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Joachim Schlichting

Joachim Schlichting hat geschrieben 2199 Beiträge für Die Welt physikalisch gesehen

Die Welt der Blasen

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Bildwelt und Bildwirkungen

Bilder und Geschichten können den Menschen helfen, jenseits aller Begrifflichkeit in der Dichte ihrer Befindlichkeiten und Gefühle eine Ordnung zu finden, die ihnen Orientierung und Halt im Leben geben kann.
Verbale Erklärungen sind dabei oft ungeeignet, weil Gefühlsmäßiges und Atmosphärisches kaum ohne entscheidende Gehaltseinbußen auf Begriffe gebracht oder in Worte gefasst werden können. Auch wenn Worte fehlen, muss es möglich sein, die Menschen jenseits aller Intellektualität anzusprechen und zu berühren.

Wer sich für das hier zur Illustration genutzte Phänomen physikalisch verstehen möchte, kann sich hier informieren.

Blumen der Nacht

Trotz der kalten Nächte der letzten Tage hat der Winter keine Chance mehr, so sehr er auch des Nachts mit kristallinen Blumen (siehe Foto) gegen die sich tagsüber allenthalben entfaltenden botanischen Blumen zu konkurrieren versucht. Denn objektiv wird der jahreszeitliche Wechsel vor allem in der Bahn der Sonne um die Erde oder der Erde um die Sonne – wenn man es denn heliozentrisch beschreiben möchte – festgelegt. Weil die Drehachse der Erde schräg zu dieser Bahn orientiert ist und den Kreiselgesetzen entsprechend auch so bleibt (jedenfalls in absehbaren Zeiten), wendet sich die Nordhalbkugel im Sommerhalbjahr der Sonne zu. Wir erleben das von der Erde aus betrachtet darin, dass die Sonne im Sommer höher steigt und länger über dem Horizont verweilt und angenehme Temperaturen beschert.
Nachts ist es entsprechend umgekehrt. Bei klarem Himmel sind wir stundenlang dem kalten Weltraum ausgesetzt. Dadurch strahlt die Erde Wärme ab und kühlt sich ab. Wegen der großen Wärmekapazität des Bodens und der Gewässer führt diese Abkühlung immer seltener dazu, dass die Temperatur unter den Gefrierpunkt sinkt.
Das gilt aber vorerst noch nicht für Gegenstände mit geringer Wärmekapazität wie das blechernen Dach oder die Scheiben eines Autos. Das gestern Morgen aufgenommene Foto zeigt, dass sich die daran kondensierte Feuchtigkeit auf einem Autodach zu blumenartigen Gebilden kristallisiert, die in merkwürdigen Kontrast zu den jetzt allenthalben immer auffälliger und üppiger aufblühenden echten Blumen gerät.

Fundstück 8 – Stacheldraht und Co

Es wird wohl keiner bestreiten, dass unsere natürliche Welt weitgehend überformt ist von der wissenschaftlich-technischen. Bei meinen gelegentlichen Spaziergängen in der Natur finde ich immer wieder das eine oder andere Objekt, das dort nicht hingehört. Meist sind es leere Zigarettenschachteln, Bierflaschen und typischer Plastikmüll unserer Tage. Aber manchmal finde ich Objekte, die nicht nur alt sind, sondern durch ihr Altern auch eine ansprechende Patina angenommen haben. In solchen Fällen lege ich ein solches Fundstück auch schon mal zur Seite, fotografiere es oder nehme es sogar mit nach Hause. Diese drei Objekte, die sich während einer einzigen Wanderung in der Natur in meiner Hosentasche zusammengefunden haben – ein verzinkter und dennoch vom Rost befallener Pappnagel, ein schon arg vom Rost zernagter Rest eines Stacheldrahts und ein kräftiger Nagel, der trotzdem gekrümmt wurde. Wie kamen diese Dinge in den Wald? Welche Geschichte könnten sie erzählen? Was veranlasste mich, sie zu bemerken und ihnen diese Aufmerksamkeit zu schenken?

Zeit der Entfaltung

Alle Jahre wieder wundere und freue ich mich über die sich entfaltende Natur. Sie tut dies ja nicht nur im übertragenen sondern auch im tatsächlichen Sinn des Wortes: Etwas sehr klein und kompakt Gefaltetes – hier am Beispiel des Rhabarbers – glättet allmählich seine ziehharmonikaartig gefalteten Vorformen der späteren Blätter (oberes Foto). Von Tag zu Tag wird das ursprünglich Verkrumpelte zu einem immer glatter werdenden Blatt (unteres Foto).
Sehr schön zu sehen sind die Entfaltungen zurzeit auch an den Kastanienblättern bei deinen eine etwas andere Technik der platzsparenden Faltungstechnik ausgenutzt wird. Und in ein zwei Monaten steht uns auch noch die Entfaltung der Klatschmohnblüten bevor, die ebenfalls sehr schön zu beobachten ist.

Rege Regenwürmer im Regen

Als ich gestern Morgen nach einer regenreichen Nacht einen Spaziergang unternahm, musste ich auf der zum Glück wenig befahrenen Asphaltstraße, die durch landwirtschaftliche Nutzflächen führt, aufpassen, wohin ich trat. Die Straße war mit Regenwürmern geradezu übersät. Die Würmer befanden sich in langsamer Bewegung, obwohl ich trotz längerer Beobachtung kein eindeutiges Zielverhalten feststellen konnte.
Dem Namen nach könnte man den Eindruck haben, dass die Würmer den Regen lieben und sich der Feuchtigkeit deshalb exponieren. Doch wenn ihr Name überhaupt etwas mit dem Regen zu tun hat und sich nicht vielmehr auf ihr reges Tun in der Erde bezieht, dann eher weil sie im Gegenteil ihre mit Wasser gefluteten Röhren in der Erde verlassen. Denn einer herrschenden Auffassung zufolge würden Regenwürmer insbesondere bei langanhaltenden Regenperioden in den Gängen ihrer Wohnhöhlen ersticken. Weil die Würmer durch Hautatmung Sauerstoff aufnehmen, würde der im Wasser gelöste Sauerstoff nicht ausreichen. Andererseits zeigen wissenschaftliche Untersuchungen, dass die Würmer es bis zu 35 Stunden unter Wasser aushalten bevor sie sterben. Deshalb können sie auch monatelange Überschwemmungen überleben.
Wie dem auch sei, nach längerem Regen fühlen sie sich offenbar oberhalb der Erde am wohlsten und verschmähen auch eine Asphaltstraße nicht. Ich konnte sogar beobachten, dass einige Würmer ein freiwilliges Bad in einem auf der geneigten Straße fließenden Wasserstrom nahmen. Andere schienen sogar die Gelegenheit zu nutzen sich paarweise aneinander zu legen und sich (soweit ich das mit meinem flüchtig angelesenen Wissen beurteilen kann) zu begatten – wechselseitig, denn sie sind Zwitter und können beides.
Da werde noch einer schlau aus den bei Regen regen und erregten Regenwürmern.

