Strioscopie, l'art de voir les différences de densité de l'air

Sommaire:
      Principe et fonctionnement
      Strioscopie à zéro euro
      Source ponctuelle
      Lumière parallèle
      Avec une lentille
      Avec un miroir concave
      Conclusion

 

Principe et fonctionnement

    Principe et fonctionnement, à quoi cela sert?

Quand l'air se déplace, par exemple dans une flûte, cela crée un vortex. Si l'on veut voir la forme de ce déplacement d'air, la strioscopie (voir les volutes) ou la striographie (imprimer les volutes) vont nous aider. Quand l'air se déplace, il va subir des compressions ou des dépressions et c'est cela que l'on va pouvoir faire apparaître. Si l'air a la même densité, la lumière se déplace en ligne droite. Mais si il y a des différences de densité (à cause de déplacements d'air faisant des surpressions ou à cause de différences de températures), la lumière est déviée.

Deux idées principales vont nous guider:
- pour faire plus simple, on peut envoyer un flux lumineux sur l'air à comprendre, et observer la lumière non déviée et la lumière déviée. La réalisation est plus simple, mais la lumière non déviée va diminuer le contraste
- l'idéal serait de ne regarder que la lumière qui est déviée. En l'absence de différence de densité d'air, un noir absolu apparaît. En présence de variation de densité, on aura une image. Avec le matériel que j'ai (surtout des petits diamètres des dispositifs optiques auxquels j'ai accès), je n'ai pas des images bien terribles.

Notez surtout que les déviation de la lumière reste faible (de l'ordre du dixième de degré). Si vous n'y pensez pas suffisamment, vous ferez comme moi vous chercherez une image pendant des heures. Plus les différences de densités sont importantes, plus les déviations sont prononcées, et plus l'effet est visible. Usuellement on ne voit rien. Une des rares fois ou l'on peut voir quelque chose, c'est quand on regarde une route au loin, on voit des turbulences si il fait beau. Si dans ce cas on voit quelque chose, c'est parce que la route est chaude et chauffe localement l'air, avec des variations importantes;

    Principe et fonctionnement, avec la lumière non déviée.

Si on envoie de la lumière sur de l'air qui a une densité un peu plus importante en un endroit, la variation de densité dévie la lumière comme le ferait un prisme. Dans certaines zones, il va y avoir moins de lumière et on verra des zones sombres. Dans d'autres, il va y avoir plus de lumière. On voit alors des images.

    Principe et fonctionnement, sans la lumière non déviée.

Il va falloir trouver des astuces pour supprimer les rayons non déviés. Du coup sur l'image précédente, cela remplace les gris par du noir, et on a alors des contrastes possibles plus importants. Pour l'instant, on va supposer que c'est faisable, nous verrons ultérieurement comment.

Par rapport au principe précédent, en l'absence de déviation, il n'y a plus de faisceau de lumière qui passe et par conséquent, l'image donne du noir. Dans les zones ou la lumière est déviée, on verra des gris au blanc.

Pour supprimer la lumière non déviée, c'est un peu compliqué, c'est cher, et si ce n'est pas bien fait, on se retrouve dans le cas précédent. Personnellement, je ne suis pas si sûr que cela en vaille la peine. La différence se voit dans l'image: si le fond est noir, on a bien fait les choses, si le fond est clair, il y a un défaut. Pour en avoir fait l'essai, je pense que la plupart des images que j'ai vues sur internet montrent que les montages utilisés ne suppriment pas la lumière non déviée!

Analysons l'image ci-contre.

On observera que le fond est gris. il y a donc de la lumière non déviée. Si je regarde le reste de la vidéo, je vois qu'ils ont mis une lame de rasoir pour couper la lumière. Un vague morceau de carton coupe aussi bien, mais je pense qu'ils n'ont pas bien compris les bases de l'optique.

Voici a peu près ce que l'on devrait obtenir si ils avaient vraiment supprimé la lumière non déviée.

