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Physik im Alltag und Naturphänomene, Rubriken: "Spielwiese" und "Blickwinkel"

Optische Tropfenexplosion

TropfenexplosionRvSchlichting, H. Joachim. In: Physik in unserer Zeit 43/5 (2012) 254.

Durch die Sonne oder ein Blitzlicht erleuchtete  Tröpfchen auf einer Fensterscheibe scheinen sich strahlenförmig nach außen zu orientieren.

Wie eine lautlose Explosion scheinen die Wassertropfen auf dem Fenster radial nach außen zu streben, obwohl sie nach einem Regenguss statistisch verteilt an der Scheibe hängen und ihrer baldigen Verdunstung entgegensehen. Und das alles nur, weil sie mit dem Blitzlicht (Abbildung 1) oder von der Sonne (Abbildung 3) von außen beleuchtet werden.
Wie kommt es zu diesem merkwürdigen Phänomen?
Die Ursache liegt nicht nur in den Tropfen auf der äußeren Scheibe, sondern tiefer – auf der inneren Scheibe des isolierverglasten Fensters. Denn auf dieser werden sie (vor dem Hintergrund des dunkleren Zimmers) spiegelnd reflektiert. Zwischen den realen und gespiegelten Tropfen besteht über das Reflexionsgesetzt eine Korrelation: man sieht Paare aus Tropfen und iTropfenexplosion Skizzehren Spiegelbildern.
Die Spiegelbilder werden vom Auge oder von der Kamera der größeren Entfernung entsprechend unter einem etwas kleineren Winkel gesehen und scheinen daher auf einer gedachten Linie vom Tropfen zum Auge/zur Kamera nach innen verschoben. Die Spiegelbilder der Tropfen kann man bei genauerem Hinsehen sogar daran erkennen, dass sie dem größeren Abstand entsprechend kleiner erscheinen (2 x Scheibenabstand: da das Spiegelbild genauso weit hinter dem Spiegel liegt wie der Gegenstand davor). Der jeweilige Abstand zwischen einem Tropfen und dessen Spiegelbild ist umso größer, je weiter der Tropfen außen liegt, d.h. unter je größerem Winkel er gesehen wird (Abb. 2)
Die strenge Korrelation zwischen den auf der gedachten Linie zur Kamera hin liegenden Tropfen und deren Spiegelbilder führt unwillkürlich dazu, dass man die gespiegelten Tropfen auf dieselbe Ebene projiziert sieht und  erzeugt dadurch noch verstärkt die Illusion dass sie radial zum Zentrum (Auge/Kamera) hin oder vom Zentrum weg orientiert sind.
Bleibt die Frage, warum die Tropfen wie kleine selbstleuchtende Punkte erscheinen. Das Licht der Sonne oder des Blitzlichts wird zu einem  Teil von der Scheibe reflektiert. Allerdings kommt davon nur senkrecht auftreffendes Licht zum Auge oder zur Kamera. Bei der Kamera sieht man das durch den hellen Fleck im Zentrum der Aufnahme. Das nicht senkrecht auftreffende Licht wird hingegen so reflektiert, dass es nicht zum Auge oder zur Kamera gelangt.
Bei den Tropfen ist es anders. Sie haben eine quasi sphärische Form und reflektieren ähnlich wie ein Wölbspiegel einen Teil des auftreffenden Lichts ins Auge bzw. in die Kamera. Das gilt auch für die gespiegelten Tropfen. Demnach sind alle Tropfen hinreichend illuminiert, um den perspektivischen Effekt deutlich sichtbar werden zu lassen.

PDF: Optische Tropfenexplosion

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