Schon Heinz Erhardt (1909 – 1979) befasste sich lyrisch mit der Namensgebung des Wurms:

Der Regenwurm

Am Fuß von einem Aussichtsturm
saß ganz erstarrt ein langer Wurm.

Doch plötzlich kommt die Sonn herfür
erwärmt den Turm und auch das Tier

Da fängt der Wurm an sich zu regen,
und Regenwurm heißt er deswegen.*


Wirbel in der Dusche

In einer Dusche entsteht oft Nebel, den man aber meist kaum sieht. Erst eine gute Beleuchtung macht ihn sichtbar, indem das Licht am den Tröpfchen gestreut, also diffus in alle Richtungen reflektiert wird. Dies ist auf dem Foto gut zu erkennen. Das Sonnenlicht dringt durch das Gitter des Kellerfensters und prägt den Dampfschwaden gewissermaßen ein entsprechendes Muster auf. Nur die von den Lichtstrahlen getroffenen Wassertröpfchen werden sichtbar, die anderen im Schatten liegenden sieht man nicht.
Durch die Sonnenbeleuchtung wird noch etwas anderes in den Fokus gerückt: Der Nebel ist in Bewegung, was u. A. in einem Wirbel im Zentrum des Fotos sichtbar wird.
Durch das Bewegungsverhalten der Tröpfchen werden wir auf Vorgänge aufmerksam gemacht, die sich in den unsichtbaren Gasen der Luft inklusive des Wasserdampfs abspielen. Denn sie sind es letztlich von denen die Tröpfchen aus ihrer schwerkraftsbedingten Bewegung zum Boden hin abgelenkt werden.
Auf diese Weise erhalten wir zumindest indirekt Kunde von Vorgängen in der uns umgebenden Luft, die wir nicht sehen und abgesehen von stärkeren Luftströmungen auch nicht direkt fühlen können.

Du sollst dir kein Bildnis machen

Was unterscheidet den auf dem Foto zu sehenden, auf einer nicht ganz ruhigen Wasseroberfläche spiegelnd reflektierten Menschen? Ihr sagt: Ich sehe nur die Reflexion des Menschen und das sei ein Unterschied zur direkten Ansicht. Doch wie ist es mit einem Objekt, das ich durch aufsteigende warme Luft hindurch sehe, wie es zuweilen bei einer aufgeheizten Straße oder bei einem Feuer beobachtet werden kann? Es erscheint durch die Brechung des Lichts in der heißen Luft noch stärker verzerrt als der im Wasser gespiegelte Mensch. Sehe ich ihn nicht direkt? Denn Luft ist auch zwischen ihm und mir, wenn er mir näher und weniger verzerrt ist. Weiterlesen

Sich widersprechende Strömungen

Der Widerspruch ist zwar recht zaghaft und tröpfelt nur so dahin, aber er ist vorhanden und erfolgt sogar in Übereinstimmung mit den Naturgesetzen. Demnach fällt ein waagerecht ausströmender Wasserstrahl nicht einfach senkrecht nach unten, sondern beschreibt eine Wurfparabel. Damit wird der Tatsache Rechnung getragen, dass der waagerecht aus dem Rohr herausströmende, dabei plötzlich den Halt der Röhre verlierende und jetzt nur noch der Schwerkraft ausgesetzte Wasserstrahl nicht einfach stumpf nach unten stürzt, sondern dabei seinen einmal eingeschlagenen waagerechten Weg beibehält.
Doch warum scheint ein Teil des ausströmenden Wassers diesem Prinzip zu widersprechen, indem er genau das Gegenteil von dem tut was wir rein lebensweltlich erwarten und von der Physik sogar gefordert zu werden scheint?
Muss man sich bei so viel Widerspruch noch wundern, dass dieser Strahl sich auch noch weigert als Strahl in Becken zu fallen indem er in einzelne Tropfen zerfällt?
Geht es hier noch mit rechten Dingen zu?

Dreieiniger Baum

Manchmal wird ein Geheimnis erst sehr spät gelüftet. Der auf dem Foto zu sehende Querschnitt eines Baumes, der beim Fällen ans Tageslicht kam, zeigt, dass er aus drei verschiedenen Bäumen hervorgegangen ist. Diese standen so dicht beieinanderstanden, dass sie sich während des Wachstums immer näher kamen, sich schließlich berührten und unter Druck setzten, der darin endete, dass sie zusammenwuchsen. Sie gaben ihre Individualität zugunsten eines dreieinigen Baumes auf. Jedenfalls stelle ich mir das so vor.
Die ursprünglichen drei Individuen kann man an den drei Systemen von Jahresringen erkennen, von denen später in größerer Höhe nichts mehr zu erkennen war.
Schaut man genauer hin, so erkennt man, dass vermutlich noch ein weiterer kleiner Baum in den vereinigten Wachstumsprozess mit einbezogen wurde. Der Farbe nach zu urteilen ist er jedoch im weiteren Wachstumsverlauf abgestorben und wäre bei einem Querschnitt in größerer Höhe wohl nicht mehr zu sehen gewesen.