 

Strioscopie à zéro euro

Principe:

Une source ponctuelle envoie ses faisceaux lumineux sur un écran. Sur le chemin se trouve une source de chaleur qui fait des variations densité de l'air. Certains faisceaux sont donc déviés et font apparaitre certaines zones plus claires et d'autres plus sombres

 

Ce montage est simple, pas cher, mais ne supprime pas la lumière non déviée (celle qui nous est inutile).

Pour voir quelque chose, il faut veiller à plusieurs choses importantes:
- si la source ne peut pas être considérée ponctuelle, l'image sera floue. J'ai fait le film avec un lampadaire parce que ma réflexion s'est déroulée un soir d'hiver, et que cela fonctionnait à peu près. Le soleil n'est pas assez ponctuel et si la source de chaleur est trop près de l'écran, on ne voit rien parce que la déviation est trop faible; à 50 cm, on voit une image; au delà de 1 mètre tout devient flou.
- la déviation des faisceaux est faible, il faut donc au moins un mètre entre la source de chaleur et l'écran.
- Je n'ai pas encore fait l'essai mais si on utilise des compressions d'air (visualisation des vortex d'une flûte par exemple), les variations de densité seront encore plus faibles (distances plus grandes, source plus ponctuelles...). Avec le soleil on ne devrait pas voir grand chose (la déviation faible imposerait une distance plus grande et on devrait avoir un flou).

 

Source ponctuelle

Dans un premier temps, je vais donner quelques moyens de faire une source ponctuelle. Dans ce qui nous préoccupe ici, la résolution finale sera proportionnelle au diamètre de la source, mais dépendra aussi de certains rapports de distance. Si j'utilise le soleil et un mur, la taille du soleil va jouer, mais proportionnellement au rapport distance-objet-mur/distance-terre-soleil. C'est pour cela que l'on arriva quand même a avoir une image. Si au lieu de prendre le soleil, vous aviez décidé de prendre Vega, même si son diamètre est 2000 fois celui du soleil, vous auriez une meilleure définition de l'image (passons sur la luminosité!).

Une solution facile est d'acheter une "source ponctuelle" toute faite, par exemple:

J'en profite pour dire tout le mal que je pense de la publicité: il s'agit d'une source de moins de 2W et non pas de 40W; il faut lire ente les lignes. C'est écrit "puissance équivalent 40W"; cela veut dire qu'elle éclaire "comme une vieille lampe à filament de 40W", lampe qu'il est assez difficile de se procurer actuellement. Il doit s'agir d'une led de 5W (consommation électrique) qui ne doit pas donner plus de 2W de lumière, pour peu que tout soit récupéré. La puissance de 40W, c'est la puissance absorbée, pas celle qui est restituée (si on achète par contre un laser de 40W, je crois que c'est 40 W de lumière émise). Pour preuve qu'ils disent n'importe quoi, sur un autre site, pour vanter leur produit, une source est qualifiée de "sa puissance atteint 30-40W alors qu'elle n'en consomme que quelque watts". Chouette! un rendement supérieur à 10! Les sites qui parlent de "puissance équivalente" devraient donner les prix en anciens francs... On devrait dire pour cette lampe par exemple "460 lumens". Et dire que ce site s'adresse à des physiciens.

Le point n'existant pas dans la pratique (sauf la revue!), on a ici un "point de diamètre 1mm", ce qui est pas mal. Et même si ils disent des bêtises sur les puissances, la lumière émises par ces lampes est suffisante pour s'amuser. Ce qui est un peu dommage, c'est qu'ils ne donnent pas l'angle d'émission, mais la photo est assez parlante.

Et quand on n'a pas les moyens? Un simple carton percé d'un trou peut rendre une source quelconque en source ponctuelle. En écartant la lampe, on diminue l'angle d'ouverture de la lampe, mais on diminue aussi l'intensité lumineuse.

La finesse de cette source est donné par le diamètre du trou. Après se pose le problème de la puissance émise...

