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Physik im Alltag und Naturphänomene

Diese Kategorie enthält 1037 Beiträge

Uttum im Morgennebel

Wenn man die ostfriesische Landschaft erleben möchte, muss man früh anfangen. Oft beginnt der Tag mit Nebeln, die aus den Kanälen und Schlooten aufsteigen und die Strukturen der Landschaft mit etwa derselben Geschwindigkeit freigeben wie das eigene Bewusstsein sich auf den neuen Tag einzustellen vermag.
Ich habe bewusst eine Schwarzweiß-Aufnahme gewählt, weil das Wahrnehmung noch weitgehend durch die Stäbchen bestimmt wird.

Hier werde ich ab heute eine Woche ohne Internet verbringen 🙂

Klatschmohnidylle wie in alten Zeiten

Es gibt sie noch, die Klatschmohnfelder der 60er Jahre des vorigen Jahrhunderts.  Jedenfalls fühlte ich mich angesichts dieses unbefestigten Weges durch Getreidefelder, die wohl keine Pestizide kennengelernt haben und von Klatschmohn gesäumt sind, in alte Zeiten zurückversetzt. Allerdings gibt es auf dem Foto einige verräterischen Anachronismen, die die Jetztzeit hindurchschimmern lassen: Die Zementziegel der perfekt renovierten Häuser, die Ortgangziegel, die man damals noch nicht in dieser Form hatte, die Verkleidung des Schornsteins, die moderneren Strommasten …

Sonnenmalerei – Samaria I

Das Sonnenlicht lässt sich durch optische Vorgänge wie Reflexion, Brechung, Beugung u.ä. ohne weitere Einwirkung in farbige Strukturen verwandeln, die man dem ansonsten langweilig weißen Licht kaum zutraut. Im Anschluss an den Künstler Paul Konrad Hoenich (1907 – 1997), der sich vor allem mit reflektiertem Sonnenlicht befasst hat, ordne ich diese Strukturen (siehe Abbildung) der Sonnenmalerei zu. Hoenich weist darauf hin, dass der Künstler bei der Technik der Sonnenmalerei „die Art und Qualität der Projektion (des Sonnenlichts) bestimmt, die einzelnen Bilder aber nicht im voraus festlegen kann.“
Im vorliegenden Fall habe ich einen Schnitt durch ein mit Hilfe eines CD-Rohling erzeugtes Axicon auf einem weißen Blatt Papier aufgezeichnet.

Ein Traktoren-Tanzplatz?

„Was das hier wäre?: „Na, ein Traktoren-Tanzplatz; unverkennbar.“ Denn die grobgeperlten, geriffelten, profilierten, conti-gesohlten Spuren überschnitten, kreuzten, ringelwurmten, walzten, derart um- & durcheinander, daß es rational-rationell schwerlich mehr zu erklären war: „Gleich hinter Mitternacht, wenn sich der träge Nordbär umgekehret, mach sie sich los: brummldieknubbldiebrapp“

Hat Arno Schmidt recht?


* ArnoSchmidt (1914 – 1979). Kühe in Halbtrauer. Berlin; 1990, S. 88

Die Blaue Stunde aus der Sicht der Physik

Ich bin öfter darauf angesprochen worden, was es aus physikalischer Sicht mit der Blauen Stunde auf sich hat. Damit ist das Phänomen gemeint, dass kurz nach dem Sonnenuntergang die Gelb- und Rotfärbungen des Himmels verschwinden und einem erstaunlich kräftigen Blau Platz machen.
Doch der Reihe nach. Wenn die Sonne untergeht, nimmt sie bekanntlich eine rote Farbe an und ihr Licht ist dann meist so schwach, dass man bedenkenlos hineinblicken kann. Bei besonders farbenprächtigen Sonnenuntergängen sind nicht nur die Sonne und von ihr beleuchtete Wolken in intensive Gelb- und Rottöne getaucht, sondern auch mehr oder weniger große Teile des ansonsten blauen westlichen Himmels. Weiterlesen

Stockwerke des Himmels

„Stockwerke des Himmels“ sind mir immer mal wieder in mythologischen und religiösen Texten begegnet. Ich konnte mir das bislang nicht so recht vorstellen – bis ich diesen Sonnenuntergang erlebte, in dem die Sonne von einem Stock in den nächst niedrigeren stieg… 😉

Physikalisch gesehen ist die Sache indes klar. Wolkenbänke treiben auf die Küste zu. Aufgrund der perspektivischen Verkürzung erscheinen sie zu schmalen Bändern gestaucht, durch die die Sonnenstrahlen hindurchbrechen. Auch das scheinbare Auseinanderlaufen der Strahlen ist ein Perspektiveneffekt.

