Pramínek vody jako optické vlákno

5. září 2012 | 06.00 |
› 

Když v polovině 19. století prováděl John Tyndall pokusy s vedením slunečního světla trubicí s vodou procházející přes střechu domu netušil, že na podobném principu budeme dnes využívat optická vlákna. Skutečné optické vlákno ve svých experimentech použil v roce 1952 Narinder Singh Kapany, ale vlákna se skleněným jádrem a pláštěm vyvinuli v roce 1956 na Michiganské Univerzitě  Basil Hirschowitz, C. Wilbur Peters, a Lawrence E. Curtiss, když pomocí nich sestavili první gastroendoskop - optický přístroj pro zobrazení vnitřních dutin. Jednoduchou simulaci principu optického vlákna lze provést s pomocí láhve naplněné vodou a laserového ukazovátka.

Do plastové láhve propálíme rozžhaveným hřebíčkem otvor asi 5 cm nade dnem. Láhev naplníme vodou a uzavřeme uzávěrem, aby z ní voda nevytékala, dokud nemáme pod otvorem připravenou vhodnou misku. Laserové ukazovátko dobře upevníme tak, aby svítilo vodorovně skrz láhev a přesně osvětlovalo výtokový otvor. Za otvorem umístíme jako stínítko bílý papír, abychom pozorovali, že paprsek prochází přímo láhví i vodou.

Voda vytéká z láhve v pramínku, který má tvar části paraboly. Jde vlastně o modelování vodorovného vrhu. Posvítíme-li zezadu do pramene laserovým ukazovátkem, bude pramínek vést světlo stejně jako optické vlákno. Tento jev nastane pouze při dostatečně malém zakřivení paraboly.

Jeho fyzikálním principem je úplný (totální) odraz světla.  Prochází-li světlo z prostředí opticky hustšího (voda) do opticky řidšího prostředí (vzduch) nastává lom světla od kolmice. Při zvětšujícím se úhlu dopadu narůstá i úhel lomu. Existuje však maximální úhel dopadu, zvaný  mezní úhel, při kterém nabývá také úhel lomu maximální velikosti (90°) a lomený paprsek splývá s rozhraním obou optických prostředí – leží ve stejné rovině.  Když je úhel dopadu větší než mezní úhel, k lomu světla nedochází a nastává úplný odraz světla – všechno světlo se odrazí zpět do vody, kterou takto po celém proudu vodního paprsku neopustí. Proto se paprsek světla "ohýbá" spolu s proudem vody. Při přílišném zakřivení vodního proudu pominou podmínky úplného odrazu a světlo opustí vodní proud. Dochází také k částečnému rozptylu světla uvnitř proudu vody díky jejímu nerovnému povrchu.

Pramen vody se tedy chová stejně jako optické vlákno. Světlo se v prameni odráží jen tehdy, je-li pramen dostatečně málo ohnutý, poté dochází k úplnému odrazu světla a paprsek se udrží uvnitř pramene. Zakřivení pramene (části paraboly) však roste s klesající výtokovou rychlostí. Tato rychlost závisí na výšce hladiny vody v láhvi. Proto můžeme pomocí hadičky napojené k vodovodu zajistit stabilní přítok vody do plastové láhve.

Ve skutečnosti nemá vodní pramínek přesně parabolický tvar – jeho okraje bývají "roztřepeny" a v důsledku toho nevede pramínek světlo na příliš velkou vzdálenost.

Zpět na hlavní stranu blogu

Hodnocení

1 · 2 · 3 · 4 · 5
známka: 1 (2x)
známkování jako ve škole: 1 = nejlepší, 5 = nejhorší

Komentáře