Pod adresem https://youtu.be/QpP4qM8wcNM można obejrzeć krótki filmik przedstawiający tzw. obrazowanie smugowe (ang. Schlieren imaging / optics). Powstał dzięki prof. Mikołajowi Pochylskiemu z naszego wydziału, który zbudował układ eksperymentalny prezentujący zjawisko i byłemu studentowi fizyki naszego wydziału, Antoniemu Cepelowi, który ten film stworzył. Prezentacji zjawiska podjęła się pani mgr Agnieszka Połatyńska. Miałem przyjemność asystować wymienionej trójce w ich dziele. Zachęcam do obejrzenia.

Dnia 20-03-2015 mieliśmy w Polsce okazję podziwiać częściowe zaćmienie słońca. Poniżej przedstawiam prosty sposób osberwacji tego zjawiska bez użycia dyskietki, okularów, zdjęcia rentgenowskiego. W ogóle bez konieczności bezpośredniej obserwacji słońca.

Wystarczy w przeciwległych ściankach pudełka kartonowego wyciąć po otworze. W jednym z nich należy umieścić tzw. małą aperturę, tzn. otwór o małej średnicy. W warunkach domowych najprostszym sposobem by taki otwór utworzyć jest zaklejenie jednego z otworów w ściankach folią aluminiową i utworzenie w niej otworku za pomocą igły. Na załączony niżej zdjęciu prezentuję moje rozwiązanie. Użyłem uchwuty mikroskopowego do apertur z zamocowaną płytką z otworem o średnicy 100 um (0.1 mm).

Układ taki stanowi tzw. kamerę otworkową (camera obscura), z tą różnicą, że zamiast rejestrować obraz na kliszy obserwujemy go po przejściu światła (tu słonecznego) przez oba otwory w kartonie.

Uzyskać można następujący obraz:

Obraz jest ostry w dowolnej odległości od kartonu. Im jasniej jest w pomieszczeniu tym naturalnie większe jest tło, czyli jaśniejsza jest kartka/ekran, na której osberwujemy słońce. Dlatego wskazanym jest możliwie maksymalne zaciemnienie pomieszczenia.

Jak widać na poniższym zdjęciu budowanie kamery otworkowej nie było konieczne, gdyż otwory od sznurków żaluzji okiennych rolę takiej kamery świetnie spełniały.

Każdy z nas widział obraz makroskopowego obiektu (tj. widocznego gołym okiem) tworzony przez kroplę wody.

Kropla taka spełnia w takim przypadku rolę soczewki, działającej na dokładnie na tej samej zasadzie, na jakiej działają soczewki obiektywu aparatu fotograficznego, okularów, lunety czy lupy. Nie musi ona zostać utworzona przez wodę, może równie dobrze być utworzona np. z ciekłego kryształu (Cyt. 1). W takim przypadku powstała soczewka ma dodatkową właściwość. Używając pola elektrycznego można zmieniać jej ogniskową! W tej prostej prezentacji nie interesuje nas jednak tak zaawansowane rozwiązanie, a jedynie prezentacja względnie łatwego sposobu obserwacji możliwości obrazujących mikro kropli wody.

Przez mikro-kroplę należy rozumieć obiekt o wielkości przekraczającej 1 um (tj. 10^-6 m), ale znacząco mniejszy od 1 mm. W przypadku opisanym niżej obserwowane krople wody mają średnice mniejszą od 100 um. By je zaobserwować należy dysponować mikroskopem optycznym, a przede wszystkim takie krople należy przygotować.

Urok prezentowanego prostego doświadczenia polega na tym, iż nie potrzebujemy drogiego, profesjonalnego mikroskopu. Wystarczy nam dziecięcy tani mikroskop taki jak użyty przez autora Opticon XSP-1XT. Jest on wyposażony w okular o powiększeniu x20, który w połączeniu z najsłabszym optycznie dostępnym obiektywem o powiększeniu x15 daje zupełnie wystarczające łączne powiększenie x300.

