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Physikalisches Spielzeug & Freihandversuche

Diese Kategorie enthält 168 Beiträge

Das Valett-Federpendel – Ein Künstler mit Physik

Christian Ucke, H. Joachim Schlichting. Physik in unerer Zeit 52/4 (2021), S. 197 – 199

Die Schwingung wechselt selbsttätig zwischen auf und ab und hin und her

Die Verbindung von physikalisch-mathematischen Experimenten mit künstlerisch-handwerklicher Inspiration bringt überraschende Kreationen hervor. Jochen Valett hat ein besonderes Federpendel geschaffen.

Eine mit einem passenden Körper belastete vertikal ausgelenkte Schraubenfeder führt eine harmonische Schwingung aus. Dabei verkürzt und verlängert sich die Länge der Feder periodisch. Durch nicht zu vermeidende winzige seitliche Auslenkungen des Schwingers entsteht zusätzlich eine Art Fadenpendel, das mit dem Federpendel gekoppelt ist. Wenn beide Schwingungsarten in der Weise aufeinander abgestimmt sind, dass die Periode der vertikalen Auf- und Abbewegung gerade die Hälfte der Periode der seitlichen Hin- und Herbewegung entspricht, so treiben sich die beiden Schwingungen wechselseitig an – es kommt zur Resonanz. Sie besteht darin, dass die vertikale Schwingung die seitliche Pendelschwingung aufschaukelt bis sie selbst zur Ruhe gekommen ist und dann umgekehrt die Pendelschwingung die vertikale Schwingung antreibt usw. Auf diese Weise kommt es zu einem periodischen Wechsel zwischen reiner Auf- und Abbewegung und reiner Hin- und Herbewegung (siehe: Metapendel).

Schaut man sich das Federpendel bei der Auf- und Abbewegung genauer an, so entdeckt man, dass sich die Feder bei jeder Abwärtsbewegung zwangsläufig ein wenig abwickelt, weil durch die Verlängerung der Pendellänge die Drahtlänge pro Windung größer wird. Bei der Aufwärtsbewegung ist es dann genau umgekehrt und die Feder wickelt sich ein wenig auf. Durch die damit verbundene, an den Enden der Feder gut zu beobachtende leichte Drehung um eine gedachte senkrechte Achse wird auf den Körper ein Drehmoment jeweils in der einen oder anderen Richtung ausgeübt. Dabei wird Translationsenergie in Rotationsenergie verwandelt.

Umgekehrt führt die Drehung des Körpers dazu, dass die Feder ein wenig auf- oder abgewickelt wird, wodurch die Zugkraft der Feder entsprechend variiert wird. Bei einer Abwicklung wird die Zugkraft der Feder kleiner und der Körper sinkt weiter herab, während bei einer Aufwicklung die Zugkraft zunimmt und der Körper infolgedessen höher aufsteigt.

Stimmt man nun ähnlich wie bei der Kopplung zwischen Feder- und Fadenpendel durch geeignete Maßnahmen die Perioden zwischen Feder- und Torsionspendel aufeinander ab, so erreicht man ähnlich wie bei der Kopplung zwischen vertikaler und seitlicher Schwingung, dass ein permanenter Wechsel zwischen Rotation- und Translationsschwingung bewirkt wird. Um das zu bewerkstelligen, bleibt einem nichts anderes übrig, als das Trägheitsmoment des Pendelkörpers an die Gegebenheiten anzupassen, denn an den Eigenschaften der Feder lässt sich kaum etwas verändern.

Ein solches in regelmäßiger Weise zwischen Translation und Rotation wechselndes Pendel wurde 1894 von dem Engländer Lionel Robert Wilberforce konstruiert. Es ist auch heute noch ein verbreitetes Demonstrationsgerät in physikalischen Praktika und zeigt sehr anschaulich das Phänomen gekoppelter Schwingungen. Als Pendelkörper dient meist ein Metallzylinder, an dem senkrecht zur Achse Gewindestangen mit drehbaren Muttern fixiert sind (Abb. 1). Indem man die Muttern zum Zylinder hin oder von ihm weg dreht, kann das Trägheitsmoment sehr fein variiert und die Resonanzsituation genau einjustiert werden. Weiterlesen im PDF-File

Die Einreichversion dieses Aufsatzes kann als PDF-file heruntergeladen werden.

Eine Trinkflasche mit Regenbogenambitionen

Eine transparente Plastiktrinkflasche steht auf der Fensterbank im Sonnenlicht. Dieses fällt etwas nach links verschoben von vorn oben ein. Abgesehen von einer intensiven Lichtstreuung im oberen Bereich der Flasche, die so intensiv ist, dass die Details überstrahlt werden, fallen einige spektralfarbene Streifen auf.
Zum einen fällt ein regenbogenfarbiger Teilkreis auf ein Blatt weißes Papier, das ich der besseren Sichtbarkeit vor mir auf den Schreibtisch gelegt habe. Er entsteht dadurch dass das Licht beim schrägen Auftreffen auf die Wasseroberfläche in der Flasche gebrochen wird. Die gerundete Wasserschicht wirkt gewissermaßen wie ein Prisma, durch das das weiße Licht in Spektralfarben zerlegt wird, weil die Anteile mit den kürzeren Wellenlängen (Blau) stärker (zum Einfallslot hin) gebrochen werden, als die längeren (Rot). Ganz sauber gelingt die Aufspaltung in Farben nicht, weil die Kunststoffwand der Flasche nicht ganz homogen ist.
Zum anderen beobachtet man zwei spektralfarbene Streifen auf dem unteren Teil des Fensterrahmens. Sie werden dadurch hervorgerufen, dass das unterhalb der Wasseroberfläche einfallende Sonnenlicht zunächst gebrochen und dadurch spektral zerlegt wird, dann an der zum Beobachter hin gerichtete Innenwand reflektiert und schließlich beim Wiederaustritt aus der Flasche nochmals gebrochen wird.

