Soczewka Fresnela: do czego służy?

Wiemy doskonale, że ogień można rozpalić ogień z użyciem soczewki, skupiając w jednym miejscu promienie słoneczne. W sprzyjających warunkach można to zrobić nawet kawałkiem wypolerowanej bryły lodu o odpowiednim kształcie.

Szklane soczewki są jednak dość duże, ciężkie i wrażliwe na uszkodzenia. W zestawach przetrwania umieszcza się raczej soczewki Fresnela. Są małe, lekkie, tanie, a do tego elastyczne i z tego względu dość odporne na niedelikatne obchodzenie się z nimi.

Ale do czego one w ogóle służą i czy warto taką soczewkę kupić i mieć? Dlaczego nosi ona takie nazwy jak soczewka pierścieniowa czy soczewka schodkowa? O tym napiszemy w niniejszym materiale.

Płaska soczewka Fresnela

Może na początek zacznijmy od tego, co to w ogóle jest ta soczewka Fresnela. Nazwa, jak to często bywa, pochodzi od nazwiska osoby, która je spopularyzowała, choć nie od wynalazcy. Pierwszy raz skonstruował ją Francuz, Augustin-Jean Fresnel w 1822, choć przyznał też potem, że kilkadziesiąt lat wcześniej opisał ją w swoim dziele jego rodak, Georges-Louis Leclerc de Buffon.

Konstrukcja jest banalna. Można ją sobie wyobrazić jako przecięcie soczewki o tradycyjnym kształcie w serię coraz większych koncentrycznych pierścieni będących odpowiednikiem kolejnych zwykłej soczewki. Mamy więc do czynienia z tak jakby pocienionymi fragmentami soczewki o zwykłym kształcie, czyli wypukłej.

Koncentryczne pierścienie załamują promienie słoneczne tak, jak robiłaby to zwykła soczewka. Pierścienie blisko środka soczewki mają prawie płaski kształt (są nachylone pod niewielkim kątem). Zewnętrzne pierścienie wykonuje się tak, aby były nachylone pod kątem większym, żeby w większym stopniu odkształcały wiązki światła.

Inne nazwy tej soczewki to m.in. soczewka pierścieniowa czy soczewka schodkowa. Wprawdzie mając do czynienia z małą soczewką Fresnela nie zauważymy żadnych schodków (trudno będzie więc nam zobaczyć, że rzeczywiście jest to soczewka schodkowa), to widać to od razu, gdy się popatrzy na większe soczewki Fresnela (o nich będzie za moment).

Idea działania soczewki Fresnela

Jak wspomnieliśmy, soczewką Fresnela nazywana jest soczewka schodkowa o odpowiednio dobranych promieniach krzywizny pierścieni. Aby lepiej zrozumieć jak specyficzna jest konstrukcja soczewki Fresnela, proponuję takie oto porównanie działania zwykłej soczewki oraz tej płaskiej, Fresnela.

Przyjmijmy, że obie soczewki lewitują sobie płasko 30 cm nad stołem, a nieskończenie wysoko nad nimi znajduje się źródło światła. Wiązki światła padające na soczewki są skupiane idealnie w jednym punkcie na stole.

Zwykła, gruba soczewka, jak wiemy, odchyla (zakrzywia) w największym stopniu przebieg wiązki światła blisko krawędzi. Promienie światła przechodzące przez jej środek w ogóle nie są zakrzywiane. Można powiedzieć, że powierzchnia szkła na środku jest równoległa z powierzchnią płaskiego stołu. Im dalej od krawędzi, tym bardziej powierzchnia szkła soczewki będzie odchylona od płaszczyzny stołu.

Soczewka pierścieniowa działa identycznie. Zewnętrzne pierścienie wykonuje się tak, by najmocniej zakrzywiały przebieg promieni światła. One są więc odchylone najbardziej od płaszczyzny stołu (i płaszczyzny soczewki Fresnela). Gdy zaś przyjrzymy się kształtowi koncentrycznych pierścieni będących coraz bliżej jej środka, zauważymy, że są coraz mniej odchylone.

A zatem możemy przyjąć, że soczewka Fresnela, soczewka fresnela, jest najzwyczajniej w świecie zbiorem koncentrycznych pierścieni będących po prostu pocienionymi fragmentami soczewki. Takiej zwyczajnej soczewki wypukłej, jaką znamy z lekcji fizyki w podstawówce. Kształt i ułożenie pierścieni zapewnia skierowanie światła do ogniska, punktu, w którym są one skupiane.

Materiały stosowane do wytwarzania soczewek

W dużej skali stosuje się oczywiście różnego rodzaju szkło. Tego typu soczewka znajduje zastosowanie między innymi w dużych reflektorach, na przykład w latarniach morskich.

Mniejsze soczewki Fresnela wykonuje się oczywiście z tworzyw sztucznych. To zapewnia niewielki ciężar, elastyczność i odporność na nieostrożne obchodzenie się z soczewką. Jest ona jednak narażona na zarysowania, dlatego zazwyczaj sprzedawane są one z plastikowym etui do przenoszenia.

Zastosowanie soczewek Fresnela

Wielu z nas zetknęło się z taką soczewką w rzutnikach do folii, wykorzystywanych jeszcze niedawno przez wykładowców akademickich. To właśnie ta powierzchnia, na której umieszczało się folię, miała w sobie koncentryczne pierścienie. 

Takie soczewki można też znaleźć w starych telewizorach z płaskim ekranem. Tych, które swoją budową przypominają szafkę. Działały one na kompletnie innej zasadzie niż dzisiejsze ekrany plazmowe czy LCD i do ich działania potrzebna była właśnie płaska soczewka Fresnela. 

W większych zastosowaniach z soczewką Fresnela można spotkać się w reflektorach i latarniach morskich.

Z perspektywy survivalu, soczewka Fresnela przyda się głównie do rozpalania ognia. Ale małe tego typu soczewki wykorzystywane są powszechnie też do czytania, tj. do powiększania małych liter, na przykład drobnego druku na etykietach produktów spożywczych.

Dostępna w naszym sklepie miniaturowa soczewka Fresnela mieści się w portfelu i pozwala powiększyć małe obiekty, ale także rozpalić ogień, rzecz jasna przy odpowiednio dobrej pogodzie...