 

Ringelnde Kondensstreifen

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 7 (2020), S. 82 – 83

Am Himmel zeigten sich weiße Schrammen.
Guy Helminger (*1963)

In großer Höhe erzeugen die Abgase eines Flugzeugs oft langgestreckte Bänder aus Eiskristallen. Es scheint, als lägen die Kondensstreifen ruhig in der Luft – tatsächlich sind sie voller Bewegungen. Sie rotieren in der Regel gegensinnig zueinander und zerfallen manchmal in ringartige Elemente. Weiterlesen

Ist die Schönheit der Kartoffelblüte sinnlos?

Angesichts der schönen Blüte der Kartoffel würde man nach der üblichen Ansicht davon ausgehen, dass dadurch Insekten angelockt werden sollen, um wie bei anderen Pflanzen auch die Bestäubung herbeizuführen. Doch das ist bei der Kartoffel offensichtlich nicht der Fall, weil sie dazu den Wind ausnutzt. Aber der Wind lässt sich wohl kaum durch schöne Blüten anlocken.
Ich frage mich nicht erst angesichts dieses offensichtlichen Gegenbeispiels einer rein evolutionsbiologischen Begründung für die Schönheit, bzw. – weniger anthropomorph ausgedrückt – für den Farb- und Strukturreichtum, ob es dafür nicht auch andere, weniger utilitaristischere Gründe geben könnte?

Rätselfoto des Monats Juli 2020

 

Welche Naturphänomene sind auf dem Foto zu erkennen. In welche Himmelsrichtung blickt man?


Erklärung des Rätselfotos des Monats Juni 2020

Frage: Wie kommt der Schatten in den Schatten?

Frage: Wie kommt der Schatten in den Schatten?
Antwort: Eines Abends bei schon tiefstehender Sonne entdeckte ich den eigenen Schatten innerhalb eines fremden Schattens, dem eines Gebäudes. Er war verständlicherweise allein schon aus Gründen des Kontrasts nicht besonders ausgeprägt aber gut sichtbar. Er fiel mir zunächst nicht direkt auf, sondern erst aufgrund der Koordination der Bewegungen meines vor mir hergeschobenen Erstschattens, mit zunächst nur schemenhaft aus dem Augenwinkel bemerkten Bewegungen innerhalb eines anderen Schattens.
Des Rätsels Lösung ist nicht mystisch, sondern physikalisch. Ich brauchte mich nur umzudrehen, um den Ursprung der Lichtquelle zu sehen, die meinen Zweitschatten bewirkte. Ich blickte in ein blendendes Fenster eines relativ weit entfernten Gebäudes. Das kommt insbesondere bei tiefstehender Sonne nicht selten vor. Seltener ist es jedoch, dass der Zweitschatten auf eine Projektionsfläche geworfen wird, die nicht von der wesentlich heller strahlenden Sonne direkt beleuchtet wird. Da würde die geringfügige Aufhellung durch das vom Fenster reflektierte Licht nicht zu sehen sein. Im vorliegenden Fall wird durch den Fensterreflex ein direkter Schatten etwas aufgehellt, sodass der Schatten meiner im Wege stehenden Person einigermaßen deutlich zu sehen ist.

 

Blattblätter – eine Form der Variegation

Dass Blätter in ihrer Farbe changieren können (nicht nur im Herbst) kennt man, dass aber Blätter der Form nach ein weiteres Blatt mit stark unterschiedlicher Farbe tragen können, dürfte weniger bekannt sein. Jedenfalls war ich erstaunt als ich einen Baum mit derartigen Mustern vorfand. Dabei sind solche Verfärbungen bekannt. Man spricht von panaschierten Blättern (frz. panacher „farbig machen, mischen“). Dieses Phänomen kann natürlicherweise auftreten, wobei die Farben meist zwischen grün und weiß changieren. Die Biologen sehen darin die Funktion Insekten anzulocken. Weiterlesen

Blickfang – Symmetriebruch

Die Symmetrie wird in diesem Foto ganz offensichtlich in mehrfacher Weise gestört. Dennoch bildet sie so etwas wie einen invarianten Hintergrund, vor dem die Abweichungen von Symmetrie überhaupt erst als solche wahrgenommen werden. Hervorheben möchte ich die Sandrippel, die in ihrer Ähnlichkeit durch zufallsbedingte Abweichungen von einem Muster zeigen, das als solches gar nicht explizit gemacht werden kann. Die Farben des Meeres und des Himmels weichen links und rechts von der Spitze der Düne geringfügig voneinander ab. Schuld ist ein mäßiger Sandsturm, der rechts über die fast lineare Dünenkante fegt und der Atmophäre ein wenig Sandbraun beimischt.