Si on veut plus de puissance, on peut mettre une lentille convergente (une loupe par exemple) entre la source et le trou. La qualité de la lentille n'a aucune importance, c'est la taille du trou qui m'intéresse. Comme on veut un faisceau qui ne soit pas beaucoup divergent pour la strioscopie, on placera la lentille à une distance suffisante du trou. La focale de la lentille doit être supérieure à l'écartement lentille-trou. Il faut donc une loupe peu puissante.

Si on veut par exemple une source ponctuelle avec un faisceau qui diverge de 10 cm par mètre, pour une loupe de 5cm de rayon (R), il faut placer la loupe à 50cm du trou, et prendre une focale de plus de 50 cm. Comme on fait avec ce qu'on a, on n'a pas forcément le choix. On peut utiliser comme source de départ le soleil, mais il faut prévoir alors un trou qui résiste (enfin, le bord!) et ne pas trop concentrer le faisceau (sinon on peut atteindre 6000°C!)

Avec une source ponctuelle, on peut donc voir de bonnes images. C'est ce que j'ai fait avec mon lampadaire. Il était suffisamment loin pour être considéré ponctuel. Le gros problème c'est sa divergence, car une bonne partie de la lumière ne vient pas chez moi, et mes images sont peu lumineuses. Si j'avais mis une lampe personnelle, il aurait mieux valu que ma lampe éclaire dans ma direction, genre lumière parallèle. C'est l'objet du paragraphe suivant.

 

Lumière parallèle

Comme les déviations dues à la différence de pression sont faibles, on a intérêt a travailler sur des distances d'au moins un mètre ou deux. Si je place une source ponctuelle (peu divergente) à deux mètres de mon objet, et que je place l'écran aussi à deux mètres, j'obtiens une image agrandie dans les rapports des distances écran-source/objet-source. Je n'ai pas besoin d'agrandir mon image, mais j'ai besoin d'au moins un mètre ou deux entre mon objet et l'écran (plus si je veux voir les différences dues à la pression).Du coup si je ne veux pas avoir une image trop grande, il me faut reculer la source ponctuelle et je vais perdre la luminosité. Si cette dernière est constituée d'une lampe avec une loupe et un trou, il me faudrait une loupe avec une grande focale. L'autre solution est de disposer d'une lumière uniforme parallèle.

Pour avoir une lumière parfaitement parallèle à partir d'une source ponctuelle, on peut utiliser une lentille convergente (encoure une loupe!)

Il suffit de placer la lentille à sa distance focale de la source. Bon à savoir:
- pour estimer (voir mesurer) la focale d'une loupe, on la place dans une pièce, près d'un mur qui fait face à une fenêtre. On est à la distance focale si on voit sur le mur l'image du paysage (l'image est à l'envers!).
- si le faisceau obtenu est parallèle, il a la même taille que la loupe. En se plaçant à quelques mètres, on peut mesurer la tâche de lumière et ajuster la place de la loupe.
- le diamètre du faisceau ne peut pas dépasser le diamètre de la loupe. Si on veut avoir une surface d'observation plus grande, on fera un faisceau un peu divergent.
- on peut considérer qu'une lumière parallèle est équivalente à une lumière ponctuelle avec une source à l'infini. Si le faisceau est légèrement divergent, c'est comme une source ponctuelle éloignée. C'est justement tout ce qu'il nous fallait! Une source ponctuelle et une loupe nous permet donc de faire comme j'ai fait avec mon lampadaire, sauf que la source de lumière n'a pas besoin d'être loin.

Dans le montage ci-dessus, la lumière (en rouge) vient de la lampe ponctuelle, puis passe dans la loupe et en sort légèrement divergente. Mais c'est comme si on avait mis une source ponctuelle très peu divergente à une distance D qui emprunterait le chemin rose. C'est comme un montage de 10 mètres qui tient dans cinquante centimètres.

Si vous utilisez le soleil comme source, puis un trou, vous avez naturellement une lumière peu divergente, et vous n'avez pas besoin de tout cet attirail, mais si vous avez une source ponctuelle trop divergente, ceci est un bon remède.

