O método óptico Schlieren bem como o método de Shadowgraph são métodos geralmente utilizados para visualizar fenômenos em médios transparentes (Settles, 2001). O olho humano e câmeras comuns não tem como distinguir diferenças de fase em um feixe de luz. Só se pode ver amplitude, contraste de cor e polarização. Esses métodos convertem
diferenças de fase em diferenças de amplitude e, por vezes, diferenças de cor, por exemplo, permitem detectar perturbações, como variações locais na densidade, que alteram a propagação da luz através do ar ou qualquer outro meio transparente.
Robert Hooke (1635-1703) foi o pioneiro da óptica em meios heterogêneos e graças aos seus trabalhos desenvolvidos em microscopia, telescopia, tecnologia de vidro, e testes em óptica, assim como seu fascínio por refração atmosférica conseguiu estabelecer a óptica em médios heterogêneos como um novo campo científico. O primeiro método Schlieren de Hooke foi a observação direta de um distúrbio térmico do ar contra uma fonte de luz distante, similar ao efeito observado quando o asfalto está quente. Então o esquema de montagem do método Schlieren desenvolvido por Hooke pode ser visto na Figura 2.7.
Figura 2.7: Método Schlieren desenvolvido por Hooke. Fonte: Adaptado de Settles, 2001.
Na Figura 2.7 temos que a fonte de luz é uma vela, o qual esta posicionada no ponto focal numa lente côncava. A referida vela é projetada sobre a pupila do olho por meio da lente. Uma segunda vela, posicionada perto da lente, refrata alguns raios de luz que não atingem a pupila, revelando a pluma convectiva da vela através de mudanças na intensidade da luz vista pelo olho.
O princípio fundamental da técnica Schlieren pode ser explicado como o fato de que a luz diminui ao interagir com a matéria. O índice de refração 𝑛 = 𝑐𝑜/𝑐 de um meio transparente indica esta mudança, onde 𝑐 é a velocidade da luz no meio e 𝑐𝑜 é a velocidade da luz no vácuo com valor de 3.108 m/s.
De acordo com Settles (2001), para o ar e outros gases, existe uma relação linear simples entre o índice de refração e a densidade do gás 𝜌𝑔:
𝑛 − 1 = 𝑘′𝜌
𝑔 (2.52)
condição padrão.
Para dar um exemplo, Settles (2001) menciona que o ar a 0 °C e 1 bar de pressão tem 𝑛 = 1,000292 quando é trans-iluminado com luz proveniente da linha espectral Sodium-D. O hélio, com 𝑛 = 1,000035, é claramente refractivo ao ser misturado com o ar, apesar do que parece ser apenas uma pequena diferença em 𝑛. O vapor de álcool, em torno de 𝑛 = 1,0008, difere suficientemente do ar que a evaporação de uma bebida alcoólica, é claramente visível por um equipamento de Schlieren e Shadowgraph.
A refractividade 𝑛 − 1 de um gás depende da composição do gás, da temperatura e densidade, e do comprimento de onda da iluminação. A chama muda a temperatura, composição, pressão, velocidade e densidade da mistura de gás, e todas essas mudanças são detectadas por Schlieren.
Settles (2001) resume os fundamentos da técnica como mostrado na Figura 2.8, onde o feixe de uma fonte luminosa é colimado pela primeira lente mostrada, logo essa luz colimada atravessa a área de teste e uma segunda lente projeta os raios colimados em uma tela de visualização posicionada após seu ponto focal, onde é formada uma imagem real e invertida da área de teste. Agora se um objeto transparente S, que cause diferença de fase na luz, for colocado na área de teste, uma imagem se formará na tela quando uma lâmina de corte seja colocada no ponto focal da segunda lente. O objeto S desvia os raios de luz de suas trajetórias originais ou paralelas. Assim, ao atingir a segunda lente, como não são mais paralelos, eles são refratados com ângulos diferentes dos demais raios e não passam mais pelo ponto focal da lente tomando direções diferentes, por exemplo: um se desvia para cima e outro se desvia para baixo, na direção y. O raio defletido para cima clareia um ponto na tela, mas o raio defletido para baixo atinge a lâmina de corte onde é bloqueado, mais ele projeta um ponto escuro na tela. Para este ponto particular do objeto, a diferença de fase causa uma gradiente vertical na área de teste e é convertido em uma diferença de amplitude, tornando o invisível visível.