Dabei tritt offenbar eine deutliche Fokussierung des Lichts auf zwei relativ schmale Streifen auf. Sie ist durch die Kreisgeometrie der Flasche bedingt, die dazu führt, dass wie bei der Entstehung des Regenbogens in einem Wassertropfen in einem bestimmten Winkel die Strahldichte am größten ist. Jenseits dieses Winkels, der etwa 40° von der Einstrahlrichtung des Sonnenlichts nach beiden Seiten abweicht, kommt kein Licht mehr an. Wir haben es also hier mit einem regenbogenartigen Phänomen zu tun.

Schließlich sieht man innerhalb der Flasche noch so etwas wie ein helles Rechteck. Es kommt dadurch zustande, dass der erleuchtete, von den beiden „Regenbogenstreifen“ begrenzte Bereich auf dem Fensterrahmen, vom diesem zur Flasche hin reflektiert wird. Die Flasche wirkt wie eine Zylinderlinse und fokussiert das Licht, von dem beim Wiederaustritt aus der Flasche ein Teil des Lichts an der zum Beobachter hin gerichteten Wandung gestreut wird.

Spiegelwirbel an einer Hausfassade

Als wir in intensiver Unterhaltung vor jener verspiegelten Fassade vorbeigingen (siehe Foto), in der ich gewissermaßen aus dem Augenwinkel die diesseitige Welt zwar unzugänglich und doch irritierend realistisch gedoubled im Schritttempo vorbeiziehen sehe, spürte ich plötzlich so etwas wie einen Sog. Die Unterhaltung war nicht mehr ernsthaft aufrechtzuerhalten. Wir blieben stehen und erkannten die Ursache für das merkwürdige Gefühl: Die Spiegelwand war mit einer Art Spiegelwirbeln belegt, die Teile des Abgebildeten um ominöse Mittelpunkte herum zu wickeln schienen. Als rational denkende Menschen glaubten wir natürlich nicht, den sagenhaften Aleph-Punkt gefunden zu haben, zumal es dann sehr viele davon gab. Und daher näherten wir uns der Fassade und stießen auf eine ganz profane Erklärung des Phänomens. Im Zentrum eines jeden Spiegelwirbels war der Kopf einer ordinären Schraube zu sehen, durch die ein riesiges spiegelndes blankes Blech fixiert wurde (siehe Foto). Durch die Spannung, mit der das Blech an den gewissen Stellen aus der Ebene heraus in eine vertiefte Position gezogen wurde, waren lokale Hohlspiegel geformt worden, die die Gegenstände entsprechend kreissymmetrisch verzerrt widergaben.

…und unter mir die Spiegelwelt

Als ich dieses Gebäude betrat (oberes Foto), wunderte ich mich weniger über die nahezu perfekten Spiegelungen im glatten Fliesenboden als über die Menschen, die darüber gingen als wäre es nichts oder vielmehr ein normaler Boden. Ich selbst hatte längst die Unschuld verloren und musste das Gehirn einschalten, um die Tiefen in die Spiegelwelt, die sich da vor mir auftaten als begehbar und nur von virtueller Tiefe anzusehen. Dabei erwies es sich als äußerst günstig, dass ich nicht vorausschauend in diese glitzernde Mischung aus Realität und Virtualität ging, sondern direkt nach unten blickte. Denn in diesem Fall sah man statt einer Tiefe einen zwar glänzenden aber soliden Fußboden mit schwarzen Marmorfliesen (unteres Foto). Andere Menschen, die hier aus und eingingen machten sich überhaupt keine Gedanken vor allem nicht solche, die mich beschäftigten.
Alice hinter den Spiegeln hatte es da einfacher, sie ging durch einen normalen, also vertikal aufgestellten Spiegel. Dort drohte kein Sturz in die Tiefe. Allerdings waren die Abenteuer, die sie in der Spiegelwelt durchleben musste, nicht ganz ohne.

Ab heute begebe ich mich für einige Tage in eine netzfreie Region, sodass ich erst später auf evtl. Kommentare reagieren kann. Ich habe aber mit einigen Beiträgen vorgesorgt. 🙂