Le problème que l'on a avec cette solution est que la taille de la zone d'observation est en gros la dimension de la loupe. Si le faisceau diverge, on peut avoir une zone un peu plus grande, mais l'image qui sera projetée sera encore plus grande. Je vous laisse revoir la strioscopie à zéro balle pour utiliser ces sources.

 

Avec une lentille

Le but de mettre une lentille convergente (ou un miroir parabolique) est de pouvoir supprimer totalement la lumière qui n'est pas déviée. Je vais en donner le principe, mais les essais que j'ai faits ne sont pas vraiment concluants; j'ai l'impression que c'est cher, compliqué pour un résultat qui n'en vaut pas vraiment la peine. En plus si on veut une surface d'observation importante, il faut au moins une lentille de cette dimension. Pour que cela fonctionne il faut aussi un système d'optique de très bonne qualité, donc cher ou difficilement récupérable. La source lumineuse est soit une source ponctuelle (vraie source loin, faisceau très légèrement divergent) ou un faisceau parallèle.

Le principe est de faire converger tous les rayons lumineux en un point et de mettre en ce point un obstacle. Les rayons qui ne sont pas déviés vont s'arrêter sur l'obstacle; les rayons qui ont été déviés vont du coup passer à côté de cet obstacle et vont donc traverser. On a ainsi une image composée que de rayons déviés.

On dispose d'un faisceau parallèle ou peu divergent dans lequel on place un objet. Au point A ou convergent tous les rayons lumineux (foyer si la lumière est parallèle) on place une pastille ou tout autre objet ne laissant pas passer la lumière. Du coup tous les rayons qui ne sont pas déviés sont éliminés.

Les rayons qui vont être déviés (en rose) ne passeront pas par la pastille et se retrouveront sur l'écran. Pour peu que l'on ait placé à la bonne distance l'écran, on va avoir l'image des perturbations.

En vert, j'ai représenté les rayons issus de la bougie qui vont former l'image (à l'envers) sur l'écran. C'est ainsi que l'on peut positionner correctement l'écran (point à vérifier!).

Pour les réglages:
- ne pas mettre la lumière parallèle, allumer la bougie et placer la lentille pour avoir une image nette.
- ne pas mettre la bougie et mettre la lumière parallèle. Déplacer la pastille pour avoir le noir sur l'écran. Personnellement, j'ai utilisé un fil électrique dans un plan perpendiculaire à l'axe. On a besoin d'une cache de la taille proche de la source ponctuelle, mais il faut maintenir cette pastille. Il y aura donc un fil quelque part. En utilisant un fil de 1.5 mm j'ai à la fois le support et le cache. Si le fil est trop près ou trop loin, la lumière passe des deux côtés. Si il est trop d'un côté ou de l'autre, la lumière passe d'un côté. Le réglage est parfait si l'écran est noir.

Quelques remarques:
- On parle parfois de couteau de Foucault parce l'on enlève les faisceaux non déviés comme on le fait quand on polit soi-même des miroirs. Mais dans ce cas c'est bien un couteau rectiligne car la source est une fente, ce qui n'est pas notre cas. Ici il faut utiliser une "pastille de Foucault".
- La forme de la pastille n'a pas vraiment d'importance, mais plus elle est grande, plus elle va stopper les rayons faiblement déviés.
- Les déviations étant faibles, avec une bougie, il faut au moins 50 cm de focale, sinon les rayons déviées passeront dans la pastille. Avec une focale plus grande, on a des chances que les faisceaux déviés passe à côté (Au début j'avais pris une lentille trop convergente et je ne voyais rien).
- Si la source est légèrement divergente, tout se passe pareil, la pastille sera à repousser quelque peu.

Quand il y a un truc en moins mais ça marche quand même:
- La pastille n'y est pas, mais on voit l'image: normal, l'image est formée par les rayons déviés qui sont présents. Par contre l'image ne sera pas de fond noir.
- J'ai bien une image même quand je ne mets pas ni la pastille ni la lentille: on se retrouve dans la situation type à "zéro euro". Je vous avais prévenu, beaucoup d'énergie et beaucoup de problèmes pour avoir un fond noir.
- On voit moins bien avec un fond noir: je suis d'accord! C'est peut être pour cela que je n'ai pas vu sur internet des images de type "fond noir".

