Визуализация и наблюдение неокрашенных потоков и струй газа и жидкости
ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ ГОРОДА МОСКВЫ
Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение
города Москвы «Лицей № 000» (ГБОУ Лицей № 000)
Открытая Межрайонная конференция проектных и исследовательских работ
Номинация - конкурс «В науку шаг за шагом»
Вид работы исследовательский проект
Направление: научно-технологическое
Тема: «Визуализация и наблюдение неокрашенных потоков и струй газа и жидкости»
Авторы: 8 «Д» класс
8 «Д» класс
Руководитель работы: старший научный сотрудник Института Общей Физики
им. Российской Академии Наук
Москва 2017
Невидимое — недоступное зрению, скрытое от глаз, незамечаемое.
Визуализация (visualisation, от лат. visualis - зрительный) — представление физического процесса или явления в форме, удобной для зрительного восприятия.
1. Наблюдать — рассматривать, внимательно следить, замечать.
2. Наблюдать — воспринимать, замечать какие либо свойства, особенности, встречаясь с каким либо явлением или человеком.
3. Наблюдать — исследовать, изучать.
1. Потоком называют быстро текущую реку или ручей.
2. Потоком называют движущуюся в каком-либо направлении массу чего-либо.
3. Поток — пространство, заполненное частицами энергии, газа, жидкости, которые движутся в определённом направлении.
4. Поток— медленное движение жидкости или пластичных горных пород, сопровождающееся непрерывным изменением формы движущейся массы, например, течение магмы, водного потока, ограниченного берегами, горных пород под большим давлением, льда в ледниках…
1. Струя— форма течения жидкости, при которой жидкость (газ) течёт в среде (газе, жидкости, плазме) с отличающимися от С. параметрами (скоростью, температурой, плотностью и т. п.).
2. Струя — узкий поток какой-нибудь жидкости, воды.
3. Струя — поток чего либо в одном направлении, имеющий чёткую границу.
4. Струя — жидкость в движении, ток, теченье.
Словари и энциклопедии на Академике: dic. academic. ru
1. Тень - Место, защищенное от попадания прямых солнечных лучей.
2. Тень - Темное отражение на чем-нибудь от предмета, освещенного с противоположной стороны.
3. Тень - Неотчетливое очертание фигуры, силуэт (во 2 знач.).
Словарь Ожегова (толковый словарь русского языка)
Оглавление
Введение. Основная часть (План работы).2.1. Глава 1. Создание экспериментальной установки для визуализации потоков.
Ознакомление с методами визуализации, с основами геометрической оптики, знакомство с лазерными и светодиодными источниками света. Разработка оптической схемы эксперимента, выбор элементной базы и способов регистрации. Выводы к главе 1. Глава 2. Подготовка и проведение экспериментов. Эксперименты в воздухе. Эксперименты в жидкостях. Выводы к главе 2. Заключение. Библиографический список, список интернетресурсовВведение
В мире огромное количество невидимых «вещей», которые люди научились наблюдать. С помощью скоростных камер у нас появилась возможность «растягивать» во времени быстрые процессы, тепловизионные камеры позволили взглянуть на мир тепла и холода, микроскопы дали возможность проникнуть в самую глубь вещей… И только воздух, дуновение ветра оставались абсолютно невидимыми человеческому глазу. Или это не так?
Наверное, каждый видел в жаркий день, как над раскаленной землей подрагивает изображение удалённых предметов, и догадывался, что это струится горячий воздух. Или в походе, вечером у костра, глядя над языками пламени на лица товарищей напротив, вы замечали, как чуть таинственно и почти неуловимо меняются знакомые черты их лиц. Из учебников физики мы узнаём, что свет, проходя через неоднородные слои холодного и нагретого воздуха преломляется в них, и в результате мы видим искажение изображения - легкую рябь. А можно ли наблюдать не искажения изображения различных предметов, а напрямую – саму причину этих искажений, неоднородность в воздухе или другой прозрачной среде (например, воде)?
