Vedere l’invisibile: la tecnica Schlieren, dalla cristallografia al respiro
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 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).
