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Monatsrätsel, Physik im Alltag und Naturphänomene

Rätselfoto des Monats August 2019

Fiel ein Tropfen Wasser oder ein großer Stein ins Wasser?


Komplexe_Reflexe_IMG_8800_ZErklärung des Rätselfotos des Monats Juli 2019

Frage: Wie kommt es zu den sechs verschiedenen Schattierungen?

Antwort: Ein Picknick am Ufer eines idyllischen Kanals in Ostfriesland im Schutz einer alten Brücke. Ich genieße den Blick auf das Wasser und empfinde die Mischung aus intensiven Farben, altem Ziegelbauwerk mit kräftig gelben Flechten übersät wie ein in Form und Farbe stimmiges Kunstwerk aus Natur und alter Technik. Hier stimmen die Proportionen, die Schattenränder und Reflexionen auf intuitiv empfundene Weise.
Doch nach einiger Zeit ergibt sich die Frage, wie eine einzelne Lichtquelle, die Sonne mit Reflexen und Schattenwürfen eine solche Vielfalt von Schattierungen hervorbringt, die aus mehreren unterschiedlich stark beleuchteten (mit den Ziffern 1 bis 5 bezeichnet) Bereichen bestehen.
Die Sonnenstrahlung fällt von schräg links oben ein und erhellt die Front der Brücke und einen Teil unterhalb des Brückengewölbes, der durch die halbkreisförmige Berandung begrenzt wird. Auf den ersten erscheint es merkwürdig, dass sich diese Berandung ohne merklichen Bruch auf der Wasseroberfläche fortsetzt und auch diese zu einem gewissen Grade aufhellt. Wie kann das sein? Das Wasser reflektiert das Sonnenlicht nicht nur spiegelnd, sondern auch diffus in alle Richtungen (2 und 5), also auch zum Beobachter hin bzw. in die Kamera. Dafür ist insbesondere die durch Schwebeteilchen im Wasser hervorgerufene Trübung verantwortlich. Die Tatsache, dass auch mein Schatten schemenhaft auf dem Wasser zu erkennen ist, zeugt davon: Ein perfekter Spiegel zeigt keine Schattenprojektion. Obwohl die Fortsetzung (2) der Aufhellung (1) an der rechtsseitigen bogenförmigen Berandung (5) zu erkennen ist, fällt auf, dass beim Übergang zwischen Wölbung und Wasseroberfläche ein gewisser Bruch auftritt. Dies ist der Tatsache geschuldet, dass die Flächen einen Winkel von etwa 90° zueinander aufweisen.
Die spiegelnde Reflexion der erhellten Wasseroberfläche führt ihrerseits dem Reflexionsgesetz entsprechend dazu, dass der an die direkte Aufhellung (1) des Gewölbes angrenzende Teil (3) angestrahlt wird, wenn auch nicht so stark. Beide aufgehellten Bereiche des Gewölbes spiegeln sich ihrerseits im Wasser. Das Spiegelbild des hellen Bereichs (1) führt zum Spiegelbild (4), was deutlich an den gespiegelten Ziegeln zu erkennen ist. Aber auch der durch den Reflex des Wassers beleuchtete Teil (3) spiegelt sich im Wasser (2) und lässt die Ziegelstruktur des Urbildes schemenhaft erkennen. Der am schwächsten erleuchtete Teil (5) gibt nur das oben erwähnte Streulicht ab und hat keine weitere Unterstützung durch spiegelnde Reflexionen des Gewölbes. Wenn man allerdings ganz genau hinschaut, dann sieht man, dass selbst der dunkelste Bereich unter dem Brückenbogen noch so viel Streulicht empfängt, dass eine schemenhafte Spiegelung des Ziegelgewölbes zu erkennen ist.
Zugegeben, dieser Beitrag wirkt fast wie die Lösung eine Puzzle-Rätsels. Wer jedoch daran interessiert ist, die unterschiedlichen Aufhellungen nicht nur pauschal als interessantes Reflexionsspiel der Natur auf sich wirken zu lassen, sondern allein mit dem fast schon als bloßer Ausdruck der Beschaffenheit der Welt geltenden Reflexionsgesetzt rekonstruieren möchte, kommt voll auf seine Kosten.
Obwohl auf diesem Foto nichts gestellt und manipuliert wurde, sondern lediglich die natürlichen Gegebenheiten wiedergegeben werden, wie sie im Moment der Aufnahme waren, bin ich doch einigermaßen erstaunt darüber welche komplexen Bilder durch einfache Reflexionen natürlicherweise entstehen können.

Diskussionen

16 Gedanken zu “Rätselfoto des Monats August 2019

  1. Spontan und zu später Stunde: Vermutlich Letzteres, denn der Stein schlägt Wasser aus, das in der Nähe die Oberfläche erneut trifft.

    Verfasst von kopfundgestalt | 1. August 2019, 01:05
    • Eine kurze Reise in netzfreies Gebiet führt dazu, dass ich erst jetzt wieder online bin. Zu deiner Antwort: An der Begründung hapert es noch ein wenig. Vorschlag: Geh an einen Teich, wirf einen Stein und dann einen Tropfen hinein und vergleiche die Struktur der Ringsysteme.

      Verfasst von Joachim Schlichting | 7. August 2019, 17:11
      • Ein Tropfen Wasser. Der läuft in Wellen los, diese werden dann vom Rand zurückgeworfen.
        Offenbar sind mehrere Tropfen in der Nachbarschaft heruntergefallen.