 

Avec un miroir concave

Heu, pas celui de droite, il est de ceux qu'on vexe. Pour l'instant je vais faire comme si mon miroir était sphérique.

Une première remarque: entre un miroir concave et une lentille, c'est pareil, sauf que dans le cas de la lentille, la lumière ressort de l'autre côté. Mais les propriétés de convergence des faisceaux lumineux sont semblables.

Le montage de base est le suivant:

On place une source ponctuelle dirigée vers un miroir concave (à droite) lequel renvoie la lumière vers un écran (tout à gauche). La source est placée légèrement en dessous du centre (j'entends par là le centre de la sphère qui est situé à une distance f du miroir; je devrais d'ailleurs parler de rayon!). L'ensemble des faisceaux issus de la source vont se condenser au point A (symétriquement à la source par rapport au centre). le point A et la source sont supposés assez proche pour que l'on puisse faire cette approximation. Au point A, on place la pastille de Foucault. Les rayons non déviés (en rouge) vont donc de nouveau s'arrêter sur la pastille. Les rayons légèrement déviés vont passer à côté de la pastille et se projetteront sur l'écran.

Pour trouver le centre, c'est simple, il faut mettre le miroir concave près de la source et l'éloigner. L'image de la source se forme dessus (on essayera de la mettre juste à côté). Au fur et à mesure l'image de la source diminue, et c'est quand elle est la plus petite que le réglage est trouvé.

Pour faire ce montage, il faut récupérer un miroir concave avec une focale importante; c'est en principe le cas pour ces miroirs qui servent dans les télescopes. Je n'ai pas vraiment pu faire l'essai car ma source ponctuelle envoie tellement de lumière dans toutes les autres directions que je ne pourais rien voir sur l'écran.

Petit jeu: enlevez la source ponctuelle, la pastille de Foucault, l'écran et regardez le miroir en vous plaçant au centre du miroir.
Normalement vous ne devez voir dans le miroir que du noir, car toute la lumière que vous pouvez observer (qui donc passe par le centre) vient du centre, c'est à dire de l'oeil. Mais comme vous n'êtes pas une lumière (je parle au sens propre bien sûr!), aucune lumière ne part et donc aucune lumière ne revient. Même en plein jour.
Mais si une source de chaleur est présente, des rayons sont déviés et vous voyez la lumière qui est proche de votre oeil. En principe c'est la paupière qui est claire, et du coup une image apparaît.

Pour mieux "voir", prenez une feuille avec un trou d'un centimètre, placé au centre et regardez. Vous verrez peut être mieux car le contraste entre le fond de l'oeil et le papier blanc est important. Pour améliorer les choses, au lieu de se placer en lumière ambiante, éclairez le papier (en travers pour ne pas prendre la lumière dans la figure). Avec ce "montage", on supprime la lumière non déviée ET la lumière ambiante.

Mais parlons un peu du miroir: sphérique ou parabolique?

Un bon croquis venant de Laurent Koechlin vaut mieux qu'un long discours:

Je pense que c'est assez clair, et on va aller vers une conclusion simple: il vaut mieux pour faire de la strioscopie un miroir sphérique. Si on récupère un miroir concave d'un télescope qui a une bonne qualité, il est parabolique! Et si vous en voulez un, il existe des "miroirs grossissants" pour se maquiller qui sont certainement sphériques, mais de qualité douteuse. Quand je pense qu'il y en a qui se font suer pour avoir la forme parabolique...

Maintenant je suis persuadé que pour la strioscopie cela soit vraiment important.

 

Conclusion

Je reste persuadé que ce qu'il y a de mieux est une lumière ponctuelle et un écran ou bien un simple miroir même parabolique. Je suis aussi persuadé que ceux qui ont fait des montages compliqués permettant de supprimer la lumière non déviée n'ont pas fait correctement les choses, et que les images obtenues pourraient être les mêmes en supprimant tout ce qui ne sert à rien.


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