Ein wenig Farbe ins dunkle Grau

Eine nicht gerade einladende Asphaltstraße sollte durch eine ebenfalls als negativ empfundene Ölspur eher noch unsympatischer wirken. Sieht man allerdings von diesem realen Hintergrund des Fotos ab, so ergibt sich ein Gemälde, in dem eine virtuos zwischen den Graustufen wechselnde Bruchstruktur durch ein schlankes Band lebhafter Spektralfarben herausgefordert und sich insgesamt zu einem ästhetisch ansprechenden Ganzen ergänzt.
Die Natur ist offenbar völlig indifferent gegenüber menschlichen Bewertungen und verfährt in ihren Gestaltungen nach den durch den Zufall herausgeforderten Naturgesetzen: mechanische Belastungen zusammen mit den Wirkungen von Gefrieren und Schmelzen sind für die Bruchstrukturen verantwortlich. Unterschiedliche Geschwindigkeiten beim Verdunsten der Feuchtigkeit bilden die Abstufungen des Asphaltgraus. Denn das Tageslicht ruft bei Nässe dunklere  Farbtöne hervor als bei Trockenheit. In der quer über das Bild laufenden Senke reicht die Feuchtigkeit gerade noch aus, die äußerst dünne Ölschicht zu „tragen“, die durch Interferenz das weitgehend weiße Tageslicht der unterschiedlichen Dicke der Schicht entsprechend koloriert.
Einige Stunden später hatten sich infolge der Verdunstung des Wassers die Farben verzogen, nachdem sich das Öl winzige Tröpfchen bildedend in den porösen Asphalt verzog.

Eine parasitäre Unterwelt

Wir blicken hier in eine Art Unterwelt, die allerdings so etwas wie einen vergitterten Ausgang zurück ins Helle verspricht… Doch wenn ich euch verrate, dass die Unterwelt nur das Spiegelbild in einer zudem allmählich verdunstenden Wasserpfütze ist (wer hätte das gedacht ;), ist ohnehin alles nur Schein. Denn ein Spiegelbild ist lediglich ein Parasit des Objekts, das es mehr oder weniger deutlich abbildet.

Nasse Flecken wie aus dem Nichts

Bei einem morgendlichen Spaziergang auf einer schmalen Asphaltstraße durch die landwirtschaftlichen Felder sehe ich zahlreiche dunkle Flecken (siehe Foto). Bei näherem Hinsehen zeigt sich zum einen, dass die vermeintliche Färbung durch Nässe hervorgerufen wird. Das ist insofern merkwürdig als es in der vergangenen Nacht zwar kalt aber völlig trocken gewesen ist. Zum anderen ist zu erkennen, dass in der Mitte eines jeden Flecks ein helles Körnchen sitzt (Close-up oben links). Dabei handelt es sich um Mineraldünger in Granulatform, der bei der Bewirtschaftung der Felder auf die Straße gelangt ist. Die meisten Mineraldünger liegen als Salze vor. Sie sind daher hygroskopisch, d.h. sie nehmen Feuchtigkeit aus der Umgebung auf, wann immer es möglich ist. Man kennt das vom Kochsalz, das bei hoher Luftfeuchtigkeit und offener Lagerung ebenfalls nass wird. Im vorliegenden Fall haben die Salzkristalle nicht nur Wasserdampf aufgenommen, sondern vielleicht auch noch davon profitiert, dass in der vorausgegangenen Nacht die Temperatur unter den Taupunkt abnahm, sodass sich auch noch kondensierender Wasserdampf auf weitgehend isolierten kalten Oberflächen absetzte, so auch auf den Salzkörnern. Diese gingen dadurch teilweise in dem Maße in Lösung, wie Wasser aufgenommen wurde. Daher floss die wässrige Lösung abgesehen von Störungen durch Inhomogenitäten des Untergrunds radial in alle Richtungen und hinterließ einen dunklen, feuchten Fleck.

Das kalt gebliebene Osterfeuer

Auch wenn Osterfeuer wie fast jedes Massenereignis der Umwelt schaden, erinnere ich mich gern an die vergangenen Feuer, in denen man Naturgewalt des Feuers unmittelbar zu spüren bekommt. Das Feuer sorgt durch seine intensive Strahlungsenergie, die bei hoher Temperatur abgegeben wird, dafür dass man freiwillig auf Abstand bleibt. (Was in anderen Bereichen kaum zu erreichen ist – das sage ich aus aktuellem Anlass.) Demgegenüber sind poetische, kulturelle, physikalisch u. Ä. Annäherungen gefahrlos möglich. Sie zeigen dass die Komplexität des Phänomens durchaus mit der abgestrahlten Wärme mithalten kann. Selbst die abgegebenen Gase sind so heiß, dass sie auch dann noch durch einen Funken entzündet werden können, wenn sie die Verbindung zum verbrennenden Holz bereits verloren haben.
Die Osterfeuer sind in diesem genau wie im vorigen Jahr abgesagt. Wenn ich an das Osterfeuer unserer Gemeinde denke, das mit dem liegen gebliebenen Brennmaterial des Vorjahres nunmehr die doppelte Größe erreicht hat, so hoffe ich dass es im nächsten Jahr mit dreifacher Größe, dreifacher Wärme und dreifachem Jubel über die dann hoffenlich überstande Coronazeit ein positives Lichtzeichen in die Welt senden wird.

Das Foto zeigt den übrig gebliebenen Schornstein einer seit Jahrzehnten aufgegebenen Zieglei. Obwohl er ziemlich zittrig aussieht und durch die Flammen des Osterfeuers hindurch gesehen den Eindruck erweckt, jeden Moment umzukippen, handelt es sich dabei nur um eine optische Täuschung. Da der Brechungsindex der Luft von der Temperatur abhängt, wird das vom Schornstein ausgehende Licht den chaotischen Bewegungen der unterschiedlich heißen Gasfragmente entsprechend mal in die eine, mal in die andere Richtung abgelenkt. Das vermeintliche Zittern von Sternen (Twinkle, twinkle, little star…) hat die gleiche Ursache.

Weinender Wein

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 4 (2021), S. 68 – 69

Wie oft ein Glas Wein ein System erzeugt

Georg Christoph Lichtenberg (1742–1799)

Schwenkt man ein alkoholisches Getränk im Glas, rinnen an dessen Innenwand Tropfen herab. Sie entstehen, weil verdunstender Alkohol einen dünnen Film aus der Flüssigkeit in Form einer instabilen Stoßfront hochsaugt.

