Ein Stein fällt in ein Becken mit Wasser, reißt eine Portion Luft mit sich, die in Form von vier (Halb-) Blasen an die Oberfläche steigen und hier einige Zeit verbringen (siehe Foto).
Schon platzt die erste Blase. Sie wäre einfach weg, wenn nicht die Sonne die dadurch ausgelösten direkt nicht zu sehenden Wellenbewegungen auf dem Wasser auf dem Grund des Beckens abbilden würde. Dort sieht man ein eindrucksvolles System heller und dunkler Ringe. Sie entstehen dadurch, dass das Sonnenlicht an den Wellen gebrochen wird, sodass die Wellenberge wie ringförmige Sammellinsen wirken, während die Wellentäler das Licht ringförmig streuen.
Die Wellen werden im Wesentlichen durch die Oberflächenspannung des Wassers und kaum durch die Schwerkraft bestimmt. Das erkennt man daran, dass die Wellen mit kleinerer Wellenlänge denen mit größerer Wellenlänge vorauseilen. Bei einer Dominanz der Schwerkraft wäre die Reihenfolge genau umgekehrt.
Die restlichen drei Blasen erzeugen auf dem Boden Lichtkreuze (Foto: oben rechts), die eine Ähnlichkeit mit den Lichtkreuzen der doppeltverglasten Fensterscheiben aufweisen, obwohl ihr Ursprung ein ganz anderer ist. Es handelt sich um Kaustiken, die durch die an den Blasen aufgewölbten Wassermenisken auf dem Boden des Behalters in Form eines Kreuzes fokussiert werden. Da die unter Druck stehenden Blasen das Wasser etwas eindellen, haben sie ebenfalls eine zerstreuende Wirkung, durch die die Kreuze vor dem auf diese Weise abgedunkelten Hintergrund zusätzlich „Profil“ erlangen.
Physikalisch interessant ist weiterhin die Beobachtung, dass die Umgebung der hellen Kreuze und Ringe dunkler ist als der übrige Grund des Beckens. Darin drückt sich die Energieerhaltung aus. Die Lichtenergie, die auf die Kreuze und Ringe konzentriert wird, fehlt an anderer Stelle.
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Sehr einleuchtend, deine Erklärung, und wunderschön illustriert, Joachim. So ist für Verstand und ästhetisches Empfinden gleichermaßen etwas getan. Hab ein schönes Wochenende!
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Verfasst von Ule Rolff | 9. Oktober 2020, 09:16Danke, liebe Ule! Auch dir ein schönes Wochenende, vielleicht mit neuen Entdeckungen…
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Verfasst von Joachim Schlichting | 9. Oktober 2020, 10:27Mehr zu dem schönen Phänomen erfährt man auch in meinem Artikel „Bubble Optics“, https://www.osapublishing.org/ao/abstract.cfm?uri=ao-59-1-45 (https://doi.org/10.1364/AO.59.000045).
Besonders spannend finde ich die Eigenschaft von schwimmenden Luftblasen wie Axicon-Linsen zu wirken, also Linsen mit unendlicher Tiefenschärfe. Dadurch kann man beispielsweise in der Badewanne Bilder der Deckenlampen beobachten (siehe auch: https://www.osa-opn.org/home/gallery/image_of_the_week/2019/19-09-16/, https://www.osa-opn.org/home/gallery/photo_contests/2019/?page=5).
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Verfasst von Markus Selmke | 29. Dezember 2020, 23:30Vielen Dank für die informativen Hinweise mit fachwissenschaftlichen Hintergrund. Sie stellen eine echte Bereicherung dar. Für die Leser dieses Blogs wird es allerdings schwierig sein, an die Artikel heranzukommen.
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Verfasst von Joachim Schlichting | 30. Dezember 2020, 10:34Dankeschön! Faszinierend sind übrigens auch die Kaustiken die sich durch benachbarte Blasen ergeben, sowie die Verbindung zu Gravitationslinsen. Siehe hierzu auch den frei zugänglichen Artikel „An optical n-body gravitational lens analogy“ (https://aapt.scitation.org/doi/full/10.1119/10.0002117) und den Artikel „Optical caustics of multiple objects in water: two vertical rods and normally incident light“ (https://www.osapublishing.org/ao/abstract.cfm?uri=ao-59-26-7981)
Randnotiz zur Zugänglichkeit von Artikeln: Für alle fachwissenschaftlich interessierten Leser mag folgender frei zugänglicher Artikel wertvoll sein: https://www.sciencemag.org/news/2016/04/whos-downloading-pirated-papers-everyone
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Verfasst von Markus Selmke | 30. Dezember 2020, 11:20Nochmals vielen Dank für die Anregungen und Hinweise. Den Artikel über die Gravitationslinsen- Analogie habe ich mir gleich einmal heruntergeladen. Klingt spannend. Und den Artikel „Who’s downloading pirated papers?“ werde ich mir mal etwas genauer ansehen. Hatte davon bislang nicht gehört, weil mir über die Uni-Münster die meisten Zeitschriften zugänglich sind – außer z.B. Applied Optics.
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Verfasst von Joachim Schlichting | 30. Dezember 2020, 12:49