彩色花纹背后的秘密

 兴华传媒-刘晓卉  实验

图1:塑料刀叉上的美丽条纹

如果我把这样的图装进画框,挂在墙上,你会不会觉得这是后现代派的油画?或者认为这些流离的彩色花纹是电脑PS出的“特效”?不,我要告诉你的是,这些色彩背后,都是如假包换的科学。
数学往往可以给出精确的结果,但是有很多时候,解析过程太过繁琐,直观的图像可以给你直接的答案。举个例子想一想,你用两只手捏住一根直尺的两端,然后轻轻折一下。请问,现在尺子内部的应力分布是什么样子?(应力就是材料对外力作用的反应,通常表现为形变,单位和压强一样)。当然,可以套上力矩、弹性模量的公式来算,但是它只会给你一个极其复杂的表达方式。然而大家都会有种直观的感觉,那就是肯定在弯曲的地方的应力最大,两侧最小。那么如果不是一只直尺,而是个更加复杂的物体呢?有没有什么东西可以跳过繁琐的数学公式,给人以直观的“感觉”呢?当然有。光弹性法就是一个很好的例子。

双折射与光弹性

光弹性是一些材料的一种有趣的性质,在某些材料中,外力作用可以改变其内部的光学性质。

很多介质都是各个方向都性质均一,但是也有一些介质,具有双折射现象,也就是说光经过介质时会产生两个方向的折射光。例如,方解石(碳酸钙)是一种常见的矿物,钟乳石、石灰岩中的主要成分,透明的方解石晶体就是一个双折射晶体,如图所示,经过方解石经常可以看到物体的“重影”。

图2:方解石是双折射晶体,透过方解石可以看到物体的双重影像

光弹性指的是在外力的作用下,将各向同性的材料变成瞬时的双折射材料,可表现出直观的光学图像变化这样一种特点。典型的光弹性实验是利用具有这种双折射效应的透明塑料制成模型,给模型加上载荷,然后射入线偏振光(光是一种电磁波,通常光源下(如太阳光),电场的振动方向是在各个方向上均匀分布的。当电场振动方向只限于某一固定方向时,就变成为线偏振光),这种塑料在应力改变的时候会改变它两个方向折射光的折射率。随着塑料各处应力的不同,对应地方的光学性质也不相同。因此会在模型上显示为干涉条纹。定性的观测或者定量的测量干涉条纹,就可以推导出结构模型在压力外场下的应力状态。回头再来看图1,是不是很容易从这些直观的彩色条纹中看出塑料餐具棱角、拐弯处应力比其他地方更大?下图显示了量角器的光弹性条纹。

光弹性实验最初是1930年左右由E.G.科克尔和L.N.G.菲伦提出的,那时他们用这种方法研究桥梁结构等的应力分布。40年代,M.M. 弗罗赫特对光弹性的基本原理、测量方法和模型制造等方面的问题,作了全面系统的总结,从而使光弹性法在工程上获得广泛的应用。现在的光弹性实验已经很成熟:利用直观的光弹性法可以研究物体在不同几何形状和各种复杂的外界压力作用下的应力分布,同时也可以跟踪分析一些裂缝、缺陷的动态变化。对于很多力学研究和工业、制造业都有很重要的意义。

图3:量角器的光弹性条纹

眼见为实

说了这么多,看着这么漂亮的“科学”,你是否也心动了呢?怎样才能亲眼看看这种光弹性条纹呢?其实很简单!
一把普通的手电筒,一幅偏振片的眼镜(或者看3维电影的眼镜),再取个透明塑料管或者透明量角器,塑料纸什么的,就可以了。

图4:左:笔者的“光弹性”实验简易装备(手电筒、偏振眼镜片、透明塑料管、量角器);右:观察到的塑料管上的干涉条纹(——透明的东西照相的时候实在太难对焦了……)

用偏振片眼镜挡住手电筒,然后让出来的光打在塑料管或者塑料纸上,拧或者拉一下塑料,彩色的条纹立马就出来了。或者直接观察透明的量角器或者塑料尺,在边角应力较大的地方就可以看到彩色条纹了!

注释:

线偏振光:光是一种电磁波,通常光源下(如太阳光),电场的振动方向是在各个方向上均匀分布的。当电场振动方向只限于某一固定方向时,就变成为线偏振光。

【兴华科学教育网编辑注】

偏振片的获取:如果没有现成的偏振片眼镜片,可以找一块废弃的液晶屏(比如手机的显示屏),然后想法将屏幕正反各一片塑料片(偏振片)揭下代替。

改良后的观看方法:本文作者提供的方法虽然能看见彩色条纹,但颜色较淡,很难看到文中图片之中的艳丽色彩。其实最简单的方法是把您家里的透明塑料三角板或量角器夹在两片偏振片之间,这时根本不需要借助任何其它东西,只要对着光亮处您就能看见艳丽的花纹了。您还可以在中间夹玻璃纸(包装香烟的那层透明纸或我们常用的透明胶带等),并将玻璃纸随意折叠成几层再看,相信会更艳丽多姿,看的时候您还可以转动玻璃纸或偏振片看看效果有什么不同。如果中间夹一张塑料纸(从普通透明塑料袋上剪一块)则几乎看不到彩色图案,但一旦先把塑料纸拼命地拉伸一下再看,也能看到那彩色图案。若要晚上进行观察,则应该对着灯光看。如果您有兴趣,不妨多找一些透明的材料来实验,看哪些会产生艳丽的彩色花纹,哪些不会产生。

顺便说一句,液晶显示屏幕发出的是偏振光,因此可以在发光的液晶屏前放塑料三角板等材料,再用眼通过偏振片看三角板等材料就能看到艳丽的花纹了。这样可以节约一片偏振片,效果也非常好。

相关资源:

《有趣的偏振光》

《偏振万花筒》

《美国科学家用光和冰绘出与众不同的画作》

作者:水龙吟 文章来源:科学松鼠会

责编:刘剑锋

整理:兴华传媒-刘晓卉

原文见:《彩色花纹背后的秘密》

 

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