Schlierenfotografie

Eine bewährte Methode, um Luftbewegungen (wie auch Schall) sichtbar zu machen ist die von August Toepler 1866 entwickelte Methode der Schlierenbeobachtung bzw. sein Schlieren-Apparat bzw. die von Ernst Mach und Peter Salcher entwickelte Verbesserung/Vereinfachung der Schlierendarstellung mit Hilfe eines Parabolspiegels (1887).

Beim Toeplerschen Schlierenapparat wird Licht von einer Lichtquelle (L) durch ein kleines Loch durch eine Linse (B) mit großer Brennweite ( > 1 m) geschickt. Die Linse ist dabei in ihrer doppelten Brennweite von der Lichtquelle entfernt. Fehler in der Linse (z.B. N) oder Luftverwirbelungen direkt davor oder dahinter führen zu einer Ablenkung des Lichtstrahls am Auge (A). Wenn man den Brennpunkt am Auge abdeckt (durch eine Visitenkarte oder Rasierklinge o.ä.) so dass nur noch die Ablenkungen sichtbar sind, dann sieht man diese als bewegliche Schlieren.

Toeplerscher Schlierenapparat
(Haschek 1887, S. 86)

Bei der Mach'schen Verbesserung wird anstelle der Linse ein Parabolspiegel eingesetzt, so dass Lichtquelle (z.B. eine punktförmige starke LED-Lampe) und Auge bzw. Foto/Filmkamera auf der gleichen Seite angebracht sind.

Am Musikwissenschaftlichen Institut gibt es hierfür einen Parabolspiegel mit 28 cm Durchmesser und einer Brennweite von 1,2 m, wodurch sich ein Abstand von 2,4m zwischen Hohlspiegel und doppeltem Brennpunkt (2f) ergibt.
Wird zwischen dem Parabolspiegel und der Lichtquelle ein Medium mit abweichender Dichte eingeführt (erhitzte oder bewegte Luft einer Kerze, eines Lötkolbens, einer Hand, aus einem Instrument etc.), dann brechen sich die Lichtstrahlen darin. Dies führt zum einen zu Interferenzen mit den unbeeinflussten Lichtstrahlen und zum anderen zu einem etwas durch die kurzfristig veränderte Dichte abgelenkte Richtung des Strahls (rote Linie, A'). Mit Hilfe einer Blende vor der Kamera im Brennpunkt 2F (Rasierklinge, Visitenkarte o.ä.) kann der Anteil des normal reflektierten Lichts (A, B) im Brennpunkt mehr oder weniger ausgeblendet werden, so dass die abgelenkten Strahlen als Schlieren sichtbar/fotografierbar/filmbar werden.

Aufbau moderner Schlierenfotografie mit Hilfe eines Parabolspiegels
(Mohn, Williams 2020)

Versuchsaufbau mit einem Pappstreifen als Blende im Brennpunkt 2f (hell markiert),
eine LED als Lichtquelle ist direkt daneben
(Mohn, Williams 2020)

Versuchsaufbau mit einer Rasierklinge (hell markiert), deren Kante sich im Brennpunkt 2f befindet (roter Pfeil).
Rechts daneben ist die punktförmige Lichtquelle eines Stroboskops (roter Pfeil).
(Mohn, Williams 2020)

In diesem Setup wurden folgende Schlierenvideos aufgenommen:

Beim Aufbau des Setups und bei der Video/Fotoaufnahme ist zu beachten:

• Jede kleinste Änderung/Bewegung (Schritte, Berührung des Tisches, eigene Gewichtverlagerung, wenn man vor dem Tisch steht etc.) hat Einfluss auf die Schärfe/Genauigkeit der Schlieren.
  ==> möglichst wenig bewegen, Lichtquellen, Kamera und Spiegel möglichst stabil befestigen.
  
  
• Es dauert sehr lange, bis man eine optimale Ausrichtung der Lichtquelle und der Rasierklinge gefunden hat.
  ==> viel Geduld und Fingerspitzengefühl mitbringen.
  
  
• Auch bei starker Lichtquelle ist das zu sehende Bild sehr schwach und unscharf.
  ==> man benötigt ein lichtstarkes Teleobjektiv, um die Schlieren deutlich und scharf zu erfassen.
  
  
• Das Bild ist immer doppelt sichtbar man kann sowohl das Instrument selbst als auch dessen Reflexion im Parabolspiegel sehen.
  ==> Instrument möglichst nahe an den Parabolspiegel positionieren.