Von Pierre Curie (1859 – 1906), Nobelpreisträger für Physik (1903), stammt der Ausspruch: „C’est la dissymétrie qui crée le phénomene“ (Es ist die Asymmetrie, die das Phänomen erschafft (Übers. HJS)). Ich würde hinzufügen: Die Asymmetrie bzw. der Bruch der Symmetrie bringt auch das Schöne hervor.

Straßenbaum versus Straßenlaterne

Technische Objekte erkennt man oft daran, dass sie den geometrischen Idealgestalten wie zum Beispiel einer perfekten Vertikalität folgen. Eine Mauer hat senkrecht zu sein, eine Straßenlaterne ebenso. Natürlichen Objekten, wie zum Beispiel einem Baum, erlaubt man hingegen Abweichungen, was meist mit der Vorstellung einer minderen Perfektion verbunden wird.
Vergleicht man vor diesem Hintergrund die Laterne am Ufer eines Entwässerungsgrabens mit dem Baum an einer vergleichbaren Stelle, so sieht man, dass die Verhältnisse hier gerade umgekehrt zu sein scheinen. Die Laterne hat sich den durch natürliche Vorgänge bewirkten Verschiebungen des Bodens entsprechend nach hinten geneigt, während der Baum als lebende Struktur in der Lage ist, auf solche Änderungen in seiner Umwelt zu reagieren: Er bleibt vertikal, indem Kipptendenzen erkannt und durch geeignete Wachstumsvorgänge kompensiert werden.
Dass die Bäume wie andere Pflanzen auch, dem Licht entgegenstreben (Fototropismus) bedeutet noch nicht, dass sie auch vertikal nach oben wachsen müssen, denn das Licht kommt aus vielen Richtungen. Vielmehr richten sie sich noch stärker entgegen der Wirkung der Schwerkraft aus (negativer Geotropismus). Die „Wahrnehmung“ der Schwerkraft erfolgt in den Wurzeln, sie ist senkrecht nach unten gerichtet (Geotropismus). Daher wird ein Baum, der an einem Hang aufwächst (siehe Bild) dem ungeachtet senkrecht nach oben streben.

Dünenlandschaft von der Natur gemalt

Das Foto scheint auf den ersten Blick so etwas wie eine Wüstenlandschaft darzustellen, in der die Dünen in unterschiedlicher Formation und Größe gestaffelt erscheinen. Einzig der dicke dunkle Rand mit dem die Dünen wie einem dunklen Stift nachgezeichnet zu sein scheint könnte dagegen sprechen. Zwar ist der Gedanke an eine Wüste nicht ganz von der Hand zu weisen, aber der Bezug ist ein anderer. Es handelt sich nämlich um eine Platte festen Sandsteins, die aus dem verfestigten Gestein herausgesägt wurde. Dieser Sandstein besteht aus abgelagerten Sandkörnern, die vor etwa 75 – 125 Millionen Jahren im Bereich des heutigen Südwestens der USA zusammen gebacken und unter dem Einfluss von Wasser auf natürliche Weise zementiert und verfestigt wurden. Die goldfarbenen Maserungen sind vermutlich dadurch entstanden, dass sich im Wasser gelöstes Eisenoxid niederschlug. Ein eisen- und wasserhaltiges Gemisch verschiedener Eisenoxide wie Goethit, Lepidokrokit und andere hydratisierte Eisenoxide (Limonit) bildeten außerdem die Basis des natürlichen Zements. Die dunklen Linien sind hoch konzentrierte Ausfällungen von Eisen.
Ich habe dieses schöne Stück vor allem aus ästhetischen Gründen auf einer Mineralienbörse erstanden.

