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Monatsrätsel, Physik im Alltag und Naturphänomene

Rätselfoto des Monats April 2017

Zu gestern: April, April!

Und hier kommt das echte Rätselfoto des Monats:

Frage: Wie kommt es zu der Abbildung an der Wand?

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Frage: Wie kommt es zu derartigen Waschbrettmustern auf Wegen und Straßen?

Antwort: Am besten schaut man sich eine nur notdürftig ausgebesserte Nebenstraße an, deren Löcher zunächst geteert und dann mit einer recht dicken Splittschicht bedeckt werden. Die ersten passierenden Fahrzeuge, so könnte man erwarten, walzen den Splitt nieder und sorgen dafür, dass er sich mit dem Untergrund verbindet. Teilweise geschieht das sogar. Aber außerdem beginnt sich schon nach rund ca. 10 Überfahrten eine Waschbrettpiste zu entwickeln.
Ausgangspunkt des Effekts ist offenbar eine zufällige kleine Erhöhung im Granulat. Sie hebt die Räder der darüberfahrenden Fahrzeuge zunächst etwas an, so dass diese anschließend auf den Untergrund zurückfallen und dabei nach einigen Überfahrten eine Delle erzeugen. Deren Flanke wirkt dann wie eine kleine Rampe, auf der nachfolgende Räder nach oben beschleunigt werden, um abermals mit Wucht in der Granulatschicht zu landen – diesmal allerdings eine »Wellenlänge« weiter vorn. Wieder entsteht nach einigen Überfahrten eine Delle und so weiter. Die anfänglich kleine Vertiefung vervielfältigt sich also allmählich und überzieht schon bald den ganzen ausgebesserten Bereich. Eine kleine Ursache führt in diesem Fall zu einer großen Wirkung – und das geradezu zwangsläufig.
Straßenbauingenieure wissen seit Langem, dass unbefestigte Straßen zur Ausbildung eines nichtlinearen Profils neigen und sich ein Waschbrettmuster immer dann bilden kann, wenn die Fahrzeuge schneller als etwa vier Kilometer pro Stunde fahren – was praktisch stets der Fall ist. Was fehlt, ist allerdings weiterhin eine Theorie, die beispielsweise die Abhängigkeit der Musterbildung vom Gewicht der Fahrzeuge, der Größe ihrer Räder, der Beschaffenheit des Granulats und so weiter vorherzusagen vermag. Eine französische Forschergruppe um Nicolas Taberlet von der École normale supérieure de Lyon hat sich daher experimentell und mit Hilfe von Computersimulationen mit dem Problem befasst. Sie wollten zunächst das einfachste System verstehen lernen, welches in der Lage ist, ein Waschbrettmuster hervorzubringen. Zu diesem Zweck konstruierten die Forscher ein mechanisches Modell, das im Wesentlichen aus einem mit Sand gefüllten Drehteller besteht, an dessen Rand ein Rad unter seinem Eigengewicht über den Sand rollt (siehe Skizze linke Seite). Solange es die Geschwindigkeit von 5,4 Kilometer pro Stunde nicht überschritt, blieb die Oberfläche glatt. Erst bei höherem Tempo und auch erst nach vielen Passagen des Rads bildet sich zunächst ein einzelner Rippel, von dem dann relativ schnell weitere in Vorwärtsrichtung ausgingen, bis sie schließlich entlang des gesamten Tellerrands ein periodisches Muster im Sand hinterließen.
Mit diesem Modell konnten die Physiker unter anderem zeigen, dass die Waschbrettmuster weder von der mittleren Größe der Granulatteilchen noch vom Durchmesser des Rads abhängen. Nur dessen Eigengewicht macht sich bemerkbar: Je schwerer das Rad, desto stärker wächst die Amplitude des periodischen Wellenmusters und nimmt die Wellenlänge ab. Eine umfassende Theorie, die das Phänomen quantitativ beschreibt, lässt aber weiterhin auf sich warten.

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Diskussionen

4 Gedanken zu “Rätselfoto des Monats April 2017

  1. Sonnenlicht tritt durchs Fenster. Nahe des Fenster steht eine Person- das Schattenbild wird auf den Boden abgebildet, das wiederum von der hellen Wand vertikal reflektiert wird.

    Verfasst von Malabar | 3. April 2017, 21:41
    • Danke für die schnelle Antwort. Ohne die Lösung vorwegzunehmen – sie wird ja wie gewöhnlich zu Beginn des nächsten Monats gegeben – möchte ich zu bedenken geben, dass bei diesem Phänomen zwischen spiegelnder und diffuser Reflexion (Streuung) sorgfältig unterschieden werden muss. Eine Frage ist beispielsweise, ob das Phänomen bei jeder Art von Boden und Wand auftreten würde.

      Verfasst von Joachim Schlichting | 3. April 2017, 21:51
  2. Natürlich spielt die Sonnen Lichtstärke und die Distanz zwischen Fenster und Boden und die Distanz zur Wand eine entscheidende Rolle, ob man diese Abbilder so wie auf dem Foto, sehen kann.
    Vorallem die Boden und Wand reflektierfähigkeit ist entscheidend. Schwarzer Grund oder ein Teppich auf dem Boden sind erschwerende Faktoren dass sich das Licht reflektierten kann.

    Verfasst von Malabar | 3. April 2017, 22:22

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