        Verfasst von kopfundgestalt | 7. August 2019, 17:44
      • In der Tat sind hier mehrere Ringsysteme zu sehen, weil mehrere Steine/Tropfen (?) in Wasser fielen. Ich beziehe mich stillschweigend auf das große zentrale. Bei den anderen ist die Struktur schwieriger zu erkennen. Was am Ufer mit den Ringwellen passieren könnte, ist in diesem Foto nicht zu erkennen und sollte daher unerörtert bleiben.

        Verfasst von Joachim Schlichting | 7. August 2019, 18:16
      • Das große zentrale Ringsystem rührt von einem Tropfen her. Der bohrt ja ein Loch ins Wasser, was sich sofort schliesst. Die dabei eingeschlossene Luft steigt nach oben, soweit weiß ich es noch.

        Verfasst von kopfundgestalt | 7. August 2019, 18:24
      • Das wären die Details jenseits der unbewaffneten Sichtbarkeit. Man muss schon einigen apparativen Aufwand treiben, um die „Krone“ im Foto zu fixieren. Vielleicht eine Herausforderung für dich – nach deiner erfolgreichen Makrophase?

        Verfasst von Joachim Schlichting | 7. August 2019, 21:12
      • Das haben schon viele vortrefflich geleistet.
        Alles, was auch nur irgendwie denkbar ist, wurde schon optisch festgehalten.
        Für mich kann es nur darum gehen, meine kleine Welt etwas näher zu erschliessen.

        Verfasst von kopfundgestalt | 7. August 2019, 21:18
      • Das ist leider (?) fast überall so. Aber, wenn zu deiner kleinen Welt das ganz Kleine gehört (das man kaum noch erkennen kann), dann vielleicht ja auch das ganz Schnelle (dem man kaum noch folgen kann).

        Verfasst von Joachim Schlichting | 7. August 2019, 21:46
      • Das wäre ein neues „formatfüllendes“ Hobby. 😉
        Es ist allemal interessanter, „das Feinkörnige“ selbst abbilden zu können als die Ergebnisse von Hitech-Anwendungen zu verfolgen, auch wenn sie in Dimensionen reinreichen, die man selbst niemals wird erreichen können.

        Verfasst von kopfundgestalt | 7. August 2019, 22:13
      • Dem stimme ich voll und ganz zu 🙂

        Verfasst von Joachim Schlichting | 8. August 2019, 08:55
  2. Vielleicht sowohl als auch? Ich sehe zwei Ringformationen, die sich überschneiden. Vielleicht fiel ein Stein ins Wasser und ein Tropfen spritzte hoch, fiel kurz daneben auf die Oberfläche?

    Verfasst von gkazakou | 1. August 2019, 09:43
    • Die Antwort kommt etwas spät, da ich wieder einmal eine Woche lang in internetfreier Zone war. In der Tat sind Fragmente weiterer Ringsysteme zu erkennen. Ob sie durch ausgelöste Tropfen hervorgerufen wurden, ist allerdings kaum zu erkennen. Aber darauf läuft meine Frage gerade hinaus. Denn die Ringsysteme von handgroßen Steinen und Tropfen unterscheiden sich deutlich. Wie? Das kannst du dir durch entsprechende Experimente an einem ruhigen Teich klarmachen oder du wartest auf die Auflösung zu Beginn des nächsten Monats. Erschließen könnte man das allenfalls aus den etwas komplizierten Formeln.

      Verfasst von Joachim Schlichting | 7. August 2019, 18:49
  3. Zum Vormonatsrätsel:
    Zu Segment3: Wieso hat es diese Dreiecks-Form? (Neben 3 ist ein Bereich 3′ (ebenfalls Dreieck), der schwächer ist, durch Streulicht, wie Du sagst.)

    Wäre das Wasser septisch klar, würde dein Schatten nicht existieren?! Die Sonne fällt doch von hinten auf deine Gestalt. Die müsste doch immer als Schatten abgebildet werden?!

    Man sieht, es bleiben Fragen offen 🙂

    Verfasst von kopfundgestalt | 1. August 2019, 16:19
    • Alltagsphänomene haben es in der Tat in sich. Im Labor versucht man die meisten Effekte auszuschließen, um genau den einen untersuchen zu können. Daher gibt es viele Fragen, aber ich denke auch für jede Frage eine Antwort. Möglicherweise ist sie nicht immer einfach, weil man sich bislang damit nicht auseinandergesetzt hat.
      Die Antwort zu den „Dreiecken“, die ja eigentlich nur spitze Winkel an der Symmetrieachse der spiegelnden Oberfläche sind, versuche ich später mal, wenn ich mehr Zeit habe.
      Die Antwort auf die Frage, warum ein perfekter Spiegel (oder klares Wasser) keinen Schatten projiziert ergibt sich aus der Tatsache, dass ein Schatten auf einer Projektionsfläche entsteht, die das auftreffende Licht in alle Richtungen strahlt außer in die, die durch den Schattengeber ausgeblendet wird, der daher dunkel bleibt. Wenn die Projektionsfläche durch einen (perfekten) Spiegel ersetzt wird, wird das Licht dem Reflexionsgesetz entsprechend in genau eine Richtung umgelenkt. Und wenn meine Augen nicht dort sind, wo das Licht hin reflektiert wird, sehe ich auch nichts von dem Licht. Schau dir dazu vielleicht die früheren Beiträge (https://hjschlichting.wordpress.com/2006/04/06/spiegelbild-schatten-und-gespiegelter-schatten-vertraute-phanomene-in-unvertrauten-zusammenhangen/) und (https://hjschlichting.wordpress.com/2018/04/15/koennen-spiegelbilder-einen-schatten-haben/) an.

      Verfasst von Joachim Schlichting | 7. August 2019, 18:09

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