Weintrinker schwenken ihr Glas, um die Aromen besser zur Geltung zu bringen. Dabei bilden sich an der Innenseite Tropfen, die in das Getränk zurückfließen. Das Phänomen ist vielen Genießern vertraut und erlaubt gewisse Rückschlüsse auf die Konzentrationen der enthaltenen Stoffe – beispielsweise ist es besonders bei hochprozentigen Vertretern gut zu beobachten. Da die entstehenden Figuren ein wenig an Kirchenfenster erinnern, werden sie zuweilen auch so genannt.
Dass Wein auf diese Weise gewissermaßen Tränen vergießt, ist seit langem bekannt. Der englische Physiker Charles Vernon Boys (1855–1944) ging in seinem früher sehr populären Buch über Seifenblasen sogar davon aus, die Erscheinung würde bereits »in den Sprüchen Salomons Kapitel 23, Vers 31 erwähnt: Siehe den Wein nicht an, wenn er rot ist, wenn er seine Farbe dem Glase gibt, und wenn er von selbst aufwärts steigt.« (In der deutschen Bibelübersetzung Luthers lautet die Stelle etwas anders.)
Die erste physikalische Erklärung lieferte James Thomson (1822–1892) Mitte des 19. Jahrhunderts, doch die Details des Alltagsphänomens beschäftigen die Wissenschaft bis heute. Im März 2020 hat eine Forschergruppe um die Mathematikerin Andrea Bertozzi von der University of California in Los Angeles eine Arbeit dazu publiziert. Die Untersuchung bezieht die Geometrie des Glases ein und soll eine vollständige quantitative Beschreibung der Tränen liefern. Das Phänomen wirkt auf den ersten Blick einfacher, als es tatsächlich ist. Zum Verständnis ist es nötig, das Wechselspiel vielfältiger physikalische Aspekte zu entwirren.
Zunächst kommt die Tendenz gewisser Flüssigkeiten ins Spiel, Flächen zu benetzen. Schaut man sich ein Glas mit Wasser darin etwas genauer an, erkennt man, wie letzteres ein Stück weit an der Wand aufsteigt und einen typischen konkaven Meniskus hervorbringt. Das passiert, weil zur Ausbildung einer Grenzfläche zwischen zwei Substanzen Grenzflächenenergie nötig ist. Die Natur tendiert dazu, diese möglichst gering zu halten, und bei Wasser und Glas ist weniger Energie erforderlich als im Fall von Luft und Wasser.
Der Weg nach oben endet allerdings bald: Der Energiegewinn infolge des Anhaftens wird durch die potenzielle Energie, die das Medium nach unten zieht, mit zunehmender Höhe aufgewogen. Der Vorgang heißt auch Kapillareffekt. Wenn man nämlich das Glas auf ein Röhrchen mit winzigem Durchmesser verengt, reduziert das die anzuhebende Masse der Flüssigkeitssäule enorm, und das Wasser kann weiter steigen. In Bäumen spielt das eine wesentliche Rolle beim Transport von der Wurzel bis in die Blätter (siehe »Spektrum« Juli 2015, S. 50).
Wein und andere alkoholische Getränke bestehen vor allem aus Wasser und Alkohol sowie einigen für den Geschmack entscheidenden Stoffen. Beide Flüssigkeiten gehen zwar eine homogene Mischung ein, verhalten sich aber in physikalischer Hinsicht unterschiedlich. Alkohol verdunstet wesentlich bereitwilliger, hat also eher die Tendenz, in den gasförmigen Zustand überzugehen. Das ist unter anderem auf die größere Grenzflächenspannung des Wassers zurückzuführen, die der Verdunstung entgegenwirkt. Der Alkohol verfliegt daher früher – das wird bei der Destillation zum Abtrennen des »Weingeistes« ausgenutzt. Der Prozess läuft in der dünnen Schicht an der Glaswand besonders stürmisch ab. Dort ist die Grenzfläche zwischen Luft und Wein im Verhältnis zum Volumen sehr groß, und der Anteil des Wassers nimmt rasch zu. Dessen Anreicherung wiederum steigert die Grenzflächenspannung im Flüssigkeitsfilm.
Zur Verdunstung ist Energie nötig, die der Umgebung entzogen wird, also vor allem dem Wein selbst. Damit ist eine verhältnismäßig starke Abkühlung verbunden. Einen lebhaften Eindruck von der Verdunstungskälte kann man sich verschaffen, indem man einen Tropfen Alkohol auf dem Handrücken verteilt und die Hand schwenkt oder anbläst (siehe »Spektrum« Januar 2012, S. 52). Die Grenzflächenspannung nimmt mit sinkender Temperatur zu, was zusätzlich zum Spannungsunterschied zwischen dem dünnen Film und dem übrigen Wein beiträgt.
Das führt zu Ausgleichsströmungen: In dem Maß, in dem vor allem der Alkohol verdunstet, wird Wein aus dem Glas nachgezogen. Der Effekt ist nach dem italienischen Physiker Carlo Marangoni (1840–1925) benannt, der ihn schon im 19. Jahrhundert eingehend studiert hat. Jedoch war bislang noch nicht geklärt, wie der Prozess im Einzelnen abläuft. Denn stiege die Flüssigkeit in einem Film von einheitlicher Dicke auf, wäre nicht einzusehen, wieso sie nicht einfach ähnlich gleichmäßig wieder zurückfließen sollte – statt es in Form von Tränen zu tun.
Bertozzi und ihre Kollegen haben nun mit einem mathematischen Modell und Experimenten eine Lösung des Problems gefunden. Sie gehen unter anderem davon aus, dass die Grenzflächenspannung mit der Höhe des Films gleichmäßig zunimmt. Dann bewegt sich die Flüssigkeit in einer ringförmigen Welle nach oben. Dabei handelt es sich – in wissenschaftlicher Terminologie – um eine »umgekehrte unterkompressive Stoßwelle«. Trotz der äußeren Ähnlichkeit mit einer normalen Stoßwelle lässt hier das anhaltende Ziehen infolge der Marangoni-Strömung das Gebilde instabil werden.
Innerhalb der Schicht rücken einzelne Fronten nach, die von der Grenze zum Weinmeniskus ausgehen. Sie laufen gegen die bereits an der Glaswand befindliche, mit Wasser angereichte Flüssigkeit an. Dann lassen kleinste Inhomogenitäten entlang der Welle diese an solchen Stellen zerreißen. Um die Grenzflächenenergie zu minimieren, ziehen sich die Bruchstücke sofort zu separaten Tropfen zusammen, die wie Tränen am Rand herabfließen. Das Szenario wiederholt sich, solange ausreichend Alkohol im Wein ist. Angetrieben werden diese Vorgänge letztlich durch die Tendenz von Flüssigkeiten, sich durch Verdunstung gleichmäßig im zur Verfügung stehenden Raum zu verteilen. Sofern wir sie nicht daran hindern, indem wir sie vorher konsumieren.