Для начала нужно понять: как мы видим, и что мешает нам увидеть воздух? Свет приходит в наш глаз отраженным или преломленным от разных предметов. Он
|
Рис.1. Строение глаза [1]. |
проникает в глаз через мощнейшую линзу, которая фокусирует все световые лучи - роговицу. «Пройдя» сквозь роговицу, свет доходит до светонепроницаемой диафрагмы глаза – радужки. Находящееся в центре радужки отверстие - зрачок позволяет лучу проникнуть дальше, внутрь глаза. Именно благодаря зрачку наш глаз может быстро адаптироваться к различным степеням освещенности окружающего пространства путем сужения или расширения. Миновав зрачок, свет проходит через хрусталик. Это прозрачное тело, расположенное внутри глаза, преломляет свет и помогает глазу фокусировать изображение. Световые лучи, правильным образом «настроенные» оптической системой глаза, попадают на сетчатку глаза. Она представляет собой подобие экрана, на который проецируется изображение окружающего нас мира. И, наконец, настает черед зрительного нерва. Светочувствительные нервные клетки сетчатки, собрав информацию, превращают ее в целый ряд электрических импульсов, которые и передают информацию в мозг по зрительному нерву. В результате всех этих процессов мы с вами видим окружающий мир [1].
Непрозрачные предметы только отражают и рассеивают свет; именно этот свет, отражённый и рассеянный, позволяет видеть их: они становятся как бы источниками света. Воздух, вода и другие прозрачные среды «невидимы», потому что свет они не отражают, а пропускают через себя. Свет, проходя через прозрачную среду, немножко замедляется, причём в разных средах – по-разному. Это замедление скорости характеризуется показателем преломления n; оптически прозрачные среды могут различаться «на глаз», если у них разные n – на границе раздела свет частично отразится, а частично - пройдёт внутрь второй среды, преломившись, т. е. изменив направление своего распространения. И наоборот, даже очень разные среды (например, жидкость и твёрдое тело) оптически будут неразличимы, если у них одинаковые n - известно выражение «бриллиант чистой воды»: бриллиант, опущенный в стакан с чистой водой, становится невидим, «исчезает».
Благодаря тому, что у струй и потоков прозрачных сред могут быть разные оптические плотности (разные n), появляется шанс «увидеть невидимое». Для этого нужно сделать оптическую неоднородность среды источником света, убрать при этом «лишний» свет, т. е. свет, идущий от других источников, а дальше наш глаз (или фотоаппарат, или другой оптический прибор) всё увидит… Как это сделать? Об этом мы расскажем в основной части нашей работы.
Впервые «увидеть невидимое» сумел французский физик Леон Фуко в середине XIX века [2]. Тогда он предложил конструкцию аппарата для контроля точности изготовления линз и зеркал. В фокусе зеркала он поставил непрозрачный экран с острым краем (нож Фуко). Свет фокусировался на кончике ножа, и если на поверхности зеркала (линзы) были дефекты, то отражаемый от них свет откланялся и проходил мимо края ножа, высвечивая на экране за ножом светлое пятно. Затем этот способ был усовершенствован немецким физиком Августом Тёплером, и в результате появился прибор, который и получил эту редкую способность: «видеть» воздух.
Мы решили сделать такую же установку, как у Тёплера, немного её изменив. Поиск в Интернете [3] довольно быстро обнаружил ссылки на видеоролики в YouTube, где рассказывалось о методах теневой визуализации [4,5] и даже давались видеоинструкции по построению эксперимента [6]. Всё очень эффектно и, кажется, несложно. Однако, простота эта была кажущаяся. Когда дело доходит до «дела», выясняется, что «гладко было на бумаге, да забыли про овраги…» Теперь мы и сами можем разместить в YouTube видеоролик о том, как сделать «невидимое» «видимым», однако в 5 – 7 минут тут не уложишься. Про то, как мы приобретали свой собственный опыт, «наступали на грабли» и делали свои маленькие, но очень важные «открытия» мы кратко расскажем в основной части работы. Пока же, завершая «Введение», сформулируем, в соответствии с требованиями написания работы, цели и задачи, очертим область, объект и предмет исследования.
Итак,
Объектная область исследования — Физика, техника, химия, биология, медицина.
Объект исследования — Струи и потоки прозрачных неокрашенных или одноцветных жидких и газоообразных сред.
Предмет исследования —
- Качественная и количественная характеризация пространственной и временной структуры потока - Газы Контроль: ламинарности потоков, качества смешения прозрачных неокрашенных (либо одноцветных) струй, скорости и однородности растворения; определение скорости и наблюдение фронтов химических реакций по объёму жидких реагентов – Жидкости.