Ein scheinheiliger Heiligenschein auf dem Pflaster

Kaum klingt die Häufigkeit der Coronen etwas ab, häufen sich schon die Heiligenscheine, auch wenn sie meist scheinheilig sind. Vor ein paar Tagen war es der Heiligenschein gepaart mit den gleichzeitigen Auftreten eines Doppelschattens und nun haben wir den Fall einer urbanen Glorie.
Normalerweise zeigt sich ein Heiligenschein auf einer feuchten Wiese bei tiefstehender Sonne, also eher in freier Natur. Doch inzwischen wird die darin zu sehende Diskretion immer mehr aufgegeben. Karl Bicker, einem Leser meiner Kolumne in Spektrum der Wissenschaft, hat sich sein Heiligenschein nunmehr auch in urbanem Umfeld offenbart (siehe Foto).
Er ist etwas exzentrisch geraten, wenn man ihn mit den Heiligenscheinen der Heiligen vergleicht, wo sich der Kopf meist schön in der Mitte befindet, aber ansonsten ist er perfekt und schön anzusehen.
Soweit die Fama, jetzt die Physik: Auf dem Foto handelt sich wirklich um einen Heiligenschein. Aber anders als der Heiligenschein auf der feuchten Wiese wird er in diesem Fall nicht durch Wassertröpfchen hervorgebracht, sondern durch winzige Glas- oder Plexiglaskügelchen, die – so vermute ich – entweder durch Sandstrahlarbeiten oder durch die Herstelllung von Straßenmarkierungen in der Nähe hierher gelangt sind. Denn wenn verschmutzte Fassaden mit Sandstrahlen gesäubert werden, so werden dabei keine Sandkörner verwendet, sondern Glaskügelchen, die gegen die Fassade geschossen werden. Und bei Straßenmarkierungen werden Kunststoff- oder Glaskügelchen in die obere Schicht der Farbe gegeben, damit das Licht eines Fahrzeugs von diesen Kügelchen zurückgestrahlt wird. Dadurch erlangen die Markierungen eine wesentlich höhere Sichtbarkeit.
Bei solchen Arbeiten kann es vorkommen, dass die winzigen (bis zu Bruchteilen eines Millimeter kleinen) Perlen auch dorthin gelangen, wo sie eigentlich nicht benötigt werden. Und da diese kleinen Leuchtsphären ansonsten kaum wahrzunehmen geschweige denn zu beseitigen sind, verbleiben sie dort und irritieren die Menschen bzw. verführen sie zu der Ansicht, einen Heiligenschein zu besitzen. Allerdings ist dazu auch noch der Sonnenschein nötig, damit sich die heilige bzw. genauer: scheinheilige Person als solche erkennt.
Der abgebildete Heiligenschein ist sichtlich etwas verrückt, denn der Schattenkopf liegt nicht im Zentrum. Das liegt daran, dass es sich auf dem Foto in Wirklichkeit nur um den Heiligenschein der Kamera handelt. Und die wurde eben nicht genau zentrisch vors Gesicht gehalten. Aber was hießt hier „nur“. Dass eine Kamera nun auch schon einen Heiligenschein besitzt, selbst eine Smartphonekamera, ist ein weiteres Wunder. Es ist sogar noch wunderbarer: Den eigenen Heiligenschein kann kein anderer je zu Gesicht bekommen. Umgekehrt gilt allerdings dasselbe.
Vergleicht man diesen Heiligenschein auf dem Pflaster mit dem auf der feuchten Wiese, so erkennt man einen weiteren Unterschied. Die mit Glas- oder Kunststoffkügelchen hervorgebrachte Aufhellung um den Kopf des Betrachters ist mit einem regenbogenfarbigen Rand umgeben. Dies weist auf einen Unterschied in der Entstehung hin. Während der Heiligenschein auf der Wiese vor allem durch das von den Grashalmen fokussierte und teilweise in die Wassertropfen reflektierte Licht hervorgebracht wird, geht die durch die Kügelchen produzierte Aufhellung vor allem aus dem „Umlauf“ des Lichts innerhalb der Kügelchen hervor. Wie beim Regenbogen wird der Anteil der in die Kügelchen hinein gebrochenen Lichtstrahlen, der an der Innenseite der Rückwand reflektiert anschließend wieder teilweise aus den Kügelchen heraus gebrochen und dabei in Spektralfarben zerlegt (Dispersion). Zusammen mit einer kaustischen Konzentration der Strahlen im „Regenbogenwinkel“ kommt es zu der auffällig deutlichen regebogenartigen Umrandung der Aufhellung. Damit ist dieser Heiligenschein auch noch eine Art trockener Regenbogen.

Magneto-hydrodynamischer Bootsantrieb – Vortrieb ohne Schraube

H. Joachim Schlichting, Jan Schlichting. Physik in unserer Zeit 52/3 (2021), S. 146 – 148

Skizze zum Waterloo-Bridge-Experiment. Faraday steht auf der Brücke und misst mit einem Galvanometer die Spannung zwischen den beiden Elektroden (Grafik:Museum of Innovation and Science, Schenectady).

Ein Bootsantrieb, der ohne lärmende Schraube auskommt? Der magneto-hydrodynamische Antrieb macht es möglich.

In der Hollywoodverfilmung „Jagd auf roter Oktober“ aus dem Jahre 1990 ist von einem U-Boot die Rede, das sich lautlos fortbewegen kann, weil der Antrieb keine bewegten mechanischen Teile besitzt und daher keine verräterischen Geräusche aussendet [1]. Der Antrieb wurde durch das magneto-hydrodynamische (MHD) Prinzip besorgt, durch das es möglich ist, elektrische Energie direkt in Bewegungsenergie des Wassers umzuwandeln und damit ein Schiff anzutreiben.