Quelle

Dukler, Y. et al.: Theory for undercompressive shocks in tears of wine, Physical Review Fluids 5, 2020

Originalversion: Weinender Wein

Rätselfoto des Monats April 2021

Wie kommt es zu den Feuchtigkeitsstrukturen?


Erklärung des Rätselfotos des Monats März 2021

Frage: Wie kommt es zu diesem Phänomen?

Antwort:
Bei einer Teepause, in der ich ein Stück Kandis in den Tee fallen ließ, entstand eine Blase und eröffnete mir einen kurzen Linsenblick auf das Stück Kandis. Dieses erschien nämlich deutlich verkleinert, so als ob man durch eine Zerstreuungslinse blickte. Wie kann das sein?
Da der Blase ohnehin nur eine kurze Lebensdauer beschieden war und die geselligen Umstände es unmöglich machten, der Sache vor Ort auf den Grund zu gehen, rekonstruierte ich die Situation später in einer Tasse mit Wasser und einem Tropfen Spülmittel und nahm einen Strohhalm zu Hilfe, mit dem ich auch noch die Größe der Blasen bestimmen konnte. Und anstelle des Kandis, legte ich eine Cent- Münze auf den Grund der Tasse.
Mit einer solchen Anordnung lässt sich schön verfolgen, dass die Münze wie ehemals der Kandis durch die Blase hindurch betrachtet tatsächlich verkleinert erscheint und zwar umso mehr je kleiner die Blase ist.
Zur Erklärung muss man sich zunächst klarmachen, dass es sich bei der Blase um eine Halbblase handelt und selbst das stimmt nur ungefähr. Damit eine Blase überhaupt als solche existieren kann, muss der Innendruck größer sein als der Außendruck. Denn die Tendenz der Seifenhaut, sich zu einem kugelförmigen Tropfen zusammenzuziehen muss durch einen höheren Innendruck kompensiert werden. Dadurch wird nicht nur die Seifenhaut straff gehalten, sondern im Falle der auf dem Wasser driftenden Halbblase auch die Wasseroberfläche ein wenig wie eine konkave Linse eingedellt. Blickt man durch eine solche Zerstreuungslinse, so erscheinen die durch sie betrachteten Gegenstände, also hier die 1-Cent-Münze verkleinert. Die verkleinernde Wirkung ist umso größer, je kleiner die die Blase und damit die Brennweite der von ihr geformten Linse ist .
In der obigen Abbildung ist die Blase wegen ihrer Transparenz nur indirekt zu erkennen – durch die tassenfarbene Spiegelung auf dem konkaven Rand der Blase und durch Interferenzfarben im Bereich des Spiegelbilds des lichtspendenden Fensters.

Der Mond eine glasige Lichtlache

Nach dem gestrigen nahezu Sommertag ist es kaum noch vorstellbar, dass vor gut einem Monat noch Schnee und Kälte herrschten. Indem ich nunmehr feststelle, dass der Vollmond vom Palmsonntag allmählich angeknappert wird, also abnimmt, werde ich an die runde Eisscholle erinnert (siehe Foto), die ich aus der Vogeltränke herausgelöst und dann spielerisch in den Schnee gesteckt hatte, wo sie von der tiefstehenden Sonne lichterloh entflammt wurde. Mir stand sofort das Bild des Vollmonds vor Augen, der durch eine Wolkenschicht hindurchtauchte. Einiges stimmt an dieser Assoziation: das Runde, das im Sonnenlicht leuchtende, die Strukturierung der Oberfläche, das Eisige… Dass diese glasige Lichtlache* eine flache, transparente Scheibe ist und zudem kein Licht reflektiert, sondern bricht und einen Schatten hervorruft, stört dabei nur wenig. Weiterlesen

Magnetismus und Zentrifugalkraft als Metapher

Wenn man den aus Magnetkugeln gefertigten Kreisel (unteres Foto) in sehr schnelle Rotation versetzt (oberes Foto), müsste der schließlich zerreißen, indem sich die äußeren Kugeln tangential entfernten. Die Fachtermini, die von Laien bei der Beschreibung eines solchen Vorgangs bemüht werden, sind neben Magnetismus Zentrifugalkraft.
Diese Termini tauchen auch in der Belletristik immer wieder auf, auch wenn es nicht um physikalische Sachverhalte geht. Hier ein Beispiel:
Mir war, als entwickelte sie einen zu geringen Magnetismus für die Dinge, die ihr gehörten. Es gab da keinen Sog, der die Sachen rund um ihre Person zusammenhielt, sondern eher im Gegenteil eine Zentrifugalkraft, die alles ihr bestimmte und ihr Gehörige weit von ihr wegfliegen ließ.*
Das klingt sehr ähnlich, obwohl es hier um eine Veranschaulichung des Verhaltens eines Menschen geht. Hier wird Magnetismus nicht als physikalische Eigenschaft von Objekten verstanden, sondern ganz allgemein als Anziehungskraft. Vermutlich will der Autor aber mehr sagen als das; vielleicht will er etwas mit Worten nicht Erfassbares durch etwas Geheimnisvolles zum Ausdruck bringen, das im Alltagsverständnis auch dem Magnetismus anhaftet.
Der zweite verwendete physikalische Terminus ist die Zentrifugalkraft. In der Physik handelt es sich um eine Scheinkraft, also keine wirkliche Kraft, sondern nur eine solche, die dadurch zustande kommt, dass sich die/der Beobachter* selbst bewegt. Dazu ein Beispiel: Wenn bei einer scharfen Linkskurve im PKW die Person auf dem Beifahrersitz sich gegen die Tür gedrückt fühlt, erfährt sie eine Zentrifugalkraft. Vom nicht bewegten Straßenrand betrachtet sieht die Situation ganz anders aus. Die Person tendiert lediglich dazu, aus Trägheit ihren Bewegungszustand beizubehalten, und sich weiterhin gleichförmig geradeaus zu bewegen. Aber das Auto beschleunigt nach links und durch diese Bewegungsänderung wird sie gezwungen mitzumachen – was in Bezug auf das Auto gesehen wie eine Kraft wirkt.
Auch in diesem Fall scheint es mir, als wollte der Autor diesen weitgehend ungeklärten Aspekts der Zentrifugalkraft anklingen lassen. Obwohl beide Begriffe aus einer exakten Wissenschaft stammen und eine eindeutige Definition besitzen, werden sie hier paradoxerweise gerade dazu genutzt, etwas Ungefähres, Schwebendes, nicht adäquat in Worte zu Fassendes zu beschreiben.