Тема исследования - Изучение применимости методов теневой визуализации для задач науки и техники, сформулированных ниже:
- наблюдение за тем, как смешиваются и растворяются неокрашенные жидкости; наблюдение за тем, как протекают во времени и пространстве химические реакции в неокрашенных жидкостях; регулирования скорости протока раствора органического красителя через кювету лазера на красителе для получения ламинарного потока. наблюдение за газовыми потоками, обтекание ими препятствий, как оно меняется в пространстве и времени. наблюдение за тем, как устроено пламя, как оно меняется в пространстве и времени.
Отсюда вытекают задачи нашего исследования, на решении которых мы сосредоточимся.
Задачи исследования:
- Создание экспериментальной установки для визуализации потоков Эксперименты в воздухе Эксперименты в жидкостях
2.1. Глава 1. Создание экспериментальной установки для визуализации потоков.
2.1.1. Ознакомление с методами визуализации, с основами геометрической оптики, знакомство с лазерными и светодиодными источниками света.
Ознакомление с методами визуализации. Метод обнаружения оптических неоднородностей в прозрачных преломляющих средах называется шлирен-методом или методом Тёплера. Его применяют для исследования распределения плотности воздушных потоков, образующихся при обтекании моделей в аэродинамических трубах, используют для проекции на экран изображений (получаемых в виде оптических неоднородностей) в пузырьковых камерах и т. п. [7].
В методе Тёплера пучок лучей от точечного источника света 1 (Рис.2а) линзой
|
|
|
Рис.2. Схемы метода Тёплера. (а) «классическая» [7], (b) наша модификация с параллельным пучком и линзами; (с) - наша модификация со сферическим зеркалом. |
или системой линз и зеркал (2—2') направляется через исследуемый объект (3) и фокусируется на непрозрачной преграде (5) с острой кромкой (на ноже Фуко), так что изображение источника проектируется на самом краю преграды. Если в исследуемом объекте нет оптических неоднородностей, то все идущие от него лучи задерживаются преградой. При наличии оптической неоднородности (4) лучи будут рассеиваться ею и часть их, отклонившись, пройдёт мимо преграды. Поставив за ней проекционный объектив (6) или окуляр, можно на экране (7) получить изображение неоднородностей (8) или наблюдать их визуально. Получение более грубой (теневой) картины зон резкого изменения оптических плотностей объекта возможно без перекрытия лучей ножом Фуко. Мы модифицировали «классическую» схему Тёплера двумя способами. В первом способе (Ри.2b) мы поместили объект в параллельный пучок света, а линзу 2’ разместили на расстоянии 2f (f – фокусное расстояние) от объекта. Нож поместили на расстоянии f от линзы, а экран – на расстоянии 2f от линзы. Тогда эта линза и фокусирует параллельные лучи на кончик ножа, и она же строит изображение объекта на экране (перевёрнутое, в натуральную величину). Для получения параллельного пучка мы использовали зелёную лазерную «указку» (дальше - лазер) и линзовый телескоп. Для телескопа мы взяли две линзы: короткофокусную и длиннофокусную. Для подбора линз мы использовали имеющийся у нас офтальмологический очковый набор, а потом заменили их на линзы большего диаметра с такими же фокусными расстояниями. В результате мы получили параллельный пучок света диаметром примерно 7 см. В этом случае наша схема выглядела почти так же, как у Теплера. Линзу 2’ желательно брать длиннофокусную, и тогда установка становится очень «длинной». Поэтому наша схема была усовершенствована. Во втором способе мы использовали не параллельный пучок света, а сильно расходящийся от «точечного» источника. Вместо линз мы взяли сферическое зеркало (Ри.2c). Сферическое зеркало с фокусным расстоянием f работает как линза с таким же фокусным расстоянием, при этом ещё и отражает свет. Зеркало помещается на расстоянии 2f от точечного источника света и на таком же расстоянии от поверхности зеркала локализуется изображение точечного источника. Сюда мы и помещаем нож.
