Ударная волна - резкий скачок уплотнения воздуха, распространяющийся со сверхзвуковой скоростью. Если звук обычного разговора порождает изменения давления воздуха в миллионные доли атмосферы, то для ударной волны этот показатель может достигать нескольких атмосфер. Столь резкое увеличение давления меняет оптические свойства воздуха, в результате чего световые лучи отклоняются, так что волну можно сфотографировать. Как самостоятельное явление ударные волны впервые описаны австрийским физиком Эрнстом Махом. Им же получены первые изображения пуль, летящих со сверхзвуковой скоростью (1880-е годы).
В середине XIX века немецкий ученый Август Тёплер наблюдал электрические разряды и расходящиеся от них ударные волны. В разработанной им установке свет от точечного или щелевого источника фокусирует ся на самом краю непрозрачной заслонки, так называемого оптического ножа Фуко. Если в воздухе между двумя линзами нет оптических неоднородностей, экран позади заслонки остается равномерно слабо освещенным. Но если в прозрачном воздухе есть какие-то зоны с другой плотностью и потому с другим коэффициентом преломления, часть лучей пройдет выше края непрозрачной ширмы или, наоборот, задержится ею. На экране возникнут соответственно более светлые и более темные области. Этот новый метод фотографии, позволяющий воочию увидеть ударные волны, Тёплер назвал "шлирен-методом" от немецкого слова "Schliere", означающего оптическую неоднородность (свиль) в стекле. Сейчас чаще говорят о теневом методе фотосъемки. Однако на такой установке можно изучать ударные волны лишь небольшого масштаба, например от летящей пули или от искрового разряда.
В новой шлирен-системе (см. рисунок), разработанной в университете штата Пенсильвания, источником света служит большая решетка из горизонтально размещенных зеркальных полос. На нее светит мощная лампа-вспышка, и отраженный от зеркальной решетки свет через объектив подается на отсекающую решетку. Она играет роль ножа Фуко. Это "негатив" зеркальной решетки-источника (каждой отражающей полосе соответствует непрозрачная). Пока в пространстве между двумя решетками ничего не происходит, экран, на который объективом проецируется их изображение, остается темным. Если же оптические свойства воздуха между решеткой-источником и объективом меняются, то часть лучей отклоняется и проходит сквозь отсекающую решетку, формируя изображение.
Таким образом, эта разработка освободила теневой метод съемки от строго "настольного", лабораторного применения. В результате обнаружилось множество задач, при решении которых данные методы прежде не использовались, но где без них, как оказалось, не обойтись. Так, при изучении обломков самолета, упавшего в результате взрыва бомбы на борту, возникло предположение о нескольких зарядах. Однако бомба была одна, просто ударные волны отражались от внутренних поверхностей и рвали обшивку в разных местах. Теперь движение волн по модели самолета можно наблюдать воочию. Эти кадры могут подсказать конструкторам, как упрочнить самолет на случай терактов. То же касается строителей и архитекторов (например, при изучении последствий взрывов внутри зданий и причин обрушения сооружений). А еще крупномасштабный шлирен-метод пригодится в материаловедении, в судебной баллистике, да мало ли где еще. На подходе камеры с еще более высоким разрешением и со скоростью съемки до миллиона кадров в секунду. Возможности для совершенствования таких систем далеко не исчерпаны.