* Martin Mosebach,: Das Beben. Dtv: München 2007, S. 93

Die niemals ruhende Wandlung

Kein Ding, kein Ich, keine Form, kein Grundsatz sind sicher, alles ist in einer unsichtbaren, aber niemals ruhenden Wandlung begriffen, im Unfesten liegt mehr von der Zukunft, als im Festen, und die Gegenwart ist nichts als eine Hypothese, über die man noch nicht hinausgekommen ist.*

Zum Foto: Das war mal ein Teil des Wurzelwerks eines längst gefällten Baumes, dessen Inneres, selten Geschautes, durch einen inzwischen darüber verlaufenden Wanderweg allmählich freigelegt wird. Manchmal lohnt es sich auch nach unten zu schauen. Hier war man dazu gezwungen, um nicht zu stolpern. Ich stolperte über die schöne Struktur.


* Robert Musil. Der Mann ohne Eigenschaften. Reinbek 1990. S. 250

Verschwimmende Konturen im Schneesturm

Es ist als spielte das Wetter noch einmal seine Möglichkeiten zwischen Schnee, Sonne, Wind und Gewitter noch einmal in alter Vielfalt durch. Jedenfalls war der gestrige Tag von diesen Extremen geprägt. Als der Schnee gegen das Fenster prallend und dann – durch Adhäsions- und Oberflächenkräfte gehalten – gebremst an der Scheibe herab rutschte und sich am Fensterrahmen angekommen zu einem unregelmäßigen kristallenen Gitter staute, kamen Strukturen in den Blick, die man dem Wetter gar nicht zugetraut hätte (siehe Foto). Durch die unregelmäßig benetzte Scheibe wird das Licht diesen Strukturen entsprechend gebrochen und die durchscheinende Baumkulisse erscheint entsprechend kreativ variiert.

Beobachter des Beobachters

Vice versa

Ein Hase sitzt auf einer Wiese,
des Glaubens, niemand sähe diese.

Doch, im Besitze eines Zeißes,
betrachtet voll gehaltnen Fleißes

vom vis-à-vis gelegnen Berg
ein Mensch den kleinen Löffelzwerg.

Ihn aber blickt hinwiederum
ein Gott von fern an, mild und stumm* Weiterlesen

Selbstbegegnung von Wellen

In dieser Szene auf einem kleinen Bach laufen die Wellen auf ein Hindernis zu. Sie werden von ihm reflektiert und überlagern sich mit den weiterhin einlaufenden Wellen. Dabei kommt es zu Verstärkungen und Abschwächungen der Höhe (Amplitude) der Wellenberge und der Tiefe der Wellentäler. Deutlich zu sehen ist die momentane Aufhebung der Wellenberge und -täler, wenn der Phasenunterschied zwischen einlaufender und reflektierter Welle gerade eine halbe Wellenlänge beträgt.
Dass man die Wellen als solche im an sich transparenten Wasser überhaupt sieht, ist den Spiegelungen der den Bach umgebenden Bäume auf dem Wasser zu verdanken. Diese führen überdies zu einer weiteren Strukturierung der Wasseroberfläche.
Bei der Betrachtung des Fotos sollte man jedoch nicht vergessen, dass es sich insofern um eine künstliche Situation handelt, als die natürlicherweise auftretenden Bewegungen in der Kameraaufnahme gewissermaßen eingefroren sind und so nie in natura beobachtet werden können. Nur dadurch, dass neben der Art und Weise (Auswahl, Blickwinkel, Belichtungszeit usw.) wie das Natürliche im Foto zu etwas Künstlichem wird, kann es manchmal auch zu etwas Künstlerischem werden.

Der Gedanke, der Spiegel, die Welt, die Wiederholung

Wo der Gedanke des Ichs nicht eins ist mit dem Begriffe der Welt, kann man sagen, daß dies reine Denken des Gedankens des Ichs nur zu einem ewigen Sichselbstabspiegeln, zu einer unendlichen Reihe von Spiegelbildern führt, die immer nur dasselbe und nichts Neues enthalten.*

Immerhin scheint die Reihe der ewigen Selbstabspiegelung zumindest perspektivisch auf einen imaginären Punkt zuläuft, so dass man nur hoffen kann. Bleibt nur zu hoffen, dass es kein Nullpunkt ist.


* Friedrich Schlegel: Kritische Ausgabe. München etc 1964, Bd. 2, S. 351

Mutanten

Dieses Kunstwerk, Mutanten (Wächterpaar) aus dem Jahre 1985, von Johannes Metten (*1929) geschaffen, entdeckte ich in Mainz. Ich finde, dass es auf eindrucksvolle Weise auf ein Thema aufmerksam macht, dem wir uns in diesen Tage im Zeichen der Pandemie auf ganz banale Weise ausgesetzt und herausgefordert sehen.
Ohne Mutationen ist die Evolution auf der Erde nicht denkbar. Sie kann in manchen Fällen aber auch unangenehme Auswirkungen haben. Zwar wird der Künstler in seinen Skulpturen wohl kaum an die Möglichkeit einer Virusmutation gedacht haben, dennoch kann man kaum umhin, in diesen bronzenen Mutanten eine Verkörperung des Bedrohlichen für die Menschen zu sehen.

Große Gedanken im kleinen Buch

Vor einiger Zeit habe ich ein winziges Büchlein geschenkt bekommen (siehe Foto), in dem kluge Gedanken und Maximen französischer Denker gesammelt sind. Da auf jeder Seite nur eine Eintragung gedruckt ist, könnte man das Buch in kürzester Zeit durchlesen. Allerdings wurde ich durch die Tiefe mancher Aussprüche und die Mühe bei der Entzifferung der winzigen Schrift doch einigermaßen gebremst. Daher las ich jeden Tag nur eine Seite und kam damit der Zeit nahe, die ich auch für ein normales Buch benötige. Das kleine Buch hat jedoch einen großen Vorteil – es nimmt keinen zusätzlichen Platz im Bücherregal ein.

Ein Beispiel aus dem Inhalt: Das Herz hat Gründe, die der Verstand nicht hat. Das bekannte Zitat von Blaise Pascal (1623 – 1662) heißt im Original: Le coeur a des raîsons, que la raîson ne connaît point. Im Französischen kommt also noch eine Art Wortspiel hinzu, das in der Übersetzung leider verloren geht.