Сделав так, мы делаем наш объект как бы «светящимся»: свет, идущий не от него, закрывается ножом, и проходит на экран только свет, идущий от объекта и огибающий нож. Невидимое становится видимым. Правда, для того, чтобы увидеть «невидимое», нам надо ещё поместить экран на «правильное» место. Ведь зеркало построит изображение объекта в определённом месте, зависящем от того, где по отношению к зеркалу мы поместили наш объект. Мы научились рассчитывать положение изображения по правилам геометрической оптики.
Ознакомление основами геометрической оптики. Итак, на каком расстоянии от зеркала нужно поставить объект и экран, чтобы локализовать изображение? Из правил геометрической оптики следует, что:
- лучи, идущие параллельно оптической оси, собираются в фокусе; лучи, проходящие через центр линзы, не преломляются; лучи, проходящие через фокус, после линзы идут параллельно оптической оси.
Исходя из этих правил, мы можем построить изображение объекта (Рис.3).
|
Рис.3. К построению изображения В1В2 объекта А1А2. |
Размер объекта 
. ДOCf ∞ ДB0B1f; следовательно, B0B1/ B0f=OC/Of; следовательно, B0B1= (B0f )∙L/f; обозначим: A0f=x, B0f=y; тогда:
Х – расстояние от объекта до линзы f; Y – расстояние от линзы f до изображения объекта; X=x+f, Y=y+f. Из подобия треугольников A0A1O и B0B1O: L/X=(L∙(y/f))/Y; следовательно, (y+f)/(x+f)=y/f; следовательно, f∙y+f2=x∙y+f∙y, откуда y=f2/x. Тогда размер изображения B1B2=2∙L(y/f)=2∙L((f2/x)/f)=2∙L(f/(X-f));
Y=f+(f2/(X-f))=f∙[1+(f/(X-f))]. Перейдём в безразмерные координаты (в единицах фокусного расстояния линзы f): XX≡X/f; YY=Y/f. Тогда размер изображения:
(1)
(2)
Введём коэффициент увеличения линзы f, равный отношению размера изображения к размеру исходного объекта:
(3)
Тогда расстояние до изображения от линзы будет
По формуле (2) мы можем рассчитать, на каком расстоянии от линзы будет локализовано изображение, зная фокусное расстояние линзы и расстояние до объекта. Это нужно для того, чтобы посчитать на каком расстоянии от зеркала нужно ставить наш объект и экран.
Знакомство с лазерными и светодиодными источниками света. Мы использовали в качестве источников света полупроводниковые светодиоды или лазеры. Свет в них получается при прохождении света через p-n переход [8]. Этим устройствам очень важно правильно обеспечить источник питания, а именно, источник тока, который называется драйвер. Для различных лазеров и светодиодов нужны различные драйверы. Мы пробовали подавать на светодиоды разные токи – специально, чтобы посмотреть, что будет, если ток не соответствует номиналу. Результат такой: при меньших токах диод светится тускло, при больших – вспыхивает и перегорает. Наши светодиоды работали при токе 20 мА, а наш лазер – при токе 500 мА. Для теневых методов нужен или точечный источник света, или параллельный пучок света: иначе будет полутень или не будет тени вовсе.
Как мы делали точечный источник света. Мы взяли много разных светодиодов. Мы протестировали их, и выбрали несколько самых лучших (с ровным и ярким светом). Для создания точечного источника нам нужно было каким-то образом перекрыть почти весь свет от светодиода, оставив только небольшую дырочку. Для этого мы их посеребрили (специально попросили учёных из Академии Наук сделать это на их напылительной установке), предварительно нанеся им на кончик точку зубной пастой. После напыления серебра мы сковырнули нанесенную пасту, и получили полностью осеребренный светодиод с небольшой точкой без серебра на конце. Но тут появилась проблема: между ножками диода серебро образовало дополнительный электропроводный путь, из-за этого светодиод не горел. Мы удалили серебро в этом месте с помощью лимонной кислоты. После этого мы покрыли светодиоды краской (чтобы предохранить тонкий слой серебра), снова предварительно смазав кончик пастой, которую мы потом сняли. Диоды мы подключали к драйверу, потому что если их напрямую подключить к розетке, то они просто сгорят. Таким образом, мы получили точечный источник. Был и ещё второй вариант: в пучок лазера мы ставили короткофокусную (f =10 мм) линзу и фокальное пятно было очень маленького размера и сильно расходилось. Преимущество такого источника было в том, что мощность нашего лазера была в 10 раз больше мощностей светодиодов.