Pappus in der Juniluft

In der Schule verabreichte man uns tonnenweise Wissen, das ich fleißig verschlang, das mein Blut aber nicht in Wallung brachte. Ich betrachtete die schwellenden Knospen im Frühling, den Glimmer im Granit, meine eigenen Hände und sagte mir: „Ich werde auch das begreifen, ich werde alles begreifen, aber nicht, wie SIE es wollen. Ich werde eine Abkürzung finden, ich werde mir einen Dietrich machen, ich werde die Pforten sprengen. Es war entnervend, widerlich, sich Reden über Sein und Erkennen anzuhören, wenn alles um uns her Geheimnis war, das nach Enthüllung schrie: das alte Holz der Bänke, die Sonnenkugel jenseits der Fensterscheiben und Dächer, der ziellose Flug des Pappus in der Juniluft. Wären etwa alle Philosophen und alle Heere der Welt in der Lage gewesen, diese Mücke zu konstruieren? Nein, nicht einmal begreifen konnten sie sie: das war schimpflich, schändlich, es galt einen anderen Weg zu finden.*


* Primo Levi. Das periodische System.

Nicht alles was glänzt, ist Gold

Diese Feststellung William Shakespeares (1564 – 1616) passt sehr gut zur Goldwespe (Chrysis ignita oder Hedychrum rutilans?), deren faszinierende äußere Erscheinung (Fotos) so gar nicht zu ihrer – nach menschlichen Maßstäben – brutal parasitären Lebensweise zu passen scheint. Ihre Farben sind nicht nur glänzend wie poliertes Metall, sie changieren irisierend, wenn man sie aus unterschiedlichen Blickwinkeln betrachtet.
Weder der metallische Glanz noch der Farbwechsel beim Verändern des Blickwinkels gehört zu den Erfahrungen, die man normalerweise mit den Farben eines Gegenstands verbindet. Denn sie entstehen normalerweise durch die Anwesenheit chemischer Pigmente. Diese absorbieren bestimmte Farben (Wellenlängen) des weißen Lichts und reflektieren die entsprechende Komplementärfarbe. Verschiedene Pigmente rufen verschiedene Farben hervor. Beispielsweise verdanken Pflanzen ihre grüne Farbe dem Chlorophyll und die unterschiedlichen Brauntöne der menschlichen Haut und des Haares hängen von der Konzentration des Pigments Melanin ab. Weiterlesen

Vor dem längsten Tag mache ich mich noch einmal lang

Das ist einfacher gesagt als getan. Denn man muss wirklich früh aufstehen, sodass die Sonne weit genug über den Horizont gestiegen ist, um einen deutlichen Schatten werfen zu können. Aber dann wird man – wie dieses leider nur mit einem Handy aufgenommene Schattenselfie zeigt – zumindest in seinem Schatten so lang wie nie. Außerdem erscheint der Schattenkopf von einer Aufhellung – einer Art Heiligenschein – umgeben. (Leider versagt die Handykamera hier die Helligkeitsübergänge gut wiederzugeben.)
Genau genommen ist es nämlich kein vollständiger Heiligenschein, wie man ihn von der morgendlichen Wiese kennt, denn es fehlen die Wassertröpfchen. Wir haben es hier nur mit einem Oppositionseffekt zu tun. Der rührt daher, dass um den Sonnengegenpunkt (Antisolarpunkt) alle Schatten der Rauigkeiten des Weges minimal werden. Denn man blickt ziemlich genau mit der Sonne im Nacken auf sie. Die Stelle erscheint daher sehr hell. Aber je weiter man sich von diesem Punkt entfernt und damit immer schräger auf den Untergrund blickt, desto mehr beschattete Bereiche kommen ins Bild mit der Folge, dass die mittlere Helligkeit der Szenerie abnimmt.
Bei den grotesken Verzerrungen spielt die perspektivische Verkürzung eine wichtige Rolle. So erscheinen die Schatten umso mehr in die Länge gezogen, je näher sie sich beim Original befinden (siehe die Entfernung bis zum unteren Ansatz der Hosenbeine).