 

Indiskreter Schatten

Als ich den eigenen Schatten auf dem Rücken der nichtsahnenden/nichtsfühlenden Person gewahrte, der in einer Überlagerung userer beider Gehrhythmen ondulierte (Stichwort: gekoppelte Schwingung), beschlich mich ein merkwürdiges Gefühl.
Zum einen war die Situation sehr unwahrscheinlich: Die Sonne stand so tief*, dass sie fast waagerecht einfiel, und zwar zufällig in einer Straße, die genau in ihrer Strahlrichtung verlief. Zum anderen traf sie auf zwei in einem passenden Abstand hintereinander gehende Personen, sodass der Schatten der hinteren auf den Rücken der vorderen fallen konne. (Offenbar ohne einen Impuls zu übertragen).
Obwohl ein Schatten ja nur ein Loch im leichten Licht ist, das in diesem Fall von meiner Silhouette ausgeschnitten wird, empfand ich, der Person hinterrücks auf die Pelle gerückt zu sein und verlangsamte unwillkürlich meinen Schritt, wodurch die Situation aber nicht wirklich besser wurde.
Die Probleme Peter Schlemihls erscheinen mir fortan in einem anderen Licht.

 

 


*Man sieht den bevorstehenden Sonnenuntergang auch an dem leicht rötlichen Ton, den die weißen Kleidungsstücke annehmen.

Auf die Spitze getrieben…

Dieses unfassbare Wesen, der Augenblick,
liegt zwischen der Bewegung und der Ruhe
als in keiner Zeit seiend…
Platon, Parmenides 156 e

Die Fotografie liefert uns eine Möglichkeit, zumindest einen Aspekt des Faustischen Wunsches zu realisieren, zu einem Augenblick sagen zu können: „Verbleibe doch,du bist so schön!“ – eine Situation als Bild zu fixieren. Dies ist dann besonders eindrucksvoll, wenn ein Augenblick aus einem schnell ablaufenden Vorgang herausgeschnitten wird, der während der realen Beobachtung gar nicht die Zeit hat, ins wache Bewusstsein zu dringen. Wenn man an einer solchen Performance als Beobachter beteiligt ist, wird einem jedenfalls nicht die komisch wirkende äußerst kurzzeitige Situation auffallen, dass hier der Fahrradfahrer mit dem Vorderrad auf der davon völlig unbeeindruckten Spitze eines Baumes balanciert. Weiterlesen

Frühlingsäquinoktium – Ab heute geht es aufwärts

Angesichts der heutigen Tag- und Nachtgleiche, dem astronomischen Frühlingsanfang also, bin ich häufiger gefragt worden, wie denn die Jahreszeiten Frühling, Sommer, Herbst und Winter plausibel mit dem Stand der Sonne in Verbindung gebracht werden kann.
Schaut man sich nämlich den Sonnenstand im Laufe eines Jahres an, so würde man naiverweise daraus folgern können, dass der Frühling dann einsetzen sollte, wenn nach dem kürzesten Tag am 21. Dezember die Tage wieder länger werden, bis Tag und Nacht wieder gleich lang sind. Das ist heute, am 20. März der Fall. Und mit den länger werdenden Tagen sollte sich langsam der Sommer anschicken, seines Amtes zu walten, denn die Tageslänge nimmt bis zum 21. Juni, dem längsten Tag zu usw.
Aber dem ist aber nicht so. Erst heute beginnt offiziell der Frühling und der Sommer beginnt, wenn die Tage schon wieder kürzer werden. Eine anschauliche Erklärung für diese Phasenverschiebung würde ich in einer Art Trägheit der auf diese Änderungen reagierenden Systeme sehen. Beispielsweise braucht das Wasser der Meere, Flüsse usw. ziemlich lange, bis sich die zunehmende Sonnenstrahldauer in einer Erwärmung bemerkbar macht. Und auch die Pflanzen benötigen Zeit, auf die veränderten Umweltbedingungen entsprechend zu reagieren. Weiterlesen

Hier blüht mir was in Blau

Seitdem ich Teile des Gartens der Natur übergeben habe, werde ich immer wieder von neuen Pflanzen überrascht. Wer hätte diesen Duftveilchen (Foto) zugetraut in einer bereits von zahlreichen Wildkräutern, vertrockneten Blättern usw. besetzten zudem vorwiegend im Schatten liegenden Gegend mit einem kräftigen Blau und zarten Duft heranzuwachsen. Und das ohne irgendeine Hilfe von außen – wie Unkraut jäten, düngen usw. zu benötigen. Vielleicht handelt es sich ja um die Blaue Blume, viel beschworen von den Romantikern, Projektion für Sehnsüchte und Liebe, die hier im März den Anfang macht.
Aber vielleicht liege ich völlig falsch und die Blaue Blume ist gar nicht von dieser Welt. Jedenfalls haben Joseph von Eichendorff (1788 -1857) und viele andere sie trotz intensiver Suche nicht gefunden

Tanzende Wintermücken

Vor einiger Zeit als es noch so richtig kalt war, habe ich mich über die tanzenden Mückenschwärme gewundert. Ich sah sie mit Bewusstsein wohl zum ersten Mal, obwohl meine Netzhäute in den vielen vorangegangenen Wintern mit Sicherheit auch von diesem Naturphänomen belichtet wurden, aber es stand kein aufmerksamer Beobachter dahinter. Nun steht er dahinter und wundert sich trotzdem. Diesmal nicht wegen der Kälte, sondern wegen des Windes. Denn auch an diesen Aprilwettertagen – mal Sonne mal Regen, mal Wind, mal Windstille machen sie sich durch ihre unermüdlichen Tänze bemerkbar. Wenn sich dann die Dunkelheit von der letzten Regenwolke noch nicht ganz verzogen hat, aber die Sonne bereits wieder ein Strahlenbündel durch eine Wolkenlücke schickt, reflektieren die Mückenflügel das Licht mit auffälliger Intensität. Dadurch sehen die Mückentänze zuweilen wie rhythmisch bewegte, irgendwie miteinander korrelierende Lichtpunkte aus.
Nach welcher Choreographie geschieht das?