Publikation

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

Spiele mit Magnetkugeln

Auf dem Foto sieht man einen Zylinder, den ich aus einzelnen Magnetkugeln zusammengesetzt habe. Abgesehen davon, dass man dabei wie bei der Herstellung anderer puzzleartiger Gebilde vor allem Geduld lernt, gibt es weitere interessante Einblicke und Einsichten. Und damit meine ich nicht nur den stolzen Blick durch die Röhre, wenn sie denn endlich fertig ist.
Man lernt zumindest auf der Ebene des Umgangs mit vielen Magneten etwas über ihre Widerspenstigkeit. Sie ziehen sich nämlich nicht nur an, sondern stoßen sich auch ab, je nachdem wie sie sich annähern. Und wenn mehr als zwei Magneten im Spiel sind, dann erfährt man auch, wie Kompromisse in einer Form aussehen, bei der Gefühle und Animositäten sicherlich keine Rolle spielen – jedenfalls nicht die der Magnetkugeln. Irgendwann hat man den Bogen raus in Form einer Baustrategie und dann kann es schließlich sehr schnell gehen, bis der Zylinder steht oder sogar rollt.
Da die Kugeln alle spiegelnd sind, nehmen sie die Farben der Gegenstände an, die sie nach dem Reflexionsgesetz in unsere Augen senden. Um die Verhältnisse dabei möglichst einfach zu halten, habe ich das Konstrukt auf eine rote Fläche gelegt und prompt den Eindruck, dass in der ansonsten sehr gleich- und gesetzmäßig aufgebauten Rolle Defekte aufzutreten scheinen. Zum einen sehen einige Kugeln im Vordergrund so aus, als wären sie mit einem hexagonalen Muster winziger Dellen gesprenkelt – ähnlich wie bei Billardbällen (zum Vergrößern klicken). Zum anderen scheint es so als würde der einen oder anderen Kugel ein Stück fehlen und man blickte durch die Fehlstellen direkt auf den roten Untergrund.. Doch in beiden Fällen handelt es sich um Spiegelungen des aus der Umgebung stammenden Lichts. Die scheinbaren Dellen sind Abbilder gegenüberliegender Kugeln. Und die scheinbar fehlenden Stücke, durch die man direkt auf den Untergrund zu schauen vermeint,  sind Spiegelungen des Untergrunds. Man muss schon genau hinschauen, um sich zu vergewissern, was wohin gehört, was real und was nur vorgespiegelt ist.
Manchmal denke ich, dass uns das Alltagsleben im übertragenen Sinn zuweilen vor ähnliche Probleme stellt.

Vermeintliche Richtungsumkehr beim Kreisel

Wenn man einen rotierenden Kreisel bis zum bitteren Ende beobachtet wird man eine auf den ersten Blick merkwürdige Beobachtung machen können. Kurz vor dem Ende der Drehung neigt sich die Kreiseleben so weit, dass der Rand der Kreiselscheibe den Boden berührt. Infolge der dabei auftretenden Gleitreibung wird der Kreisel so stark gebremst, dass er schließlich auf dem Rand der Kreiselebene noch einige Male abrollt bis er vollends zur Ruhe kommt. Bei diesem Übergang scheint eine Richtungsumkehr einzutreten. Die Rollbewegung scheint in umgekehrter Richtung zu erfolgen wie die ursprüngliche Drehung des aufrechten Kreisels. Weiterlesen

Pissevache im Universum

Der bekannte Wasserfall – pisse vache – stürzt sich in einem solchen Bogen vom Felsen, daß man unter ihm weggehen kann und also gegen Regen zugedecket ist*.

Unter einem Wasserfall herzugehen übt auf den Menschen offenbar ein großes Vergnügen aus. Im Außenbereich des Bremer Science Center Universum gibt es einen kleinen Wasserfall, unter dem man ohne nass zu werden hergehen und sich darüber freuen können, nicht nass zu werden. Er wird insbesondere von Kindern reichlich frequentiert. Obwohl die Erfahrung und die Naturgesetze dafür gerade stehen, dass das herabstürzende Wasser seinen vorgeschriebenen und als Schiefer Wurf berechenbaren Weg nimmt, stellt das fallende Wasser immer wieder eine Herausforderung und für Kinder oft eine Mutprobe dar. Die meisten nehmen beim Unterqueren des Wassers eine geduckte Haltung ein, um ganz sicher zu gehen. Dem flüssigen Element traut man im Zweifelsfalle doch nicht so ganz über den Weg – zumal er schief ist.
Trotz dieser an sich unproblematischen Situation stellt man immer wieder fest, dass Eltern schließlich ihre nass gewordenen, aber glücklichen Kinder in Empfang nehmen.


*Jean Paul: Siebenkäs. In: Sämtliche Werke Abt. I, Bd. 2. München 1996, S.556

Levitation en miniature

Früher wurde das Wort Levitation meist mit esoterischen Erscheinungen, spiritistischen Sitzungen und Heiligenlegenden in Verbindung gebracht. Dabei geht es darum die Schwerkraft aufzuheben und Dinge zum Schweben zu bringen. Wie in den Fotos gezeigt lässt sich das heute mit leicht zugänglichen Materialien zumindest in kleinem Maßstab in einem Freihandexperiment realisieren. Dazu habe ich versucht, ein kleines Plättchen aus pyrolytischem Graphit über vier kleinen supermagnetischen Würfeln zu positionieren. Es weigerte sich wie jedes irdische Objekt seiner eigenen Schwere entsprechend sich auf den Magneten legen zu lassen und pendelte sich ein Stück weit darüber in eine Schwebeposition ein. Weiterlesen

Miniexplosionen in der Küche – Thermodynamische Aspekte von Popcorn

H. Joachim Schlichting, Christian Ucke. Physik in unserer Zeit 51/6 (2020), S. 302 – 304)

Puffmaiskörner verhalten sich bei Zufuhr von Wärme wie kleine Dampfkessel. Das in ihnen vorhandene Wasser verdampft teilweise und führt schließlich zur Explosion der Körner, wobei die geschmolzene Stärke zu einem Schaum aufgeblasen wird.  

