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Physik im Alltag und Naturphänomene

Tiefenstruktur einer brennenden Kerze

Vielleicht ist es der einen oder dem anderen schon aufgefallen, dass zu einer brennenden Kerze außer dem Wachskörper plus Docht mehr gehört, als die leuchtende Flamme, der wir das in dieser Zeit so geschätzte sanfte Licht verdanken. Man muss nur die Hand über die Flamme halten, um alsbald festzustellen, dass dies nur in einer beträchtlichen Höhe auszuhalten ist. Demgegenüber sind seitliche Annäherungsversuche weniger problematisch, man gelangt schmerzlos bis dicht an die Flamme heran. Dadurch wird der Eindruck vermittelt, dass sich oberhalb der Flamme so etwas wie ein Hitzeschlauch befindet.
In der Tat schießt die in der Flamme erhitzte und chemisch veränderte Luft vertikal in die Höhe, weil sie durch die Temperaturerhöhung wesentlich leichter geworden ist als die umgebende Luft. Gleichzeitig strömt von den Seiten und unten frische, kühle Luft zur Flamme, um den Kreislauf zu schließen. Die Kerze nimmt gewissermaßen wie ein atmendes Lebewesen frische Luft auf und gibt verbrauchte Luft zügig ab.
Man kann diese Luftströmung zwar erfühlen aber nicht sehen. Mit einem kleinen Trick kann man sie aber wenigstens indirekt sichtbar machen. Dazu habe ich eine brennende Kerze mit Sonnenlicht bestrahlt und auf eine weiße Wand projiziert. Erstaunlicherweise sieht man nicht nur den Schatten der Kerze selbst, sondern auch einen Schatten der etwas abgemagerten leuchtenden Flamme. Darüber hinaus wird aber auch noch so etwas wie der Querschnitt durch die „Hülle“ des Hitzeschlauchs sichtbar. Sie zeigt sich als leichte Aufhellung. Ursache dafür ist die Tatsache, dass das optische Verhalten der Luft von der Temperatur abhängt. Heiße Luft hat einen geringeren Brechungsindex als kalte. Und wegen der mit der drastischen Änderung der Temperatur an der Grenze der heißen Luftsäule einhergehenden Änderung des Brechungsindex kommt es wie bei einer Glaslinse zu einer Fokussierung des Lichts und damit einer Aufhellung in diesem Bereich.
Im linken Foto sieht man die Projektion einer ruhig brennenden Kerze und im rechten eine durch verwirbelte Luft gestörte, die sich in turbulenten Verschlingungen der ursprünglichen heißen Gassäule bemerkbar macht.
Um das Ganze an einem 2. Advent nicht allzu prosaisch ausklingen zu lassen, gebe ich auch noch dem Dichter das Wort:
Und was gut brennt, brennt hoch. Bewußtsein und Flamme haben dasselbe Schicksal der Vertikalität.*


* Gaston Bachelard. Die Flamme einer Kerze.

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Diskussionen

16 Gedanken zu “Tiefenstruktur einer brennenden Kerze

  1. Dieser Tage kam mir der Gedanke, ob Du schon alle Themen von Alltagsphysik behandelt hast? Wenn ja, dann würdest Du wie auf einem Klavier über die Zeit unterschiedliche Töne ein und desselben Sachverhalts darbieten?!
    Wenn nein, dann vielleicht, weil sich das eine oder andere nicht veranschaulichen lässt?

    Verfasst von kopfundgestalt | 16. Dezember 2018, 00:24
    • Mir ist zwischendurch der Gedanke gekommen, wie es denn wohl weitergehen könnte, wenn keine neuen Phänomene mehr zu Diensten sind. Aber dieser Gedanke scheint abwegig zu sein. Zwar ist die Zahl der Naturgesetze beschränkt, aber die reale Ausgestaltung in Form von überraschenden Phänomenen ist offenbar unbegrenzt. Was die Veranschaulichung betrifft, so fühle ich mich dazu herausgefordert und werde dabei ja wohlwollend kritisch von meinen Besucher*innen begletet.

      Verfasst von Joachim Schlichting | 16. Dezember 2018, 09:22
  2. Ich glaube nicht, dass dir in absehbarer Zeit die Themen ausgehen könnten., was mich natürlich freut.