Kunst der chemischen Beständigkeit

Der Zerfall hat viele Gesichter. Hier sieht man ein in die Jahre (viele Jahre!) gekommenes Tor, bei dem das Luftige überhand zu nehmen scheint. Man muss schon auf haltbarere Materialien zurückgreifen, um einen Rest von Stabilität zu bewahren – ein leuchtend blaues Kunststoffband. Weiterlesen

Warum sich die Spinne nicht selbst auf den Leim geht

Schaut man eine Kreuzspinne an, wie sie sich gewissermaßen auf Zehenspitzen auf den Fäden ihres filigranen Netzes bewegt, so bekommt man den Eindruck, dass sie Vorsicht walten lässt. Das ist nötig, denn der Spiralfaden der eng mit Klebetropfen ausgestattet ist, stellt nicht nur eine Gefahr für die Beutetierchen der Spinne dar. Sie muss selbst aufpassen, dass sie sich nicht auf den Leim geht. Weiterlesen

Blätter im Sonnenlicht

Das zierlich eingekerbt-, und nett-gezackte Laub,
Wodurch die Adern sich bis an die Ecken,
Voll klares Safts, wie Blut, erstrecken,
Ist recht verwunderlich geweb´t. Solch eine Menge
Stets wiederum aufs neu geteilter zarter Gänge
Durchflicht das ganz Blat, wodurch es sich vereint,
Und, wie ein grünes Fleisch, voll grüner Adern scheint.
Ein Blat beschattet oft das ander´, und vermehret,
Durch seine dunk´le Zierlichkeit
Der Schatten, Bildungen und Farben Unterscheid.


* Barthold, Hinrich Brockes (1680 – 1747). Im grünen Feuer glüht das Laub. Weimar o.J., S. 31

Flachdacharchitektur – ein Kampf gegen die Schwerkraft

Die Idee des geneigten Daches ist von Anbeginn an in der Architektur präsent. Selbst die Schornsteine werden/wurden liebevoll mit Schindeln belegt und gepflegt. Man stelle sich nur vor, wie aufwändig es ist, eine defekte Schindel an einem hohen Schornstein zu ersetzen. Geneigte Dächer sind eine ebenso natürliche wie geniale Möglichkeit, Wasser zu kanalisieren. Nur viele Architekten des 20. Jahrhunderts und danach meinten eine bessere Idee zu haben, indem sie das ebene Flachdach einführten.
Nicht nur dass dadurch die Weiterlesen

Zur Entfaltung einer Mohnblüte

Schaut man sich eine frisch entfaltete (sic!) Mohnblüte an, so zeigt diese oft noch Spuren der Falten, die an die Art der Verpackung der Blütenblätter im Innern ihrer Kapsel erinnern. Auch wenn die Falten zunächst kein regelmäßiges Muster erkennen lassen, waren die „pränatalen“ Blütenblätter nicht einfach in die Kapsel hineingeknüllt worden, sondern nach allen Regeln der platzsparenden Faltungstechnik untergebracht. Das zeigen die immer wiederkehrenden Muster, die die aufbrechenden Knospen offenbaren in denen  ansatzweise die Blätter oder Blüten in kompakter Form zusammengefaltet vorhanden sind und ihrer Entfaltung entgegensehen. Die kunstvolle Faltung ist die natürliche Lösung des Problems, die späteren Blätter und Blüten auf kleinstem Raum in kompakter Form unterzubringen. Weiterlesen

Kürbiskernöl – kulinarisch und optisch beeindruckend

Kürbiskernöl ist eine kulinarische Spezialität der Steiermark und wird aus dem Steirischen Ölkürbis (Cucurbita pepo var. styriaca) hergestellt (unteres Foto). Dieser hat anstelle der verholzten Samenschale bei anderen Kürbissen nur ein dünnes Häutchen, sodass es vergleichsweise leicht gepresst werden kann.
Interessant ist allerdings nicht nur der kulinarische Aspekt des Öls, sondern auch der physikalische, der sich in einem interessanten optischen Verhalten der Flüssigkeit äußert: In der Flasche oder als dickere Schicht ist das Öl dunkelrot bis braun, während es als dünne Schicht, wie sie beispielsweise beim Anrichten von Salat oder auf einem Uhrglas auftritt, eine grüne Färbung annimmt (oberes Foto). Das ist erstaunlich, weil man durch die Veränderung der Schichtdicke einer Substanz normalerweise lediglich eine Änderung in der Helligkeit und Farbsättigung erwartet aber keine völlig andere Farbe. Weiterlesen

Mendelsche Regel

So kann man kaum Punkte machen 😉

Immerhin gibt es Marienkäfer mit bis zu 24 Punkten.