Ordnungsphänomene und -probleme

Zwischen zwei senkrechten Plexiglasscheiben befinden sich kleine Stahlkügelchen, sodass sie sich nur in zwei Dimensionen bewegen können. Da alle Kugeln die gleiche Größe haben, hätten  sie die Möglichkeit  sich unter dem Einfluss der Schwerkraft flächendeckend einheitlich anzuordnen. Man findet allerdings nur einzelne Bereiche, in denen die Kugeln geordnet sind. Darin wird jede Kugel von sechs weiteren umgeben ist. Dies ist der Zustand minimaler potenzieller Energie, in dem die Kugeln insgesamt die tiefste Lage eingenommen haben. Alle anderen Anordnungen erforderten mehr Platz und mehr Energie. Daher mag es auf den ersten Blick erstaunlich erscheinen, dass nicht alle Kugeln diese zweidimensionale hexagonal dichteste Kugelpackung realisiert haben. Weiterlesen

Die Unaufgeregtheit der Pflanzen

Bei uns in der Nähe gibt es einen bewaldeten Bergrücken, der früher bergbaumäßig genutzt wurde, inzwischen aber mit hohem Mischwald bewachsen ist. Nur steile Hänge und andere Unwegsamkeiten lassen auf die früheren Aktivitäten schließen. Interessant sind manche Wechselwirkungen von Natur und früherer „Industriekultur“.
Da gibt es dann z.B. Reste verrosteter Zäune, deren Ursprung nicht mehr nachvollzogen werden kann, die völlig unaufgeregt in die undurchschaubaren Pläne der zum Licht strebenden Pflanzen integriert werden (siehe Fotos). Eine Kletterpflanze windet sich durch die quadratischen Maschen des Drahtes und integriert diese wie Treppenstufen zum Licht in ihr fortschreitendes Höhenwachstum. Wenn man sich die komplizierten und aus menschlicher Sicht schon wieder ästhetisch ansprechenden Verrenkungen der Pflanze anschaut, kann man sich kaum vorstellen, welche „Entscheidungen“ und vielleicht auch welche „Dramen“ sich beim Aufstieg unter dem Motto „Der Sonne entgegen“ abgespielt haben mögen.
Die Kletterpflanze ist schließlich vom Zaun zum Baum übergegangen und hat von da an den direkten Weg nach oben genommen, wo ihr Sonnenenergie zur Genüge zur Verfügung steht. Der an anderen Stellen bereits niedergesunkene und durch den ständigen Kontakt mit der feuchten Erde weitgehend weggerostete Zaun hat für die Funktion als Gerüst im Gegenzug eine stabile Stütze erhalten und kann auf diese Weise noch wesentlich länger an die bereits dem menschlichen Vergessen anheimgefallenen Zeiten seiner ursprünglichen Funktion erinnern.
Im unteren Ausschnittsfoto erkennt man, dass der Draht nicht nur von der Pfanze aufgenommen wurde, sondern streckenweise einen auffälligen Drehwuchs bewirkt hat, durch den sich die Pflanze um den Draht herumgewunden hat. Warum die Pfanze in dieser unterschiedlichen Weise auf das technische Stützwerk reagiert, indem sie es einmal in sich aufnimmt und ein anderesmal um ihn herumwächst, bleibt mir verborgen. Es muss irgendwo eine Entscheidung für die eine oder andere Version getroffen worden sein.

Heiße Experimente – Physik in der Sauna

H. Joachim Schlichting, Christian Ucke. Physik in unserer Zeit 52/2 (2021), S. 94 – 97

In einer Sauna herrschen ungewöhnliche thermische Bedingungen. Ein Saunagang lässt sich daher leicht zu einer Experimentalsituation umfunktionieren. Thermometer, Sanduhr, Hygrometer und oft auch eine Waage stehen standardmäßig zur Verfügung. Gegenstand der Experimente ist vor allem der eigene Körper. Weiterlesen

Der Pi-Tag – der kreisförmigste aller Tage


Eigentlich müsste man sich darüber wundern, dass ein ins Wasser geworfener Stein, der zunächst ein Chaos von Wasserbewegungen auslöst, unmittelbar anschließend alles in eine harmonische Ordnung zurückbringt: Es entstehen Kreise über Kreise. Und die Seele dieser Kreise ist eine Zahl, das Pi (oder besser π). Und heute ist es mal wieder so weit wir feiern (naja, nicht alle aber einige Nerds) den kreisförmigsten alle Tage des Jahres, den Pi-Tag – nach der amerikanischen Schreibweise für das heutige Datum: 3.14.
Wem das irrational erscheint, der hat völlig recht. Denn Kreise, so real und rational sie auch sein mögen, tragen im tiefsten Innern etwas sehr Irrationales, das Pi. Das macht die Kreise und damit das Pi so menschlich. Man denke nur an die Gedanken, die nachts wenn man mal wieder nicht schlafen kann, die Runde machen und dabei vielleicht nur um sich selbst kreisen. Egal ob Gedanken mit kleinem oder großem Durchmesser, alle müssen mit Pi (= 3,1415…usw.) multipliziert werden, um alle Ecken und Kanten zu verlieren und schön rund zu werden.
Selbst die Form unseres Kopfes ist dadurch auf die eine oder andere Weise rund geworden, sei es nur eher in Zylinder-, Birnen- oder Eierform. Man kann das auch umdrehen und mit Francis Picabia (1879 – 1953) zu der Ansicht gelangen: Unser Kopf ist rund, damit das Denken die Richtung wechseln kann. Deswegen gilt er auch nicht als zentrischer sondern exzentrischer Ausnahmekünstler, der u. A. zu der wichtigen Erkenntnis kam: „Hier ist hier“. Aber auch das Exzentrische definiert sich in Bezug auf das zentrische, wobei man wieder beim Pi ist.
Wer Interesse an früheren Pi-Tagen dieses Blogs hat, findet sie hier und hier und hier.

Wie irrational ist es, dass die größten Spritzer im obigen Foto blau sind?

Wo bleiben die Gesichter?

Zu Zeiten, in denen man nur maskierte Gesichter zu Gesicht bekommt, wird die Sensibilität für das Vermisste und Zurückgesehnte derart verfeinert, dass man sie schließlich überall sieht und sei es in einer noch so winzigen Blase. Damit wird vermutlich auch das Gefühl von vielen von uns zum Ausdruck gebracht, in einer Blase zu leben. Denn nur unter diesen Bedingungen kann man zur Zeit ohne Maske so sein wie man ist.

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