    Verfasst von Myriade | 16. Dezember 2018, 12:11
  3. ist wirklich sehr eindrucksvoll. Verstehen tue ich es allerdings nicht. Wieso hat die heiße aufsteigende Luft eine Hülle? Ich verstehe, dass die heiße Luft aufsteigt, nicht aber die Hüllenbildung, und zwar bei ruhigem Brennen offenbar in der gleichen Gestalt wie die Flamme. Diese Hülle scheint zudem sehr elastisch zu sein, so dass sie alle Luftbewegungen mitmacht und nicht reißt.

    Verfasst von gkazakou | 16. Dezember 2018, 12:35
    • Hülle ist nicht materiell gemeint, sondern rein optisch. Die hohe Temperatur der aufsteigenden Gase geht nicht allmählich in die Umgebungstemperatur über, sondern abrupt. In diesem schmalen hüllenartigen Bereich wird das Licht wie an einer Glashülle abgelenkt und teilweise fokussiert. Und das habe ich versucht zu visualisieren. Die Hülle ist so elastisch wie der Gasstrom.

      Verfasst von Joachim Schlichting | 16. Dezember 2018, 14:50
      • danke, Joachim! meine Frage verschiebt sich dadurch : warum ist dieser Übergang nicht allmählich, sondern abrupt? Und wieso kann, wenn die Hülle nicht materiell, sondern nur optisch ist, ein Effekt eintreten „wie bei Glas“? Glas ist ja materiell.

        Verfasst von gkazakou | 16. Dezember 2018, 15:10
      • Die durch die Flamme sehr stark erwärmten Gase steigen aufgrund der hohen Temperatur so schnell auf, dass ein Temperaturausgleich mit der umgebenden Luft so langsam ist, dass dafür dies in einem sehr begrenzter Bereich stattfindet – das was ich Hülle genannt habe.
        Dass Luft allein aufgrund unterschiedlicher Temperaturbereiche optisch wirkt, kannst du z.B. sehr schön feststellen, wenn du durch heiße Luft, z.B. über einem Osterfeuer (https://hjschlichting.wordpress.com/2014/04/19/physikalische-gedanken-beim-osterfeuer/) oder einer anderen Flamme inklusive der Kerzenflamme blickst. Du wirst die dahinter befindlichen Gegenstände in „heller Aufregung“ sehen (verschwommen, schwankend und wie immer man es bezeichnen möchte). Übrigens ist das Funkeln der Sterne auch ein Effekt, der durch Temperaturschwankungen in der Atmosphäre bewirkt wird (https://hjschlichting.wordpress.com/2013/04/08/twinkle-twinkle-little-star/).
        Ich merke an deinen Fragen, wie schwierig es ist, physikalische Sachverhalte ohne die verdammten stillschweigenden Voraussetzungen (trozt aller Bemühungen, die déformation professionelle so weit wie möglich abzulegen) darzustellen.
        Damit ein Text allein schon aufgrund seiner Länge lesbar bleibt, muss man wohl einen Kompromiss finden :-).

        Verfasst von Joachim Schlichting | 16. Dezember 2018, 15:39
  4. Herzlichen Dank, Joachim! Ich finde, für solche Präzisierungen und Verweise ist der Kommentarstrang sehr gut geeignet. Muss ja nicht alles im Text stehen.

    Verfasst von gkazakou | 16. Dezember 2018, 17:08
  5. Ich finde es wieder mal schön, wie physisch limitiert unsere Wahrnehmung doch ist. Aber manchmal wird uns ganz einfach von der Natur geholfen, indem man z.B. in einem Schattenspiel mehr wahrnimmt als beim Blick auf Objekt selbst. Es zeigt mir auch, wie, man möge mir verzeihen, beschränkt es ist zu behaupten, man glaube nur, was man sehe. Das wird gerne von Menschen behauptet, die sich selbst für sehr realistisch und recht klug halten…😉

    Verfasst von Ann December | 17. Dezember 2018, 08:48
    • Das sehe ich genauso. Nicht erst die optischen Täuschungen weisen uns auf die Beschränktheit unseres Gesichtssinns hin. Entsprechendes gilt für die anderen Sinne. Kunst und Wissenschaft verdanken sich weitgehend der Überwindung des von vielen für objektiv gehaltenen „ersten Blicks“. Wer nur glaubt, was er sieht, ist im Übrigen ein gefundenes Fressen für „fake newes“.

      Verfasst von Joachim Schlichting | 17. Dezember 2018, 09:56
  6. Einfach genial, wie Du dieses Phänomen oder den Prozess sichtbar gemacht hast!👏👏👏👏👌👍

    Verfasst von kunstschaffende | 17. Dezember 2018, 17:34

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