Krople wody przygotowujemy na szkiełku mikroskopowym. Nanosimy na nie substytut preparatu, np. kawałek cienkiej przeźroczystej folii. Na tę folię nanosimy nieznaczną ilość wody. Całość przykrywamy szkiełkiem nakrywkowym. W teorii moglibyśmy użyć wyłącznie szkiełko mikroskopowe i wodę. Jednak ze względu na dużą powierzchnię parowania powstałe krople bardzo szybko by znikały. Szkiełko nakrywkowe temu zapobiega, znacząco spowalniając proces parowania wody. Nałożenie szkiełka nakrywkowego na mikroskopowe sprawia jednak, że nasze krople wody ulegają spłaszczeniu. W efekcie ich właściwości optyczne znacząco odbiegają od właściwości soczewki. Użycie cienkiej folii jako preparatu ma na celu sztuczne zwiększenie przerwy dzielącej oba szkiełka. A to zapewnia, że część kropel z pewnością nie zostanie zdeformowanych. Skąd zatem tak małe krople? O ile nie naniesiemy zbyt dużej ilości wody na szkiełko mikroskopowe mikro kropelki wody powstaną samorzutnie. Stanie się tak np. z powodu nierówności w krawędziach kawałka folii. Jeżeli nie uzyskamy właściwych rozmiarów kropli, wówczas należy powtórzyć cały proces przygotowania próbki. Krople o rozmiarach mniejszych od 20 um prawdopodobnie będą zbyt małe. Krople większe od 200 um nie robią z kolei takiego wrażenia. Ponieważ jednak w warunkach amatorskich najczęściej nie dysponujemy narzędziem pozwalającym ocenić wielkość kropli staramy się uzyskać minimalnie małe, a nadal wyraźnie obrazujące. Co możemy zobrazować?

W opisywanym przypadku nie interesuje nas obserwacja przedmiotu o rozmiarze porównywalnym do naszej mikro kropli/soczewki. Chcemy zobrazować przedmiot makroskopowy o rozmiarach znacząco większych od próbki! Zdjęcie 1 przedstawia przykład możliwej konfiguracji mikroskopu, oświetlenia i przedmiotu obrazowanego, jakim w tym przypadku były nożyczki biurowe.

Zdjęcie 1. Układ eksperymentalny do obserwacji obrazu nożyczek za pomocą mikrosoczewki wodnej i mikroskopu.

Użyty mikroskop używał światła zewnętrznej lampy widocznej na zdjęciu 1, gdyż a) wbudowane źródło było słabej intensywności, b) obrazowanie większego przedmiotu wymagało większego źródła bardziej oddalonego od mikroskopu. Na zdjęciu 1 widoczny jest również aparat fotograficzny (Fujifilm S5500), za pomocą którego zostały wykonane niżej zaprezentowane zdjęcia. Zdjęcie 2a prezentuje obraz mikrosoczewek. Zdjęcie 2b przedstawia obraz skali mikrometrycznej naniesionej na użytą płytkę mikroskopową (PZO Warszawa). Minimalna przedziałka tej skali odpowiada odległości 10 um, zatem porównanie obu zdjęć pozwala szacować wielkość obserwowanych mikro kropli wody.

Zdjęcie 2. a) Obraz mikro kropli wody. b) Obraz skali mikrometrycznej pozwalającej ocenić rozmiar kropel.

Zdjęcie 3 prezentuje powiększenie obrazu kropel ze zdjęcia 2a. Wyraźnie widoczne „ucha” nożyczek w największych kroplach, były również obrazowane przez krople wyraźnie mniejsze, jednak ograniczenia użytego aparatu, jak również inne ogniskowe małych i dużych mikrokropel sprawiały, że obraz najmniejszych mikrosoczewek, widziany gołym okiem, jest na zdjęciu rozmyty.

Rozmiary zaprezentowanych wyżej soczewek, które dawały obraz nożyczek, wahają się miedzy 80 um, a 30 um.

Literatura

1. Shug-June Hwang, Yi-Xiang Liu, Glen Andrew Porter Optics Express 21, 2013, 30731-30738 "Tunable liquid crystal microlenses with crater polymer prepared by droplet evaporation"