Natürliche Aufzeichung von Wellen

Blickt man über ein Gewässer, so ist es oft schwierig, den Wellengang im Wasser zu erkennen. Denn Wasser ist transparent und strukturlos. Aber Wasser reflektiert auch spiegelnd die Umwelt. Sofern diese genügend strukturiert ist, sehen wir auf dem Wasser ein mehr oder weniger detailliertes Muster, das im vorliegenden Fall auch noch durch seinen Farbenreichtum besticht.
Das Muster kommt dadurch zustande, dass die Wellen den unterschiedlichen Reflexionsrichtungen der gekrümmten Oberfläche entsprechend das Licht in unterschiedliche Richtungen schicken, was zu einer neuen Zusammensetzung vorher zumindest stückweise einheitlicher Flächen führt.
Daraus erkennt man zwar, dass das Wasser wellig ist, aber nicht in welcher Weise genau. Dafür das zu erkennen ist in der vorliegenden Situation auch gesorgt. Denn auf dem Wasser spiegeln sich drei vertikale Säulen, deren Reflexe die Wellenform an drei verschiedenen Stellen nachzeichnen.

Man kann also das Foto entweder als eine naturschöner Malerei ansehen oder als eine natürliche Experimentalsituation, die Auskunft über das Wellenverhalten des Gewässers liefert.

 

Unterschlupf

So fand ich das Tierchen kurz vor dem Gewitter. Kurz danach war es wohlbehalten und trocken immer noch da. Ob es geahnt hat, was kommen würde?

Mustergültige Interferenzen

Manchmal zeigt sich die Natur von ihrer experimentellen Seite. Ein in eine Vogeltränke geratenes, zappelndes Insekt macht diese zu einer Wellenwanne*, wie man sie vielleicht noch vom Physikunterricht her kennt. Das Insekt schlägt vergeblich mit den Flügeln, um sich aus dieser bedrohlichen Situation zu befreien. Obwohl ihm sicher nicht dazu zumute ist, erzeugt es dadurch ein ebenso ästhetisch ansprechendes wie physikalisch interessantes Wellenmuster.
Dieses Muster ist die Überlagerung der beiden Wellensysteme, die durch die phasengleich mit konstanter Frequenz wie die Tupfer einer Wellenwanne auf und ab bewegten Flügel hervorgerufen werden. Weiterlesen

Der Mond ist keine Scheibe

Wenn man den nächtlichen Vollmond betrachtet, hat man nicht den Eindruck, dass es sich um eine Kugel handelt, obwohl wir wissen dass es so ist. Wir sehen ihn wie auch die Sonne als Kreisscheibe, weil er im Vergleich zur Umgebung so hell ist, dass seine Oberflächenstruktur auch unter günstigen Bedingungen nur schemenhaft zu erkennen ist, ansonsten aber weitgehend überstrahlt werden. Dieses Phänomen der Irradiation kennt man aus dem Alltag. So scheint sich die Sonne ein Loch durch dürres Geäst zu brennen oder der junge Mond scheint einen größeren Radius zu haben als der volle Mond. Weiterlesen

Ein Geysir mitten in Deutschland

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 6 (2010), S. 82 – 83

Dass nichts von selbst geschieht,
sondern unter dem Druck der Notwendigkeit
Leukipp (5. Jh. v. Chr.)

In tiefem Grundwasser kann sich unter hohem Druck viel Kohlendioxid lösen. Wenn sich die Mischung unter speziellen Bedingungen den Weg zur Oberfläche bahnt, kommt es zu einem spektakulären Ausbruch – und zwar immer wieder. Weiterlesen

Küsten sind meist weiß berandet

Phänomenologisch verschiedene Bereiche der Natur werden oft in äußerst kreativer Weise durch eine auffällige Markierung berandet. So sind Blätter von Bäumen im Sommer oft von gleißend hellen Linien der Lichtstreuung umgeben, während sie im Winter eher von Reifkristallen eingerahmt erscheinen und berandete Wolken und berandete nasse Blätter, berandete Dünen in der Sandwüste…
Ein weiteres meist von einer höheren Warte aus zu beobachtendes Phänomen sind die hellen Ränder an den Meeresküsten (Foto). Es handelt sich um das weiß schäumende Wasser der brandenden Wellen und man fragt sich vielleicht, warum sie unabhängig vom jeweiligen Küstenverlauf stets senkrecht einlaufen.
Die je nach der Windrichtung, den Meeresströmungen und anderen Einflüssen aus einer bestimmten Richtung gegen die Ufer anlaufenden Wellen werden in dem Maße wie ihre Höhe die Größenordnung der abnehmenden Wassertiefe erreicht im unteren Bereich durch Reibung mit dem Boden gebremst. Weil die Seite der schräg einlaufenden Wellen, die zuerst Bodenkontakt erfährt zuerst gebremst und verlangsamt wird und sich dieser Prozess über die ganze Länge der Front fortsetzt, kommt es zu einem Einschwenken der Welle bis sie nahezu senkrecht zum jeweiligen Uferabschnitt weiterläuft. Dabei wird sie im unteren Bereich so stark gebremst, dass sie aus Trägheit im oberen Bereich weiterlaufend sich überschlägt und weißschäumend und tosend ihre Bewegungsenergie verbraucht, d.h. durch Wärme an die Umgebung abgibt.
Da der Schaum des brandenden Wassers aus zahlreichen Luftbläschen besteht, an denen das Licht in alle Richtungen vor allem durch Totalreflexion gestreut wird, erscheint es uns weiß.