Wer sich im Kino an den Geräuschen stört, die mit dem Verzehr von Popcorn bzw. Puffreis einhergehen, sollte sich vielleicht damit trösten, dass diese luftigen und leichten Gebilde den größten Krach bereits hinter sich haben. Den geben sie bei ihrer Geburt von sich, wenn sie mit einem vernehmlichen dumpfen Knall aus einem unscheinbaren Maiskorn hervorgehen. Das dabei vermittelte Gefühl, es mit relativ viel Energie zu tun zu haben, erscheint durchaus gerechtfertigt. Denn die steinharten Körner, an denen man sich ansonsten die Zähne ausbeißen würde, geben sich erst unter großer Hitzeeinwirkung bei einer Temperatur von etwa 180° C geschlagen. Dann blähen sie sich schlagartig zu einem zerfurchtes pilzartigen Gebilde auf, das nicht die geringste Ähnlichkeit mit dem ursprünglichen Korn aufweist. Lediglich die kleinen braunen Einsprengsel erinnern an die Außenhaut der Körner…

PDF: Miniexplosionen in der Küche

Manuskript der Einreichversion beim Autor erhältlich (schlichting@uni-muenster.de)

Magnetkugeln küssen anders

Wenn man sechs gleich große Kugeln, um eine siebte gruppiert, so wird diese von jeder der anderen Kugeln in einem Punkt berührt. Diese minimale Einheit einer hexagonal dichtesten Kugelpackung in der Ebene hat – mathematisch und zugleich poetisch ausgedrückt – die Kusszahl 6 (oberes Foto). Versucht man die Konstellation mit Magnetkugeln nachzustellen, so gelingt es zwar auch, aber weniger freiwillig, als man vielleicht erwarten würde. Weiterlesen

Wenn der Wind die Harfe spielt

H. Joachim Schlichting Spektrum der Wissenschaft 11 (2020), S. 52 – 53

Du, einer luftgebornen Muse
Geheimnisvolles Saitenspiel

Eduard Mörike (1804–1875)

Von Luft umströmte Drähte erzeugen Wirbel, die sich hinter ihnen abwechselnd nach oben und unten hin ablösen. Aus dieser Schwingung werden unter den richtigen Umständen weithin hörbare Töne.

