Voir l'invisible: comment photographier les ondes de choc

Les balles laissent des marques. Une série de photographies prises par le groupe Settles, dans tous les détails, montre les processus qui accompagnent le tir d'une arme à feu. Les images montrent des gaz de poudre émanant du baril, des ondes sonores et des ondes de choc

Des manières de considérer des objets "presque transparents" existent depuis plus de cent ans

Mais pour la méthode de l'ombre et la méthode de Tepler, des faisceaux de lumière parallèles étaient généralement nécessaires. L’utilisation d’écrans rétroréfléchissants a permis de contourner cette limitation. La méthode schlieren vous permet de visualiser, par exemple, des flux de convection. Mais les photos choquantes sont particulièrement spectaculaires

Bien entendu, la photographie de Schlieren est non seulement esthétique, mais également extrêmement utile dans de nombreux domaines scientifiques et technologiques. Avec son aide, les spécialistes commencent à mieux comprendre les processus qui se produisent dans les gaz ou d’autres milieux transparents.

Navette spatiale: aérodynamique supersonique. La purge du modèle de navette spatiale dans le tube montre les développeurs de la zone d’ondes de choc

Balloon: matériaux de force. Nous ne savons pas pourquoi nous avons besoin d'un instantané d'un ballon éclaté. Mais, tu vois, magnifique!

Sableuse: nettoyage abrasif. La photo montre le comportement d'un jet abrasif d'aérosol lors du nettoyage industriel des surfaces.

“… Une boîte en verre ordinaire très mince serait très difficile à distinguer par faible lumière, car elle n'absorbe presque pas de rayons et réfléchit et réfracte très peu de lumière. Si vous mettez un morceau de verre ordinaire dans de l'eau ou, mieux encore, dans un liquide plus dense que l'eau, vous ne verrez presque jamais de verre, car la lumière passant de l'eau au verre est réfractée et réfléchie très faiblement. Dans ce cas, le verre est aussi invisible que des jets de dioxyde de carbone ou d'hydrogène dans l'air. Et pour la même raison. "

Lumière et ombre

Pendant ce temps, Wells se trompait - lorsqu'il écrivait son roman, il existait déjà des méthodes assez sophistiquées pour visualiser les inhomogénéités de densité dans les gaz. La plus simple de ces méthodes est l'illumination de l'objet étudié par un faisceau de lumière parallèle. Une petite différence d'indice de réfraction suffit: rappelez-vous comment les objets sont déformés lorsque vous regardez au loin sur une autoroute chauffée au rouge en été ou quel type d'ombre une bougie allumée ou un brûleur à gaz sont projetés. Cette méthode dite «d'ombre» permet de voir les régions où la seconde dérivée de la densité change (des exemples typiques de telles régions sont les limites des jets de gaz et des ondes de choc).

Couteau léger

En 1857, le physicien français Leon Foucault a proposé de contrôler très simplement l’exactitude de la fabrication des miroirs de télescopes. Au centre du miroir testé, il a mis un détail supplémentaire: un écran opaque au bord tranchant, appelé plus tard couteau de Foucault. L'image de la source (pointe ou fente) se concentre sur le bord du couteau. Si la surface du miroir est strictement sphérique, le couteau couvre l’ensemble du faisceau lumineux et s’il présente des défauts, une partie de la lumière s’écartera et passera par le bord du couteau.

En 1864, cette méthode a été améliorée par le physicien allemand August Toepler. Il a suggéré d'utiliser un schéma avec un couteau de Foucault pour étudier les inclusions dans un support transparent, par exemple lors du rejet de lentilles. Toepler a appelé cette méthode la méthode de Schlieren, du mot allemand Schlieren, qui signifie hétérogénéité (inclusion) dans le verre.

La méthode de Schlieren vous permet d'obtenir une image plus contrastée: une partie du faisceau lumineux qui ne subit pas de distorsion est coupée à l'aide d'un couteau de Foucault, ce qui minimise "l'éclairage parasite". La méthode Toepler permet de ne pas voir la dérivée seconde, mais la première, c'est-à-dire les gradients (changements lisses, et lorsque vous utilisez la photométrie et le standard d'éclairage, calculez les valeurs de densité absolue.

La taille compte

La méthode de Schlieren ou ses variations ont été largement utilisées pour visualiser les hétérogénéités depuis plus de cent ans. Il a aidé à résoudre de nombreux phénomènes intéressants liés à la dynamique du gaz. Au XXe siècle, cette méthode est devenue un attribut essentiel de presque toutes les recherches aérodynamiques et les scientifiques en ont tenu compte, notamment en ce qui concerne la limitation d’échelle. Le volume à l'étude ne pouvait pas dépasser l'espace où un faisceau lumineux parallèle était organisé. Le faisceau était focalisé par des lentilles ou des miroirs et la taille de ces éléments optiques était strictement limitée par des considérations financières. Plus le diamètre de la lentille ou du miroir est grand, plus le prix est élevé, et même une échelle d'un mètre de long implique des coûts élevés. Par conséquent, toutes les recherches de schlieren dans les souffleries ont été effectuées avec de minuscules modèles à grande échelle d’avions et de roquettes.

Grande échelle

À la fin des années 1950, Harold Edgerton, l'un des pionniers de la prise de vue à grande vitesse, a proposé d'utiliser un écran rétroréfléchissant comme élément de focalisation d'un faisceau lumineux. Au niveau microscopique, un tel écran est constitué de petits éléments (réflecteurs) qui réfléchissent la lumière exactement dans la même direction d'où elle vient. Les films rétroréfléchissants sont largement utilisés dans la vie quotidienne et dans l'industrie. N'oubliez pas les panneaux de signalisation routière, les plaques d'immatriculation et même les inserts dans les vêtements et les chaussures. En utilisant la méthode des ombres habituelle, Edgerton a d’abord obtenu l’image d’une explosion de capsule de dynamite à l’aide d’un écran de 1 x 2 m.

