Mit Hilfe der Schlierenphotographie kann man Wärmeströmungen eindrucksvoll sichtbar machen. Man benötigt hierfür nur
- den Hauptspiegel eines Teleskops
- eine punktförmige Lichtquelle in Form einer präparierten LED
- eine Rasierklinge oder eine Bastelmesserklinge
- eine Digitalkamera
Zum Aufbau:
Im Abstand der doppelten Brennweite des Hauptspiegels (also 2·f) befindet sich die punktförmige Lichtquelle. Diese bastelt man sich mittels einer weißen 5 mm LED, indem man deren konvexen Plastikkopf mit einer Zange abknipst und dann diese mittels Schleifpapier weiter bis knapp oberhalb des Emitters abschleift. Um die LED wickelt man dann ein wenig Alufolie, wobei genau über dem Emitter mit einer Nadel ein kleines Loch gestoßen wird. Durch dieses dringt dann das Licht der LED und sorgt für eine nahezu punktförmige Lichtquelle.
Ich konnte sehr günstig ein Newton-Teleskop gebraucht kaufen. Dessen Hauptspiegel hat einen Durchmesser von 76 mm und eine Brennweite von f = 700 mm.
Hier der ausgebaute Hauptspiegel, für den ich dann mittels Druckfedern eine verstellbare Holzmontierung gebastelt habe.
Wie funktioniert nun die Schlierenphotographie? Hier nochmals die Skizze des Aufbaus:
Durch die punktförmige Lichtquelle trifft an jeder Stelle des Hauptspiegels Licht nur aus einer einzigen Richtung auf. Dadurch wird an jeder Stelle des Hauptspiegels Licht auch nur in eine einzige Richtung reflektiert und gelangt dann auf den CCD-Chip der Digitalkamera. Diese ist auf den Hohlspiegel fokusiert. Alle reflektierten Lichtstrahlen bündeln sich im Brennpunkt, welcher sehr knapp neben der Rasierklinge befindet. Unter normalen Umständen ohne Wärmequelle können also sämtliche vom Spiegel kommenden Lichtstrahlen die Rasierklinge passieren und treffen an verschiedenen Stellen auf den Kamerachip.
Befindet sich nun aber eine Wärmequelle knapp vor dem Hauptspiegel, so besitzt die erwärmte Luft leicht unterschiedliche Brechungsindexe n. Infolgedessen wird das Licht an diesen Bereichen mit höherem bzw. niedrigerem Brechungsindex (die sog. Schlieren) gebrochen. Die Konsequenz ist, dass diese Lichtstrahlen nun nicht mehr ihren gewohnten Weg zum Kamerachip gehen, sondern z.B. auf die Rasierklinge treffen. Dadurch gelangt also kein Licht mehr von einer Stelle des Hauptspiegels auf den Kamerachip und das Bild des Hauptspiegels besitzt an dieser „Stelle“ einen dunklen „Punkt“.
Auf diese Weise werden geringste Brechzahlunterschiede in der Luft „abgebildet“ und die Schlieren werden in der Aufnahme sichtbar.
So, ich konnte heute den Versuchsaufbau erstmalig testen und…
…es hat alles bestens funktioniert. Es war sogar um einiges einfacher als gedacht. Das Bild der LED war entgegen meiner Erwartung recht einfach zu finden, indem ich einmal ein Blatt Papier in den Bereich der Bildweite als Abbildungsschirm gebracht habe.
Als erstes Testobjekt musste mein Highend-Lötkolben herhalten:
Und hier die Ergebnisse…
Es gibt noch eine weitere einfache Methode zur Sichtbarmachung von Wärmeströmungen/Schlieren und zwar mittels Moiré-Effekt. Der Moiré-Effekt (von französich moiré: „moiriert, marmoriert“) ist ein optischer Effekt, bei dem durch Überlagerung von regelmäßigen Rastern ein wiederum periodisches Raster entsteht, das spezielle Strukturen aufweist, die in keinem der Einzel-Muster vorhanden sind und bei Veränderung der Überlagerungsweise variieren. Den Effekt kennt man u.a. vom Fernsehen, wenn etwa ein Karomuster auf Gewand gefilmt wird. Dann entsteht ein „komisches“ Streifenmuster.
Für dieses Experiment benötigt man lediglich ein feines auf Papier ausgedrucktes Gitter, eine Kamera mit Zoomobjektiv, eine Wärmequelle (z.B. Lötkolben oder Kerze) und eine Bildbearbeitungssoftware (z.B. Gimp).
Hier das von mir erstellte Gitter mit einer Gitterkonstante von 1 mm und einer Strichdicke von 0.5 mm:
Man fotografiert das Gitter einmal mit und dann ohne Wärmequelle. Dabei dürfen sich die Position der Kamera und die Einstellungen des Objektivs ja nicht ändern!
Mit der Bildsoftware Gimp habe ich dann beide Bilder in jeweils eine Ebene geladen und dann diese beiden Ebenen voneinander abgezogen/subtrahiert. Hat man alles richtig gemacht, müssten jetzt die Wärmeschlieren sichtbar werden:
Eine Kerze eignet sich auch gut für dieses Experiment:
Zum Abschluss noch das Youtube-Video:
