Strioscopia

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Compressione a Mach 1,2 osservata mediante Strioscopia.(ImmagineNASA)
Onde d'urto prodotte da un Northrop T-38 Talon durante il volo, 13 dicembre 1993 Wallops Island, Virginia. Spettacolare foto del Dott. Leonard Weinstein del Langley Research Center della NASA. Maggiori informazioni sul sito della NASA http://www1.dfrc.nasa.gov/Gallery/Photo/Schlieren/HTML/EC94-42528-1.html.
Un'immagine a colori del pennacchio termico di una fiamma di candela, deformato da una piccola corrente d'aria proveniente da destra. Fotografia by Gary S. Settles, Penn State University.

La strioscopia (o fotografia Schlieren, dal tedesco schliere trad. 'stria') è una metodica fotografica (e attualmente di videoripresa) che permette la visualizzazione delle turbolenze prodotte nell'aria o in altri fluidi quando questi vengono compressi dal passaggio di un solido (ad esempio un proiettile o un aeroplano). I fluidi compressi modificano la loro densità e quindi anche le proprietà ottiche (indice di rifrazione) ossia il modo in cui si lasciano attraversare dalla luce. Anche una fonte di calore determina delle modifiche della densità del fluido in cui si trova (ad esempio l'aria) ed è per questo motivo che la superficie di oggetti molto caldi come l'asfalto o la sabbia rovente sembra tremare o comunque provocare una deformazione visiva (miraggio).

Storia e utilizzi[modifica | modifica wikitesto]

La strioscopia fu inventata dal fisico tedesco August Toepler nel 1864 durante le sue ricerche sul regime supersonico. Viene utilizzata ampiamente in campo aeronautico anche se il suo ruolo sta diventando sempre meno importante per lo sviluppo di simulazioni di fluidodinamica al computer. È insostituibile nello studio di situazioni in cui le simulazioni al computer possono essere imprecise, ad esempio quando si studiano i movimenti dell'aria su radiatori o asfalto molto caldi.

La strioscopia viene usata nello studio degli scambi termici tra superfici e ambiente. Può fornire anche interessanti esperienze didattiche come ad esempio la visualizzazione dello zucchero che si scioglie in acqua.

Funzionamento[modifica | modifica wikitesto]

Il razionale della metodica consiste nel minimizzare in un'immagine, per mezzo di un filtro ottico opportuno, la luce che non è stata deviata dal fluido in movimento, ossia i raggi luminosi che arrivano all'osservatore con una componente continua ossia sempre allo stesso modo. Verranno invece catturati e messi in evidenza maggiormente i raggi deviati dal fluido che arriveranno alla fotocamera con una variazione di fase per il fenomeno della scintillazione. Le strie luminose oppure scure che appaiono nella foto corrispondono a zone di turbolenza del fluido stesso in cui la densità è rispettivamente minore o maggiore. In sostanza in questo procedimento si elimina di continuo l'immagine di sfondo generata dalla luce che, attraversando il fluido immobile, arriva all'osservazione sempre con le stesse caratteristiche e vengono evidenziati solo i raggi luminosi continuamente deviati dalla turbolenza e l'oggetto in movimento, che appaiono quindi distintamente nell'immagine fotografica.

Sistema ottico[modifica | modifica wikitesto]

Il sistema ottico di base consiste in almeno una lente ed un filtro spaziale posizionato nel piano focale della lente. Nel piano focale di un qualsiasi sistema ottico si ha la trasformata di Fourier spaziale dell'onda incidente la cui componente do ordine zero viene focalizzata nel punto focale, mentre le altre ad una distanza legata al loro corrispondente vettore d'onda, al vettore d'onda incidente ed alla focale stessa del sistema.

Il filtro spaziale blocca fisicamente parte della radiazione diffusa e l'immagine che ne deriva presenta striature chiare e scure in corrispondenza delle variazioni spaziali dell'indice di rifrazione.

Fondamenti matematici[modifica | modifica wikitesto]

Consideriamo un'onda collimata che si propaga lungo l'asse z ed una perturbazione dell'indice di rifrazione del mezzo nel piano ortogonale (x,y) tale da perturbare la fase dell'onda incidente di una quantità \tilde\phi(x,y).

Considerando per semplicità una perturbazione monocromatica lungo l'asse y

\tilde\phi(x,y)=\hat\phi_k\cos(k_yy+\alpha)

dove \alpha è la generica fase arbitraria.

il campo elettrico diffuso, nell'ipotesi di piccole variazioni di fase, può essere scritto come

E=E_0e^{\imath\hat\phi_k\cos(k_yy+\alpha)}=E_0+E_0\imath\frac{\hat\phi_k}{2}e^{\imath k_y y}+E_0\imath\frac{\hat\phi_k}{2}e^{-\imath k_y y}

dove E_0 è il campo elettrico incidente.

Immaginando d'utilizzare il filtro spaziale per bloccare, ad esempio, i vettori d'onda negativi si ottiene che l'intensità al piano immagine è data da

I\propto E_0^2[1-\hat\phi_k\sin(k_yy+\alpha)]

che è quindi lineare nella perturbazione ma sfasata di \pi/2 rispetto ad essa.

Limiti[modifica | modifica wikitesto]

Quando la sorgente luminosa è assai intensa, il filtro può nascondere piccole turbolenze che producono nei raggi luminosi deviati solo una piccola variazione di fase. Questo tipo di immagini sono sempre molto scure perché la maggior parte della luce catturata ha componente continua che viene opportunamente schermata dal filtro.

Schlieren sintetico[modifica | modifica wikitesto]

Il metodo Schlieren sintetico consiste nell'elaborare numericamente un'immagine data in modo da ricostruire, tramite opportuni algoritmi che riproducono l'effetto del filtro spaziale, la tecnica Schlieren classica.

Bibliografia[modifica | modifica wikitesto]

  • Settles, G. S., Schlieren and shadowgraph techniques: Visualizing phenomena in transparent media, Berlin:Springer-Verlag, 2001.
  • G.S. Settles, Schlieren and shadowgraph techniques, Springer, 2006.

Note[modifica | modifica wikitesto]


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