Rätselfoto des Monats Juni 2020

Wie kommt der Schatten in den Schatten?


Erklärung des Rätselfotos des Monats Mai 2020

Frage: Was ist physikalisch interessant an diesem Blick in ein Schaufenster?

Antwort: Als ich an den Schaufenstern eines Modegeschäfts vorbeiging nahm ich aus dem Augenwinkel wahr, dass sich dort etwas in umgekehrter Richtung bewegte. Es hörte sofort auf, als ich stehenblieb und nach der Ursache für diese Bewegung suchte. Ich sah eine Schaufensterpuppe in einem überdimensionalen Folienspiegel abgebildet. Gleichzeitig sah ich mich selbst darin gespiegelt allerdings kopfstehend. Die Puppe und ich standen vor einem Hohlspiegel. Warum war sie „aufrichtig“ und ich „verkehrt“. Die Ursache für diesen Unterschied lag in der unterschiedlichen Entfernung vom Spiegel. Die Puppe befand sich innerhalb der einfachen Brennweite des Spiegels und wurde wie beim vergrößernden Schminkspiegel den Reflexionsgesetzen gemäß aufrecht abgebildet. Ich selbst befand mich weiter entfernt zwischen einfacher und doppelter Brennweite und wurde wie die  Gebäude im Hintergrund auch kopfstehend abgebildet.

Wege 18: Imaginäre Wege in der Wüste

Ein nahezu monochromes Gemälde eines zum Horizont gehenden Weges. Er führt auf ein Gebirge zu, dessen Struktur nahezu übergangslos in einem mit Mammatuswolken verhangenen Himmel übergeht.
Solche Gedanken gingen mir durch den Kopf, als ich in einer Sandwüste pausierend die vielfältigen, ästhetisch ansprechenden Strukturen etwas näher betrachtete. Weiterlesen

Die beweglichen Antennen des Gefleckten Schmalbocks

Der gefleckte Schmalbock, der früher schon einmal Gegenstand dieses Blogs war, beeindruckte mich vor allem dadurch, dass er seine Geißelantennen virtuos in alle Richtungen zu krümmen vermochte (siehe Foto). Als ich ihn dabei beobachtete war es nur eine reine Trockenübung. Vielleicht wollte er sie gerade nur recken und strecken, so wie wir es manchmal mit unseren Armen machen. Weiterlesen

Ambivalente Farbfilme auf dem Wasser

Nach einer längeren Radtour ruhe ich mich am Strand des Großen Meeres aus. Dass dieser Binnensee mit Meer bezeichnet wird, während man von der See und Nordsee spricht, die ich nun wirklich als Meer bezeichnen würde, beschäftigt mich einen Moment. Dann werde ich durch die zahllosen Versuche abgelenkt, die jemand unternimmt, um den Außenbordmotor seines Bootes zu starten. „Jau, beim achten Mal…“, lästern einige Jugendliche, die den Auftritt des Bootsführers aktiv verfolgen, weil sie sonst nichts zu tun haben.
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Reflexionen in und über eine gewöhnliche Wasserpfütze

H. Joachim Schlichting. Physik in unserer Zeit 51/3 (2020), S. 149

Was man beim Blick in eine Wasserpfütze zu sehen bekommt, hängt vor allem davon ab, aus welcher Richtung man in die Pfütze schaut.

