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Marginalia, Physik im Alltag und Naturphänomene

Eine Eisstruktur, fragil und prekär

eisstruktur_dsc08525rvEs kaum zu glauben, obwohl dieselben physikalischen Gesetze gelten, zeigen sich im Kleinen oft sehr ungewohnte Strukturen. Dieses Foto wurde nach einigen Tau- Gefrierzyklen auf einem Acker aufgenommen; die Kamera wurde senkrecht auf den Boden gerichtet.
Weil die Umgebungstemperatur (Luft und Boden) unter Null Grad Celsius liegt und gleichzeitig die Sonne scheint vergrößern sich sehr schnell die zunächst nur winzigen, kaum durch die Schneedecke hindurch schimmernden schneefreien Stellen. Denn anders als die schneebedeckten Bereiche, die das Licht kaum absorbieren und zum großen Teil reflektieren, nimmt der dunkle Boden – man möchte fast sagen: begierig – alle Sonnenstrahlen auf und verwandelt sie in thermische Energie, die sich in einer deutlichen Temperaturerhöhung zeigt. Die Schneereste über diesen Stellen sind anschließend der von den erwärmten Erdschichten aufsteigenden Luft ausgesetzt. Dadurch wird der Schnee teilweise geschmolzen. Ein Teil des Schmelzwassers tropft ab, ein Teil durchsetzt die Kapillare des porösen Schnees, der dabei Wärme abgibt und mit dem Wasser zusammenfriert. Letzteres passiert insbesondere in der folgenden Nacht, wenn der Energieeintrag der Sonne ausbleibt. Auf diese Weise entsteht schließlich eine kompakte, gläserne Eisstruktur, die oft waghalsig weit über den ursprünglich vollständig von Schnee überbrückten Hohlraum im Acker hinausreicht.
Schaut man sich den dünnen „Hals“ des gläsernen Monsters an, so staunt man vielleicht darüber, dass der vergleichsweise große „Kopf“ durch ihn getragen werden kann. Dieses Erstaunen resultiert aber hauptsächlich daraus, dass unsere Anschauung über die Tragfähigkeit von Strukturen in anderen Größenordnungen ausgebildet wird. Das hier zu sehende Gebilde ist aber nur etwa 10 cm lang und das ist entscheidend. (Wer wissen will warum, kann die etwas knifflige Argumentation weiter unten lesen).

 


Dass der Unterschied in der Größenordnung eine wesentliche Rolle spielt, kann man sich folgendermaßen veranschaulichen: Die Tragfähigkeit des Halses (Biegekraft des Kopfes auf den Hals) ist proportional zur Querschnittsfläche des Halses. Sie variiert ungefähr mit dem Quadrat der Größe des Monsters. Das Volumen und damit die Masse des Kopfes variieren aber mit der Größe hoch drei. Wenn wir uns nun vorstellen, dass das Gebilde linear (unter Beibehaltung der Proportionen) um den Faktor 10 vergrößert wird und damit etwa im uns vertrauteren Meterbereich angesiedelt wäre, so nimmt die Querschnittsfläche des Halses um den Faktor 10 mal 10 = 100 zu. Das Volumen des Kopfes wächst aber mit dem Faktor 10 mal 10 mal 10 = 1000. Wenn man davon ausgeht, dass die Querschnittfläche gerade ausreichend war, den Kopf des Monsters zu tragen, wird bei einem 10 mal größeren Gebilde die Querschnittsfläche um den Faktor 10 zu klein sein, denn es muss ein 10 mal größeres Volumen tragen. Daher sind Hälse umso plumper, je größer die Geschöpfe.

Diskussionen

13 Gedanken zu “Eine Eisstruktur, fragil und prekär

  1. Warum schafft es kaum ein Physiklehrer, sowas zu vermitteln? Physik in der Schule war für mich das denkbar abgehobenste, trockenste und damit unnützeste Fach überhaupt (und damit stehe ich sicher nicht allein). Dabei gibt es so viele faszinierende Beobachtungen, die man nur „mit Physik“ verstehen und erklären kann. Was läuft in der Ausbildung für Gymnasiallehrer schief?