Cependant, plus de 30 ans se sont écoulés avant que l'écran rétroréfléchissant n'apparaisse pour la première fois dans la photographie schlieren. Selon Leonard M. Weinstein, physicien au centre de recherche de la NASA. Langley, l'idée était littéralement dans l'air, mais personne n'a osé la mettre en pratique. Weinstein a introduit un autre changement dans le schéma traditionnel de Schlieren: il a appliqué des bandes noires verticales à la toile rétroréfléchissante, la transformant (lorsqu'elle est éclairée par un faisceau divergent) en un ensemble virtuel de sources de gap. Au lieu du couteau de Foucault, le chercheur a placé une trame négative à la place correspondante du diagramme - un réseau de bandes alternées transparentes et opaques qui coupaient "l'excès de lumière" non déformé.

Des images à grande échelle de phénomènes auparavant inédits - ondes de choc d’explosions, flux de convection provenant d’équipements industriels et de personnes - ont ainsi été obtenues. «Les experts expérimentés en aérodynamique savent qu'une telle visualisation permet aux chercheurs de mieux comprendre les processus physiques intervenant dans les flux de gaz», déclare Weinstein. Gary Settles, professeur de mécanique à l'Université de Pennsylvanie, fondateur et directeur du laboratoire de dynamique des gaz, confirme: «La visibilité peut être très utile pour expliquer les trajectoires complexes de propagation et les effets destructeurs des ondes de choc, par exemple lors de catastrophes aériennes, passées et futures."

Des explosions et des coups

À la fin des années 90, Gary Settles et ses collègues ont construit dans l'ancien entrepôt situé à la périphérie du campus, le plus grand appareil de laboratoire au monde pour la photographie à Schlieren. Un panneau de raster rétro-réfléchissant réfléchissant de 5 x 5 m suspendu au mur réfléchit les rayons des lampes flash. Dans le hangar qui fait écho, capsules, squibs, dames à la dynamite grincent constamment. De plus en plus d’images éclatantes apparaissent sur les écrans d’ordinateur, mais personne ne prête attention aux flammes pittoresques et aux fragments volants - tout le monde ici s’intéresse surtout aux schémas subtils d’ondes de choc.

Les dimensions de cette installation ont offert des possibilités sans précédent aux scientifiques et aux ingénieurs. En 2003, un rapport a été publié sur l'étude expérimentale sur les ondes de choc provoquée par l'explosion d'une bombe dans la cabine ou dans le compartiment à bagages d'un avion de ligne, à la demande de la Federal Aviation Administration (la configuration d'une partie de l'habitacle a été réalisée en taille réelle et celle du compartiment à bagages à une échelle de 60%) . "Peut-être", déclare Settles, "les résultats de nos recherches aideront à concevoir des avions qui résisteront plus efficacement au sabotage."

L’installation de l’Université de Pennsylvanie a également permis de faire la lumière sur les tirs d’armes à feu, ce qui vous permet de voir la photo en détail: l’onde de choc de la balle, non seulement à proximité immédiate de la bouche, mais aussi à une distance beaucoup plus grande et même des gaz en poudre qui s’échappent du canon. Les photographies montrent comment les ondes de choc et les nuages ​​de gaz en poudre interagissent avec les objets voisins, y compris le tireur lui-même. Selon Settles, ces informations aideront un jour les médecins légistes à établir des relations plus fiables entre le type d'arme, la distance à laquelle le coup a été tiré et, par exemple, les restes de suie de la poudre à canon sur la victime et le suspect.

Des explosions aux éternuements

Les projets du groupe Settles sont encore plus vastes. Les scientifiques attendent avec impatience le moment où ils auront la possibilité de mettre en pièces tout le Boeing 747. Les ingénieurs impliqués dans la protection des avions contre le terrorisme mettent à leur disposition un avion de ligne désaffecté et l'explosent à des fins expérimentales - afin de donner une évaluation pratique de divers appareils protection contre les bombes sur les avions de ligne commerciaux.

Un avion de cette taille ne rentrera pas dans un centre de recherche universitaire. Les scientifiques ont donc développé une version portable pour les futurs tournages. Le plus grand élément d'installation, l'écran réflecteur, est simplement enroulé pendant le transport. La conception a déjà été testée. L'année dernière, une équipe de chercheurs universitaires a visité les laboratoires de l'armée américaine à Aberdeen, dans le Maryland, où des explosions ont été tirées dans le compartiment à bagages de l'avion. Utilisant la protection de l'armée pour leur équipement et pour eux-mêmes, les expérimentateurs ont pris une série de photographies montrant les effets de l'explosion sur les conteneurs à bagages.

Il y a 120 ans, les premières photographies schlieren peu lisibles de bougies allumées et de balles volantes volaient dans le monde entier. Tout est de retour à la case départ - maintenant, grâce aux efforts de Settles, les magazines scientifiques et non scientifiques populaires regorgent de belles et lumineuses photographies de fantasmagories aériennes qui surgissent autour d'explosions de bombes, d'avions volants et même d'éternuements.

L'article a été publié dans la revue Popular Mechanics (n ° 3, mars 2007).

Recommandé

KrAZ: voitures insolites de l'usine de Kremenchug
2019
Qu'est-ce que la destitution et comment est-elle organisée?
2019
Que peuvent faire les superpuissés?
2019