Wasserflächen von weitem gesehen, nehmen teilweise die Farbe des Himmels an, weil diese in ihnen spiegelnd reflektiert wird. Ein (flacher) See erscheint deshalb blau, weil der Himmel blau ist. Und wenn der Himmel bedeckt und grau ist, kann der See nicht anders, als es ihm gleichzutun.
Auch die abgebildete Wasserpfütze (Abbildung 1) gibt das Blau des Himmels und das Weiß der Wolken wieder. Nähert man sich jedoch der Pfütze, so verblasst die Farbe zunehmend. Steht man direkt davor (Abbildung 2), so wird die Pfütze unversehens nahezu transparent. Man sieht den darunter und im Randbereich befeuchteten Asphalt teilweise in noch kräftigeren Farben als ohne die Wasserschicht darüber.
Die Ursache für diesen Wechsel ist darin zu sehen, dass der Anteil des reflektierten Lichts umso größer ist, je flacher man auf die Wasseroberfläche blickt (Einfalls- und Reflexionswinkel bezogen auf das Lot zur Wasseroberfläche sind groß) und minimal wird, wenn man senkrecht hineinschaut (Einfalls- und Reflexionswinkel sind Null) (mittleres Foto). Zwar ist von den Wolken noch etwas zu erkennen, aber wegen des geringen Kontrasts zwischen Himmelslicht und feuchtem Asphalt sieht man von den Blauanteilen nichts mehr.
Dieses optische Verhalten beobachtet man nicht nur bei Wasserflächen, sondern auch bei anderen transparenten Medien wie etwa bei Fensterscheiben. Wenn das Licht senkrech einfällt, reflektiert die Grenzfläche zwischen Glas und Luft nur etwa 4%. Dieses hier nur qualitativ angesprochene Phänomen wird quantitativ durch die sogenannten Fresnelschen Gleichungen beschrieben.
Das untere Foto wurde ebenfalls aus größerer Entfernung aufgenommen, allerdings aus umgekehrter Richtung gegen die Sonne. Auch hier sieht man das Himmelsblau und einige Wolken reflektiert. Einen auffälligen Unterschied zeigt der Randbereich, in dem die raue Oberfläche der befeuchteten Splitteilchen ihr dunkles Aussehen (oberes Bild) in ein blendend helles Leuchten gewechselt hat. Da hier dieselbe Pfütze nahezu gegen die Sonne fotografiert wurde, reflektieren die befeuchteten Flächen der Splittteilchen das Sonnenlicht auch noch aus Winkeln in die Kamera, die vom Reflexionswinkel der horizontalen Wasseroberfläche geringfügig abweichen. Es besteht somit eine enge Beziehung zum Phänomen des Schwerts der Sonne [1], bei dem das Sonnenlicht nicht nur an einer Stelle, sondern aus einem mehr oder weniger breiten Nachbarbereich gesehen wird. Beim Foto in Abbildung 1 wurde hingegen mit der Sonne im Rücken fotografiert; die Splittteilchen reflektierten das Sonnenlicht daher hauptsächlich vom Fotografen weg. Hinzu kommt dass dort die diffuse Reflexion im feuchten Randbereich geringer ausfällt als in der trockenen Nachbarschaft, weil das einfallende Licht in der dünnen Wasserschicht einige Male hin-und her reflektiert und dabei stärker absorbiert wird als im trockenen Bereich. Dieses Phänomen kennt man von den kräftigen Farben und dem Glanz feuchter Steine (Physik in unserer Zeit 36/1, 47 (2005)).
An der unterschiedlichen Helligkeit des Grases ist ebenfalls zu erkennen, dass man im einen Fall auf die beleuchtete Seite und im anderen Fall auf die Schattenseite der Gräser blickt.

Literatur

[1] H. J. Schlichting, Der mathematische und naturwissenschaftliche Unterricht 1998, 51 (7), 387; 1999, 52 (6), 330.

Dies ist die Einreichversion der Publikation.

PDF: Reflexionen in und über eine gewöhnliche Wasserpfütze.

Weiße Blüten durch Totalreflexion

Buschwindröschen erfreuen uns vor allem in der Zeit, in der die Bäume noch kein Laub haben und die Sonne den Waldboden erreicht, wo sie vornehmlich wachsen und blühen. Später, wenn das Blätterdach der Bäume so dicht ist, dass nur noch wenig Licht zu ihnen vordringt, verziehen sie sich in die dunkle Unterwelt des Rhizoms, in dem die während der kurzen Vegetationsperiode erworbenen Nährstoffe für das nächste Frühjahr gespeichert werden. Weiterlesen

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