Разработка оптической схемы эксперимента, выбор элементной базы и способов регистрации.Как мы уже упоминали выше, мы реализовали 2 варианта схемы эксперимента (Рис. 2) и собрали два вида установок. В одной из них мы использовали лазер, с помощью которого мы сделали параллельный пучок света, и линзы. В другой – светодиоды, из которых мы сделали точечный источник, и сферическое зеркало. Подобрать подходящее зеркало оказалось не простой задачей. Сначала мы купили два обычных косметических зеркала с увеличением, но они очень искажали изображение точечного источника, так что нож было просто некуда ставить. Потом мы раздобыли огромное зеркало с установки из Института Общей физики – оно было лучше, но слишком огромное и тяжёлое (см. Рис.4 и Таблицу 1). Потом мы заказали в Китае 3 вогнутых зеркала (из которых только одно – для телескопа – было подходящим), и нашли хорошее во всех отношениях зеркало в Институте Химической Физики, которое нам любезно дали во временное пользование для проведения наших экспериментов. В результате наша установка выглядела так. Точечный источник находился на расстоянии 2F от cферического зеркала. Перед зеркалом мы поставили объект (мы брали за объект горячий воздух от свечи и фена, потом – кюветы с жидкостями). Рядом с точечным источником мы закрепили лезвие бритвы. Зеркало мы совсем немного повернули вбок таким образом, чтобы свет фокусировался на кончике лезвия. На нужном расстоянии от объекта мы поставили экран.
|
Рис.4. Зеркала, с которыми мы пробовали работать. |
Таблица 1.
Зеркало | Фокусное расстояние (см) | Диаметр (см) |
прямоугольное | 65 | 12х21 |
телескопное | 90 | 15 |
большое | 85 | 66 |
Китай | 9 | 10 |
Макияжное большое | 72 | 20 |
Макияжное маленькое | 96 | 15х11 |
Выводы к главе 1. На пути к реализации нашего проекта мы разобрались с методом теневой визуализации оптических неоднородностей прозрачных сред, ознакомились с основами геометрической оптики, разработали и сделали два варианта экспериментальной установки, подобрали линзы, зеркала, и источники света. Научились наблюдать и регистрировать на камеру оптические неоднородности в воздухе и жидкостях.
Глава 2. Подготовка и проведение экспериментов.
Эксперименты в воздухе.
После того, как мы собрали установку, мы стали проводить эксперименты. Мы пробовали посмотреть с нашей установкой на разные вещи: на горячий воздух от пламени свечи, от фена. Здесь мы приводим результаты, полученные в экспериментах с зелёным лазером в качестве точечного источника (лазер + короткофокусная линза); поэтому наши изображения видим в зелёном свете.
Когда мы посмотрели на горячий воздух от пламени свечи, вот что мы смогли увидеть (Рис. 5). Мы видим потоки горячего воздуха, поднимающиеся вверх (изображение перевернутое).
|
Рис.5. Эксперименты с пламенем. Видим пламя от спички на экране и – горячий воздух над ним – зелёный «язык» (перевёрнутое изображение). На врезке – изображение языка пламени свечи и горячего воздуха над свечой (свет погашен). |
А вот что мы увидели с феном (Рис.6). На рисунке в поток горячего воздуха внесена рука. Хорошо видно, как воздух отражается от неё.
|
Рис.6. Эксперименты с феном. На врезках изображения на экране: поток воздуха из сопла фена (верхний фрагмент) справа налево и отражение потока от ладони экспериментатора (справа зелёное свечение ярче – плотность воздуха выше перед ладонью) (свет погашен). |
Ещё мы попробовали наблюдать горячий воздух от строительного фена – там ладонь в поток уже не сунешь – сгорит! И разность плотностей комнатного воздуха и струи гораздо больше, изображение ярче.