Noch vor wenigen Jahrzehnten wurden viele Haushalte vorwiegend durch oberirdische Telegrafen – und Stromleitungen mit ihren typischen hölzernen Masten mit Nachrichten und elektrischer Energie versorgt. Mit ihnen ist auch ein eindrucksvolles akustisches Phänomen fast ganz verschwunden. Bei stärkerem Wind oder wenn man sein Ohr an einen der Masten hielt, waren heulende, je nach der Stärke des Windes geisterhaft klingende auf- und abschwellende, langgezogene Töne zu hören, wie man sie sonst nicht kennt. Sie werden von den Drähten hervorgerufen, die den Wind in hörbare Schwingung versetzen. Die Masten fungierten als Resonanzkörper und ermöglichten, dass die Töne auch bei mäßigem Wind gehört werden können. Selbst wenn heute manchmal noch in ländlichen Gegenden solche Stromleitungen zu den Häusern führen, funktionieren sie meist nicht. Denn inzwischen werden statt der relativ dünnen Drähte dicke isolierte Leitungen benutzt, die dafür weniger geeignet sind. Bei stärkerem Wind kann man ähnliche Töne allenfalls an Weidenzäunen wahrnehmen, die aus einzelnen gespannten zylindrischen Drähten bestehen.
Schon lange vor der Elektrifizierung haben die Menschen winderzeugte Klänge in der Natur wahrgenommen und mit Hilfe besonderer Musikinstrumente „einzufangen“ versucht. Diese sogenannten Windharfen oder auch Äolsharfen (nach dem Windgott Aeolos benannt) waren bereits im Altertum bekannt. In der Neuzeit wurde die erste Äolsharfe von Athanasius Kircher (1602 – 1680) gebaut; aber erst viel später zur Zeit der Romantik im 19. Jahrhundert erlebte dieses Musikinstrument der Natur eine wahre Blütezeit. Auch heute noch kann man Äolsharfen als Kunstwerke im öffentlichen Raum vorfinden (Beispiele) und sie sind sogar für den eigenen Garten käuflich zu erwerben.
Das physikalische Prinzip der Windharfe ist lange Zeit nicht erkannt worden, obwohl man den Wind ursächlich mit dem Klang in Verbindung brachte. Erst Arbeiten von Vincent Strouhal (1850 – 1922) führten zu einer weitgehend korrekten physikalischen Erklärung. Er stellte fest, dass ein luftumströmter zylindrischer Draht selbst dann Töne erzeugt, wenn er an der Schwingung gar nicht teilnimmt. Die jeweilige Tonhöhe bzw. Frequenz erweist sich als unabhängig von Material, Länge und Spannung des Drahts. Sie ist lediglich proportional zur Windgeschwindigkeit und umgekehrt proportional zum Drahtdurchmesser, wobei die dimensionslose Proportionalitätskonstante für viele zylindrische Objekte einen Wert von ungefähr 0,2 besitzt.
Beispiel: Bei einer mäßigen Brise mit einer Windgeschwindigkeit von 10 m/s würde ein Draht von 5 mm Durchmesser einen Ton mit einer Frequenz  abgeben.
Die Tonentstehung ist darauf zurückzuführen, dass die Luft vor dem im Luftstrom stehenden zylindrischen Draht verdichtet wird und infolge die Reibung der Luft mit den Drahträndern der Druckausgleich mit der verdünnten Luft hinter dem Draht nicht kontinuierlich, sondern ruckweise periodisch erfolgt. Dabei lösen sich abwechselnd an der einen und anderen Seite des Zylindermantels entgegengesetzt rotierende Wirbel, die zu einer sogenannten Kármánschen Wirbelstraße führen (Abbildung). Weil sich die Wirbel anschaulich gesprochen vom Draht abstoßen, üben sie auf diesen eine Reaktionskraft aus, mit einer zur Richtung des Drahts senkrechten Komponente. Diese Kräfte sind zwar im Allgemeinen sehr klein und bringen den Draht kaum in Bewegung. Nähert sich die Frequenz der Wirbelablösung jedoch einer der Eigenfrequenzen des Drahts, so wird dieser zum Mitschwingen angeregt, was als Ton hörbar werden kann.
Als Eigenfrequenz eines eingespannten Drahts bezeichnet man die durch die Masse, die Spannung und die Länge des Drahts festgelegte Frequenz, mit der der Draht schwingt, wenn er zum Beispiel durch Zupfen ausgelenkt wird. Neben der Grundfrequenz, in der sich der Draht als Ganzes zwischen den beiden festen Enden periodisch hin und her bewegt treten im Allgemeinen zusätzlich Oberschwingungen auf, wobei der Draht auch noch in sich schwingt. Die Frequenzen dieser Oberschwingungen sind ganzzahlige Vielfache der Grundschwingung.
Stimmt nun eine der Eigenfrequenzen des schwingenden Drahtes ungefähr mit der Frequenz der Wirbelablösung überein, so gerät er in eine Resonanzschwingung. Dabei schaukelt er sich zu einer so großen Auslenkung auf, dass der durch die Wirbel hervorgerufene leise Ton kräftig verstärkt und gegebenenfalls weithin hörbar wird.
Bemerkenswert ist, dass die Anregungsfrequenz nur in der Nähe der Eigenfrequenz liegen muss um den Draht in Resonanz zu bringen. Denn normalerweise schwingt ein System genau mit der Frequenz, in der es angeregt wird. Im vorliegenden Fall rastet der schwingende Draht gewissermaßen in die Eigenfrequenz ein. In der Fachwissenschaft ist dieses Verhalten als Lock-in-Effekt bekannt, der bei zahlreichen (nicht nur mechanischen) Schwingungssystemen auftritt.
Ohne Lock-in wäre eine Äolsharfe und andere tönende Drähte in der bekannten Form nicht möglich. Da nämlich die Windgeschwindigkeit nie völlig konstant ist und zumindest ein wenig schwankt, würde ansonsten die Frequenz der Wirbelablösung immer wieder von der Eigenfrequenz des Drahtes abweichen. Der tönende Draht bzw. die Äolsharfe wären also die meiste Zeit stumm, was aber bekanntlich nicht der Fall ist. Die Auslenkung des schwingenden Drahts ist innerhalb des Lock-in-Bereichs ist allerdings am größten, wenn der Draht genau mit der Wirbelablösungsfrequenz schwingt und nimmt der Abweichung entsprechend ab. Das ist der Grund für die Schwankungen der Lautstärke der jeweiligen äolischen Töne mit der Windgeschwindigkeit, die der Äolsharfe den typischen anschwellenden und wieder verhallenden Klang verleihen. Bei größeren Variationen der Windgeschwindigkeit werden gegebenenfalls andere Saiten der Äolsharfe zum Klingen gebracht.
Die Äolsharfe ist wie Klavier, Geige und die Harfe ein Saiteninstrument. Während letztere durch planvolles Anschlagen, Streichen und Zupfen zu vorher komponierten Klangfolgen veranlasst werden, überlässt man das Klingen der Äolsharfe weitgehend den unberechenbaren Strömungen des Windes, der mit Hilfe von Luftwirbeln das Schwingungsverhalten der Saiten bestimmt.
Der Anregungsmechanismus der Äolsharfe kann ganz allgemein bei von Luft umströmten Zylindern beobachtet werden kann, lässt sich übrigens mit einem einfachen Experiment demonstrieren. Dazu benötigt man nur einen längeren, schlauchartigen Luftballon (z.B. Länge 1,50 m und Durchmesser 5 cm), den man an einem Ende erfasst und schnell mit dem Arm hin und her oder auf und ab bewegt. Der Ballon gerät dadurch deutlich fühlbar und sichtbar in eine Schwingung senkrecht zur Bewegungsrichtung.
Die brummenden Töne, die zuweilen unter Hochspannungsleitungen zu hören sind, haben einen ganz anderen physikalischen Ursprung. Sie rühren zwar auch von schwingenden Drähten her, werden aber nicht mechanisch durch strömende Luft, sondern durch elektrodynamische Vorgänge in Schwingung versetzt: Jeder stromdurchflossene Leiter ist von einem Magnetfeld umgeben. Die Magnetfelder der bei Hochspannungsleitungen parallel verlaufenden Leiterseile wirken so aufeinander, dass sich gleichartige Felder abstoßen und unterschiedliche Felder anziehen. Dadurch geraten die Seile in einem 50-Hertz-Takt in Schwingung, die auf die Luft übertragen wird und auf diese Weise als typischer Brummton an unser Ohr gelangt –  und sind auch in dieser Hinsicht nicht mit den wohlklingenden Äolharfen zu vergleichen.