Na prática, esta lâmina de corte geralmente é uma lâmina de barbear simples. Se a lâmina avança em direção ao ponto focal, nada acontece até que de repente a imagem da fonte de luz é atrapalhada, fazendo com que a tela escureça.
A orientação da lâmina na Figura 2.8 é horizontal e só detecta componentes verticais no objeto S. Ou seja, a lâmina afeta apenas as refracções de raios com componentes perpendiculares a ela. As refracções paralelas à lâmina não são bloqueadas, portanto, não há mudanças na iluminação da tela ao longo do eixo 𝑥. Se o objeto S tiver apenas gradientes horizontais 𝜕𝑛/𝜕𝑥, ele permanecerá invisível apesar da presença da borda.
Settles (2001) argumenta que duas imagens Schlieren são necessárias para representar completamente um objeto S: uma com uma lâmina posicionada horizontalmente e outra com uma lâmina posicionada verticalmente. É possível também a utilização de uma placa opaca com um furo circular. Na prática, uma simples lâmina criteriosamente orientada muitas vezes é suficiente. A Figura 2.9 mostra imagens Schlieren de uma chama turbulenta do fenômeno da mistura de uma tocha de oxiacetileno para três orientações de lâminas de corte: circular (a), vertical (b) e horizontal (c).
Figura 2.9: Imagem Schlieren para três orientações de lâminas de corte: (a) circular, (b) vertical, (c) horizontal. Fonte: Settles, 2001.
A configuração do sistema para o método Schlieren que possui a bancada experimental do CVR é de tipo Z, que é o mais usado. Este sistema, ao invés das duas lentes convergentes, usa um par de espelhos esféricos (convexos - parabólicos) opostamente inclinados. A Figura 2.10 mostra a configuração usada para o método de Schlieren.
Figura 2.10: Configuração do Schlieren tipo Z mostrando os ângulos e focos respectivos: Adaptado de Settles, 2001.
O sistema está organizado da seguinte forma, uma fonte de luz divergente está localizada no ponto focal 𝑓1 do primeiro espelho (1), este espelho está inclinado um ângulo 𝜃1 em relação ao eixo y, sistema adotado na Figura 2.10, o feixe de luz incidente ao espelho 1 é refletido em paralelo ao eixo 𝑥 formando um ângulo de 2𝜃1 em relação à sua direção original, então este feixe de luz refletida atravessa a área da experiência até chegar ao segundo espelho (2), o qual também está inclinado um ângulo 𝜃2 em relação ao eixo y. O espelho 2 converge o feixe de luz no seu ponto focal 𝑓2 formando um ângulo de 2𝜃2 em relação à sua direção original. No ponto 𝑓2 é inserida a lâmina de corte para obter o efeito Schlieren. Em seguida, temos que uma câmera está colocada após a lâmina de corte na mesma linha do eixo focal do espelho 2. Então, de acordo com a trajetória percorrida pelo feixe de luz, sái o nome da configuração tipo Z.
O uso de espelhos côncavos - parabólicos geram aberrações nas imagens. Essas aberrações são fenômenos na área da ótica geométrica e são causados por diferentes motivos. Neste trabalho, analisamos a causa da coma e do astismatismo. Por exemplo, o fenômeno do coma é quando diferentes pontos de um espelho geram ampliação diferente para um objeto, finalmente a imagem do objeto é semelhante a um cometa. Para o caso do astigmatismo, temos que esse fenômeno gera duas imagens do mesmo objeto. Geralmente, o efeito da coma pode ser minimizado mantendo-se ângulos 𝜃 pequenos e usando espelhos com elevadas distâncias focais. Então uma das vantagens da configuração tipo Z é cancelar totalmente este efeito inclinando os espelhos com ângulos iguais 𝜃1 e 𝜃2, como é mostrado na Figura 2.10. Também se devem usar espelhos idênticos e todos os elementos ópticos devem ser centrados no mesmo plano, no caso de uma disposição não simétrica em que os espelhos estão desalinhados para o mesmo lado deve ser evitada, pois o coma é dobrado ao invés de ser
cancelado.
No caso do astigmatismo, ele não pode ser eliminado da configuração tipo Z, mas a posição e a orientação da lâmina de corte limitam os efeitos do mesmo. Hartmann E. (2014) descreve os detalhes da metodologia de posicionamento da lâmina de corte para reduzir este efeito indesejado causado pelas aberrações esféricas.