L’aria è trasparente, ma non è uniforme: dove cambiano temperatura, densità o composizione, cambia anche il modo in cui la luce la attraversa. La tecnica Schlieren sfrutta proprio queste minime differenze per rendere visibili flussi che a occhio nudo non vedremmo mai: il respiro di una persona, l’aria calda che sale da una mano, il getto di un ugello riscaldato.

Il respiro ripreso con l’apparato Schlieren del Laboratorio Schlieren del DiSTeGeo, Università di Bari.

Il principio: la luce che devia

Un raggio di luce che attraversa una zona in cui l’indice di rifrazione non è uniforme viene leggermente deviato. Le deviazioni sono piccolissime, frazioni di grado, ma possono essere trasformate in variazioni di luminosità.

Nella configurazione a specchio singolo, la luce di una sorgente puntiforme a LED viene inviata, tramite un beam-splitter, a uno specchio concavo posto a una distanza pari al doppio della sua lunghezza focale. Lo specchio rimanda la luce indietro e la concentra su una sottile lamina metallica (in gergo “knife”, coltello), che ne blocca una parte. Dietro la lamina, una lente e una videocamera raccolgono l’immagine della zona di prova, cioè lo spazio davanti allo specchio in cui si trova il flusso da studiare.

Quando l’aria è uniforme, la lamina blocca sempre la stessa porzione di luce e l’immagine è omogenea. I raggi deviati dal flusso, invece, finiscono un po’ più su o più giù rispetto alla lama: alcuni vengono bloccati, altri passano. Sull’immagine compaiono così zone più chiare e più scure che disegnano la forma del flusso. E poiché la luce attraversa la zona di prova due volte, all’andata e al ritorno, le deviazioni si sommano e il sistema guadagna in sensibilità.

L’apparato del Laboratorio Schlieren

L’apparato in uso presso il Dipartimento di Scienze della Terra e Geoambientali (DiSTeGeo) dell’Università di Bari, sviluppato nell’ambito del progetto FISR2020, è stato progettato pensando a portabilità, facilità d’uso e flessibilità. È composto essenzialmente da due unità:

lo specchio sferico di grado astronomico: 300 mm di diametro, rapporto focale f/5.3 (circa 1,6 m di focale), accuratezza superficiale λ/8. È montato su un supporto realizzato appositamente, con un inclinometro digitale per allinearlo orizzontalmente all’unità di acquisizione, e su un piano motorizzato che permette traslazioni verticali con precisione millimetrica;
l’unità di acquisizione video: sorgente LED, beam-splitter, lamina, componenti ottici e una videocamera ad alta risoluzione, montati su un sistema di movimentazione a sei gradi di libertà che consente l’allineamento ottico preciso indispensabile per riprese di qualità.

Dalla cristallografia al respiro

La tecnica è stata applicata innanzitutto alla caratterizzazione del flusso generato da un mini-riscaldatore ad aria usato nella diffrattometria a raggi X: un getto di gas caldo mantiene il campione alla temperatura desiderata, e la stabilità del flusso influisce direttamente sulla qualità delle misure. Un altro caso di studio è l’analisi dell’azione filtrante delle mascherine chirurgiche, resa visibile osservando come l’aria espirata le attraversa o ne fuoriesce ai bordi.

Con il tempo gli impieghi si sono moltiplicati. Il laboratorio indica tra le applicazioni:

l’analisi dei flussi espiratori nell’uomo e negli animali;
lo studio dei moti convettivi e dei flussi d’aria nell’ambiente;
gli strati limite e le onde d’urto in aerodinamica;
il controllo dell’accuratezza superficiale di specchi di precisione.

Nell’ambito di un progetto FISR2020 il laboratorio è stato potenziato con due sistemi dedicati: uno per valutare l’efficacia di filtraggio e la vestibilità delle mascherine di protezione, l’altro per studiare la circolazione dell’aria in ambienti critici dal punto di vista igienico-sanitario.

I prossimi sviluppi

È in corso un aggiornamento che prevede un sistema di movimentazione motorizzato a esapode: renderà l’apparato più compatto e facile da trasportare, e l’allineamento ottico estremamente rapido e accurato.

Il contributo di KleisTEK

KleisTEK ha progettato e realizzato l’intero sistema in collaborazione con i ricercatori universitari: un esempio del modo in cui lavoriamo, partendo dalle esigenze della ricerca per arrivare a uno strumento completo e affidabile. Il progetto è stato presentato anche al pubblico, durante “La Notte dei Ricercatori” 2023 a Bari.

Per approfondire: pagina del Laboratorio Schlieren (DiSTeGeo, Università degli Studi di Bari Aldo Moro; responsabile scientifico Prof. Gennaro Ventruti).