Publizierte Version: Wenn der Wind die Harfe spielt.

Selbstabbildung der Natur – Ringe und Kreuze

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. Weiterlesen

Ein Sternenhimmel in der Badewanne

H. Joachim Schlichting. Physik in unserer Zeit 51/5 (2020), S. 254

Auf einer Wasseroberfläche driftende Blasen rufen im Sonnenlicht sternförmige Kaustiken auf dem Grund des Behälters hervor. Ursache ist die Brechung und Fokussierung des Lichts am äußeren und inneren Meniskus der Blase.

Wenn im Sommer wassergefüllte Behälter, z.B. eine Badewanne in der Sonne stehen, wird der aufmerksame Beobachter vielleicht von sternartigen Lichtflecken auf dem Boden des Behälters überrascht sein. (siehe Abbildung). Voraussetzung dafür, dass diese vierzackigen Sterne erscheinen sind auf der Wasseroberfläche driftende Blasen, die fast immer vorhanden sind, wenn die Wanne den sommerlichen Spielen mit Wasser dient. Jede Blase projiziert einen solchen Stern auf den Boden.
Bei den Sternen handelt es sich um Kaustiken (Brennlinien), die durch das von der Blase deformierte Wasser hervorgerufen werden. Dieses Phänomen war schon Leonardo da Vinci (1452 – 1519) bekannt, der es folgendermaßen umschreibt, ohne es jedoch zu erklären. „Der durch die Blase an der Oberfläche des Wassers gehende Strahl wirft auf den Grund des Wassers ein kreuzförmiges Bild von dieser Blase“.
Das Phänomen kommt dadurch zustande, dass sich an der Innen- und Außenseite der Blase ein Wassermeniskus ausbildet. Ähnlich wie das Wasser in einem Trinkglas wegen der Benetzbarkeit des Glases ein Stück weit an der Gefäßwand aufsteigt, passiert dies erst recht bei einer im Wesentlichen aus Wasser bestehenden Blase – und, das diese auf der Wasseroberfläche driftet, sogar innen und außen. Da in der Blase ein gewisser Überdruck gegenüber dem äußeren Luftdruck herrscht, wird die Wasseroberfläche innerhalb der Blase auch noch ein wenig eingedellt, wodurch dieser Effekt noch verstärkt wird.
An diesem Meniskus wird das Licht wie an einem halbkreisförmig gebogenen Prisma gebrochen und auf den Boden der Wanne fokussiert. Komplementär passiert etwas Entsprechendes an der äußeren Blasenwand, allerdings mit umgekehrter Krümmung. Beide Kaustiken überlagernd sich auf dem Boden des Gefäßes zu dieser auffälligen Sternkaustik.

Eingereichtes Manuskript

Physik des Karussellkreisels – Doppeltes Drehspiel

Christian Ucke, Hans Joachim Schlichting. Physik in unser Zeit 51/3 (2020). S. 138-140

Kreisel müssen nicht unbedingt mit der Spitze auf einer festen Unterlage rotieren. Im hier vorgestellten Spielzeug bringen zwei hängende Kreisel durch eine raffinierte Reibungskopplung eine drehbar gelagerte Stange in Rotation, indem diese Drehimpuls von den Kreiseln übernimmt.

Der in der Abbildung 1  gezeigte Karussellkreisel besteht aus einem Ständer mit einer konkaven Einbuchtung oben, einer Haltestange sowie zwei daran angehängten Kreiseln. Die klassischen, per Hand anzudrehenden Holzkreisel enthalten in der Achse einen dünnen, zylindrischen Magneten, dessen ebene Stirnfläche mit dem Kreiselstiel oben abschließt. Die Haltestange hat mittig einen kurzen Stift mit einer kleinen Stahlkugel von ungefähr 2 mm Durchmesser am Ende, der in der konkaven Einbuchtung frei drehbar lagert. Weiterlesen

Optische Täuschungen 9: Wenn Parallelen schwanken

Irgendetwas stimmt hier mit der Fliesenwand nicht. Stimmt, sie sind nicht in der üblichen Weise verarbeitet. Vielmehr sind die einzelnen Reihen abwechselnd um eine halbe Fliesenlänge gegeneinander verschoben verlegt. Man sollte erwarten, dass das keinen großen Effekt auf die Wahrnehmung ausübt. Und doch ist es so. Sie sehen so aus, als ob sie ihre Größe verändern würden. Jedenfalls erscheinen uns die Reihen nicht parallel. Und doch sind sie es. Wenn man nämlich die Reihen Fliese für Fliese mit dem Auge abtastet oder sogar ein Lineal an das Foto anlegt, erweist sich alles parallel und in bester Ordnung. Nimmt man aber die Fliesen als Ganzes in den Blick, machen sie Spirenzchen. Wie sehr man sich auch bemühen mag, es gelingt einfach nicht hier visuell Ordnung hineinzubringen. Man fühlt sich angesichts der einander widersprechenden Wahrnehmungen genarrt. Weiterlesen

