temperatura) para producir una imagen.
Las variaciones en el índice de refracción causadas por el gradiente de densidad del fluido en observación, distorsiona el haz de luz colimada.
Se denomina luz colimada a la luz cuyos rayos son paralelos entre sí, lo que se puede lograr de diferentes formas, siendo la más sencilla hacerla incidir en un espejo cóncavo desde una fuente situada en el foco. Se suele decir que la luz colimada está enfocada en el infinito.
Esta distorsión en los haces de la luz colimada, crea una variación espacial en la intensidad de la luz, que puede ser visualizado directamente como un gráfico de sombras.
Esquema del montaje de fotografía Schlieren:
En ambas imágenes aparece una cuchilla (de afeitado). El objetivo de esta es el bloqueo parcial de los rayos de luz, para conseguir una mejora del contraste del haz de luz incidente en la cámara, mejorando la percepción de gradientes menores. En la práctica, la cuchilla se posiciona de tal forma que el filo de esta sea perpendicular a la dirección de los gradientes de densidad del flujo, es decir, si los gradientes de densidad son en la dirección vertical el filo tiene que estar en posición horizontal. También se han realizado pruebas con filtros de colores graduales, aunque disminuye la sensibilidad del sistema.
High Speed Colour Schlieren - Match Strike from Gavan Mitchell on Vimeo.
Se han diseñado túneles de viento para el estudio del comportamiento de objetos a velocidades supersónicas. La potencia requerida para hacer funcionar un túnel de viento supersónico es enorme, del orden de 50 MW por metro cuadrado de área de sección transversal de la sección de prueba. Por esta razón, la mayoría de los túneles de viento funcionan de forma intermitente utiliza. Estos túneles se denominan túneles de viento supersónicos en corriente de aire y rara vez se utilizan porque están restringidos a números de Reynolds bajos (El número de Reynolds se trata de un número de carácter adimensional que establece la relación entre las fuerzas de tipo inercial y las viscosas de un fluido en constante movimiento. su valor permite clasificar el régimen de transporte de un fluido en laminar-turbulento).
Resumiendo: En la actualidad, esta técnica se utiliza con frecuencia para visualizar las ondas de choque en los túneles de viento y los gradientes de temperatura alrededor de los objetos.
Permite localizar inhomogeneidades ópticas en un medio transparente que no son necesariamente visibles para el ojo humano. La física de Schlieren se desarrolló a partir de la necesidad de producir lentes de alta calidad sin tales inhomogeneidades. Estas inhomogeneidades son diferencias localizadas en la longitud del camino óptico que provocan desviaciones de los rayos de luz, especialmente por refracción. Esta desviación de la luz puede producir un brillo, un oscurecimiento o incluso cambios de color localizados en una imagen, dependiendo de las direcciones en las que se desvíen los rayos.
Ismael Camarero
Para saber más:
Cómo obtener imágenes Schlieren en tu casa:
https://www.youtube.com/watch?v=ShsPZQST4Ks
Diseño de un sistema Schlieren (pdf):
https://hmong.es/wiki/Schlieren_photography
http://gasure.udea.edu.co/sites/default/files/T%C3%A9cnica%20Schlieren.pdf
Túnel de viento supersónico (pdf)
https://revistas.unc.edu.ar/index.php/FCEFyN/article/download/24380/27997/77257
Número de Reynolds:
https://www.aerodinamicaf1.com/2020/10/que-es-el-numero-de-reynolds/
Gradiente Térmico:
https://estudyando.com/gradiente-termico-definicion-y-calculo/
http://www.grupoalava.com/ingenieros/actualidad/fotografia-schlieren/
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