Эксперименты в жидкостях.Дальше мы стали проводить эксперименты с жидкостями. Для этого мы использовали прямоугольную кювету с прямыми стенками. Потому что если бы мы взяли стакан или что-то еще с круглыми стенками, свет падал бы на них под разным углом и отражался бы в разные стороны, изменяя изображение. Мы пробовали смешивать прозрачные жидкости с разными плотностями (Рис. 7). В обычной жизни мы не видим, как они перемешиваются, т. к. они прозрачные. Но с нашим прибором мы смогли это увидеть (на фото мы смешали спирт с водой). Мы добавляли жидкость в кювету шприцом. Сначала мы добавляли воду и видели только как меняется уровень жидкости в кювете – самих струй воды мы не видели (Рис. 7, верхняя врезка). Но при добавлении спирта мы увидели яркие светлые сгустки спирта в воде, которые долго не растворялись – даже размешивание иглой
|
|
| |
Рис. 7. Эксперименты с жидкостями. Справа – изображения в зелёном свете кюветы на экране: верхний фрагмент – наливаем воду; нижний фрагмент – добавляем в воду спирт. |
шприца долго показывало нам неоднородность смеси. Набирая смесь в шприц и сильно выдавливая её обратно в кювету, мы добились того, что жидкость перестала реагировать на помешивания и впрыскивания из шприца. Тогда мы снова добавили чистой воды и … снова увидели неоднородные потоки, и понятно, почему: теперь вода уже отличалась по плотности от смеси жидкостей в кювете.
Выводы к главе 2.
Мы убедились в работоспособности наших установок и провели эксперименты с потоками воздуха и жидкостей. Мы увидели поток горячего воздуха над свечой и струю горячего воздуха из фена. Мы наблюдали как поток воздуха из фена обтекает ладонь, помещённую в поток.
Мы наблюдали перемешивание неокрашенных жидкостей на примере воды и спирта. Результаты позволяют надеяться, что наш прибор позволит наблюдать течение химических реакций в растворах. В целом, можно сделать вывод о том, что наш прибор может быть использован для демонстраций в школьных опытах по физике и химии.
Заключение
Мы заканчиваем 8-й класс, и скоро встанет вопрос: «Кем быть, на кого пойти учиться?» - прямо по 1. И ещё: «А вдруг мне не понравится выбранная профессия? А вдруг я не смогу?..» У нас появилась возможность познакомиться с профессией учёного. Как и всякая другая профессия, эта профессия включает в себя ремесло – набор знаний и навыков, необходимых для выполнения обычных, рутинных работ по профессии. Однако, в отличие от многих прочих профессий, профессия учёного включает в себя также и элементы творчества, а для творчества нужна способность к самостоятельному мышлению. Неплохо бы ещё и – талант, но уж это-то «от Бога», а вот всё прочее – тренируется и развивается. Мы решили «потренироваться» и «поразвиваться» под руководством действующего учёного - раз такой шанс нам представился. С научным руководителем – физиком мы начнём с физики. Что такое научная работа? Из чего складывается научное исследование? С чего начинается и чем заканчивается? Мы узнаем это на примере проекта «Визуализация и наблюдение неокрашенных потоков и струй газа и жидкости», пройдя все стадии работы – от постановки задачи, работы с литературой, ознакомления с теорией изучаемых явлений и методиками измерений, до создания экспериментальной установки, проведения измерений, обработки экспериментальных данных и представления полученных результатов в виде публикации (печатный отчёт, устная презентация - доклад).
Визуализация – не цель, а средство, с помощью которого мы попробуем на «зубок» профессию учёного. А кроме того, если научиться «видеть невидимое», можно найти много разных полезных применений такому «дару». Например, посмотреть, как смешиваются и растворяются неокрашенные жидкости, как протекают во времени и пространстве химические реакции в неокрашенных жидкостях. Или - посмотреть, как устроено пламя, как оно меняется в пространстве и времени. Главное, научиться видеть, а на что смотреть – вопрос интересный, но – второй…
Источники
http://www. optic-city. ru Теневые методы. М. 1968. Шлирен-метод. Материал из Википедии. https://ru. wikipedia. org/wiki/ Шлирен-метод https://www. /watch? v=Xz4Vp3mxbOM https://www. /watch? v=E4Gh2C8Pzos https://www. /watch? v=IZ0bYi9UFv8 Физическая энциклопедия п/р Википедия1 У меня растут года, будет и семнадцать. Где работать мне тогда, чем заниматься? Вл. Вл. Маяковский «КЕМ БЫТЬ?»
