RAZVEDRILO
Senca plamena
nU NU NU
Aleš Mohorič

V prejšnji številki smo objavili fotografijo prižgane vžigalice in njene sence; na senci smo pogrešali senco plamena. To enostavno pojasnimo, saj je plamen redek kot plin in ne absorbira ali odbije svetlobe, kot jo absorbirajo in odbijajo trdna, neprozorna telesa. V spremnem besedilu smo tudi opozorili, da svetloba iz svetilke vendarle ne prepotuje plamena popolnoma neovirano. Plamen je vroc in segreje tudi zrak v okolici. Vroc zrak se zaradi naravne konvekcije dviga v stebru nad plamenom. Steber vročega zraka nad plamenom je raven in približno valjaste oblike, ce je zrak v okolici plamena miren. Zrak se premeša že ob najmanjšem pišu; dovolj je že, da se sprehodimo dovolj blizu. Širine stebra ne moremo enostavno dolociti, saj meja med vrocim, dvigajocim se zrakom in hladnejšim, mirujocim zrakom v okolici ni ostra. Vseeno pa premer stebra lahko ocenimo na kak centimeter ali dva, tako kot je opisano v nadaljevanju.
Naredimo fotografijo (slika 1) plamena svece in njegove sence, ki nastane tako, da skozi plamen posvetimo s svetlo in majhno svetilko. Svetilka mora biti majhna, da bo senca karseda ostra. Podobno senco bi lahko opazili tudi ob soncni svetlobi, vendar bi imela tedaj senca manj oster in manj izrazit rob, ker Sonce ni točkasto svetilo. Senca, ki nastane na zaslonu (v našem primeru kar na zidu), razkriva plamen in steber vrocega zraka, torej vec, kot nam razkrije pogled naravnost v plamen. Tedaj namrec stebra vrocega zraka ne vidimo.
SLIKA 1.
Goreca sveca in njena senca na zidu. Senca nastane zato, ker je pred sveco postavljena majhna svetilka, usmerjena proti zidu za sveco.
Opticne lastnosti prozorne snovi, kot je vroc zrak, opišemo z lomnim kvocientom. Ta je enak razmerju med hitrostjo svetlobe v vakuumu in hitrostjo svetlobe v snovi. Lomni kvocient je vedno vecji od ena, saj svetloba v snovi potuje pocasneje kot v praznem prostoru. Lomni kvocient zraka je zelo blizu 1 in izkaže se, da je v prvem približku razlika od ena kar sorazmeren gostoti zraka: n - 1 oc p. Iz plinske enacbe pV = J^RT sledi, da je gostota plina obratno sorazmerna s temperaturo plina in odstopanje lomnega kvocienta od ena je obratno soraz-
30
PRESEK 42 (2014/2015)5
RAZVEDRILO
merno s temperaturo: n - 1 oc 1. Zrak ima pri temperaturi T0 = 15 °C (to je 288 K) lomni kvoci-ent enak 1,00028. Pri tem zanemarimo odvisnosti lomnega kvocienta od valovne dolžine svetlobe. Lomni kvocient zraka pri normalnem zračnem tlaku in poljubni temperaturi, pri kateri še velja približek idealnega plina, približno izračunamo z izrazom [1, 2]: n(T) = 1 + 28 ■ 10-5 T ■ Pri visoki temperaturi (v stebru vročega zraka nad plamenom sveče lahko doseže tudi vec sto stopinj Celzija) je lomni kvocient zraka manjši kot v zraku pri sobni temperaturi. Steber dvigajocega se vrocega zraka ima zato podobno vlogo kot razpršilna cilindricna leca. Snop žarkov iz majhne svetilke, ki vpadajo na steber vrocega zraka, se razprši približno tako, kot kaže slika 2. Žarki, ki potekajo skozi steber, se razklonijo in zato ima senca stebra na zaslonu temnejši del v sredini. Žarki, ki se razklonijo na robu stebra, se na zaslonu sekajo z žarki, ki potujejo mimo stebra, zato ima senca svetlejši rob. Širina sence na zaslonu je odvisna od lege svetilke, lege zaslona ter velikosti in temperature plamena.
Razlike v osvetljenosti sence so majhne, zato senco na fotografiji bolje vidimo, ce povecamo kontrast. Tedaj postane bolj izrazit tudi šum. Izsek sence s poudarjenim kontrastom kaže slika 3.
steber
vrocega zraka
svetilka
senca na zaslonu
plamen
SLIKA 2.
Steber vrocega zraka nad sveco deluje kot razpršilna cilindrična leca in razprši žarke iz svetilke tako, da na zaslonu nastane temnejša senca stebra s svetlejšim robom.
Na opisani nacin lahko s fotografiranjem senc proučujejo konvekcijski tok v prozorni tekocini, Macho-vo valovno celo ali pa tok v okolici telesa, ki ga obliva tekocina (aero-, hidrodinamika). Z rezultati opazovanj lahko nacrtujemo tehnološke izboljšave, npr. kako oblikovati vesoljsko sondo, da bo med vstopom v atmosfero njen let bolj stabilen [3].
Literatura
[1]	P. E. Ciddor, Refractive index of air: new equations for the visible and near infrared, Appl. Optics 35 1996, 1566-1573.
[2]	http://emtoolbox.ni st.gov/Wavelength/ Documentation.asp, dostop 25. 3. 2015.
[3]	http://commons.wi kimedia.org/wi ki/ File:Shadowgraph_Images_of_Re-entry_ Vehi cl es_-_GPN- 2000-001938. j pg, dostop 25. 3. 2015.
SLIKA 3.
Senco plamena vidimo fotografiji.
bolje, Ce povecamo kontrast na
XXX
PRESEK 42 (2014/2015)5
31