    Verfasst von gnaddrig | 17. Februar 2018, 22:59
    • Schwierige Frage und daher nicht in wenigen Sätzen zu beantworten. Ich will nur einen Aspekt ansprechen, der mir wichtig erscheint und auch eine Motivation für diesen Blog darstellt: Im Physikunterricht werden die Lernenden in vielen Fällen mit Gegenständen und Inhalten konfrontiert, die sie nirgendwo anders zu Gesicht bekommen. Da dies typischerweise nur zwei Stunden pro Woche der Fall ist, wird das an sich nie wieder Erfahrene und Gebrauchte vom Gehirn abgestoßen. Damit physikalisches Wissen verankert werden kann, müssen den Lernenden Wiederbegegnungsmöglichkeiten außerhalb des Physikunterrichts geboten werden, wie das in den meisten anderen Fächern der Fall ist. Eine Möglichkeit dazu besteht m.E. darin, Physik in der Lebenswelt der Lernenden aufzusuchen und zu lernen, den an sich nichtphysikalischen Dingen, Ereignissen und Phänomenen den fast immer vorhandenen physikalischen Aspekt abzuringen. Denn den haben sie in den meisten Fällen nicht gleichsam ablesbar an sich. Gefragt ist also eine ganz andere Lernkultur.

      Verfasst von Joachim Schlichting | 18. Februar 2018, 10:30
      • Die Frage ist in der Form natürlich auch viel zu simplistisch. Es kann nicht nur an der Lehrerausbildung und „den Lehrern“ liegen. Das ganze muss vielschichtiger. Darum gefällt mir der Hinweis auf die Notwendigkeit einer anderen Lernkultur. Die fängt schon in den Elternhäusern an. In dem Zusammenhang sind übrigens die Ausführungen von Harald Lesch zum Schulsystem interessant (in diesem Interview), das berührt diese Fragestellung auch.

        Gleichzeitig ist klar, dass auch mit der besten Lernkultur nicht jeder Schüler jedes Fach gleich gern haben und gleich gut meistern wird, ganz unabhängig von der Begabung.

        Nach wie vor erstaunt es mich aber, wie gründlich ungünstige Lernbedingungen einem ein an und für sich hochinteressantes Fach (oder wenigstens ein Fach mit hochinteressanten Aspekten) verleiden können.

        Verfasst von gnaddrig | 19. Februar 2018, 09:38
      • Mit Harald Lesch habe ich mich einige Male über den Physikunterricht unterhalten und denke, dass wir in wesentlichen Punkten übereinstimmen. Auch er kritisiert die „zerrechnete“ Physik und plädiert für Alltagsphänomene im naturwissenschaftlichen Unterricht. Wichtig ist in der Tat, dass die Lernenden Spaß am Unterricht haben und das bedeutet, dass es gelingen muss zumindest diejenigen für den Unterricht zu begeistern, die von der Interessen und Begabungslage her für naturwissenschaftliche Probleme aufgeschlossen sind.
        Hinzu kommt ein Problem, dass ich die (weitgehend selbstverschuldete) mangelnde Akzeptanz des Physikunterrichts in der Bevölkerung nenne. Da sagen dann die Eltern zu den Kindern, Physik brauchst du nicht zu können, konnte ich auch nicht, und aus mir ist auch etwas geworden.

        Verfasst von Joachim Schlichting | 19. Februar 2018, 15:48
      • Wiederbegegnungsmöglichkeiten,das ist das Zauberwort!

        Verfasst von kopfundgestalt | 16. Mai 2019, 09:51
      • Du sagst es 🙂

        Verfasst von Joachim Schlichting | 17. Mai 2019, 08:22
  2. Die Erklärung unten ist wieder sehr einleuchtend.
    Ich sah heute in meinem Bücherbord vor dem Lesen des Artikels das Buch „Insektenrekorde“ und da musste ich an deine Artikel denken, die ja bisweilen aufweisen, daß diese Rekorde (Geschwindigkeit etwa) nur aus unserer Grössenordnung heraus so unglaublich erscheinen.

    Verfasst von kopfundgestalt | 16. Mai 2019, 09:45
  3. Ich las das oben über den Physikunterricht. Sloterdijk, den ich kürzlich in einem Interview hörte, meinte, daß Intellekt alleine nicht genüge. Das Aufzunehmende sollte mit Lust aufgenommen werden, dann wird es fruchtbar. Ich glaube, er bezog sich da auf sein Fabulieren und Spielen mit Bildern.

    Verfasst von kopfundgestalt | 16. Mai 2019, 09:49

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