Optische Täuschungen 7: Schwebende Bilder im „Universum“

Wenn nach dem Besuch der auf mehreren Stockwerken verteilten Phänobjekte im Universum, dem Bremer Science Center, auf kürzerem Wege in einem Treppenhaus zum Ausgang hinabgeht, wird man noch einmal durch einige optische Phänomene herausgefordert.
Man erblickt einige farbige Streifen auf der Wand, dem Geländer, der Treppe oder wo auch immer, deren Sinn sich einem nicht sofort erschließt (schwarze Streifen und Flächen im oberen Foto). Erst wenn man sich an eine Stelle begingt, die durch farbige Fußspuren auf dem Boden gekennzeichnet ist, erkennt man worauf das ganze hinauslaufen soll. Es genügt jetzt den Blick noch ein wenig zu justieren, um ein Gebilde vor Augen zu haben, das Sinn ergibt (unteres Foto). Da es aus mehreren in verschiedenen Ebenen Elementen zusammengesetzt ist, suggeriert der visuelle Eindruck, dass das Gebilde irgendwie im Raume schwebt und zwar so, wie es rein topologisch nicht sein könnte. Weiterlesen

Reines Wasser ist blau

Wasser ist transparent und farblos. Das ist der Eindruck, den man gewinnt, wenn man ein Glas Wasser trinkt oder unter der Dusche steht.
Vom Strand aus betrachtet sieht es so aus, als sei das Wasser blau oder blaugrün.
Angesichts dieser Diskrepanz beruhigt man sich vielleicht damit, dass das Meerwasser an sich ebenfalls farblos ist und nur durch die Reflexion des Himmelslichts blau wird oder bei Sonnenuntergang auch mal rot.
Was ist nun richtig? Weiterlesen

Am Anfang war das Licht

Ein Glaswürfel steht vor einem Fenster und wird vom blauen Himmelslicht getroffen. Er wird wie von selbst zu einem Kunstwerk, das die schöne Eigenschaft hat, je nach Blickwinkel unterschiedliche Facetten zu zeigen – von der wir hier nur eine zeigen.
Wie sagte doch der erste Experimentalphysiker Deutschlands Georg Christoph Lichtenberg (1742 – 1799):
Es wird mir wahrscheinlich, daß wo auch nur Licht hinkommt, da ist immer Reflexion, Inflexion, Refraction und Coloration beysammen.

 

 

Wasserwall in der Spüle

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 10 (2019), S. 58 – 59

Durch eine Bewegung oder einen Sprung
kann Wasser sich erheben
Leonardo da Vinci (1452–1519)

Wenn ein Wasserstrahl auf eine ebene Fläche trifft, bildet sich ringsum eine dünne, kreisförmige Schicht, die sich in etwas Abstand plötzlich zu einem Flüssigkeitswall auftürmt. Weiterlesen

Farbige Sonnentaler an der Wand

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Zur Physik des Schuheschnürens -Kombinatorik und Physik von Knoten und Schleifen

H. Joachim Schlichting. Physik in unserer Zeit 2 (2019), S. 78 – 81

Beim Schnüren von Schuhen kommt es zu einem physikalisch interessanten Zusammenspiel eines Flaschenzugs als Zugkraftverstärker und topologisch optimierten Reibungskräften, durch welche die jeweilige Schnürung mit wenigen Handgriffen durch Knoten fixiert und auch wieder geöffnet werden kann. Allerdings führt auch das Gehen selbst zum Öffnen der Knoten.

Knoten spielen in verschiedenen Bereich der aktuellen Physik eine zunehmend wichtige Rolle. Dabei wird oft auf Anschauungen zurückgegriffen, die im makroskopischen Bereich gewonnen werden, etwa beim Schnüren der Schuhe. Die dabei erlernten und rein intuitiv angewandten Techniken sind selbst ein interessanter Gegenstand der Physik und lohnen etwas genauer betrachtet zu werden. Sowohl dem Schnüren der Schuhe, dem Binden der Schleifen und dem notorischen Versagen der Schleife beim Laufen liegt ein subtiles Zusammenspiel zwischen topologischen, dynamischen und materialtechnischen Aspekten zugrunde… (bei Interesse vollständigen Text beim Autor anfordern).

PDF: Zur Physik des Schuheschnürens

 

Der Schwerpunkt der Kerze

Diesmal wurden die Kerzenhalter nicht an den Zweigen festgeklemmt, sondern s-kurvenförmig darüber gehängt. Der Rest wird von der Schwerkraft besorgt. Die unten angebrachte massive Kugel sorgt dafür, dass der Schwerpunkt der Kerze samt Halter stets unterhalb des Unterstützungspunkts liegt. Die Kerze „hängt“ also stabil. Jede Auslenkung aus der Ruhelage führt in die stabile Lage zurück. Weiterlesen

Schlaffer Faden – straffer Loop

Schlichting, H. Joachim; Suhr, Wilfried. Physik in unserer Zeit 4 (2018) 196-199

Ein zu einer Endlosschleife geschlossener Faden lässt sich in einer Pfeife durch Pusten in einen stabilen Rotationszustand versetzen. Der Luftwiderstand des Fadens erweist sich als wesentlich für den Antrieb und die Stabilisierung des Spielzeugs.

Die Seilschleuder hat durch die zunehmende Verbreitung von Science Centern in den letzten Jahren eine gewisse Bekanntheit erlangt. Sie beeindruckt vor allem dadurch, dass ein zu einer Schlaufe verknüpftes Seil in eine stationäre Rotationsbewegung gebracht werden kann, wobei das Seil durch innere Zugkräfte versteift und stabilisiert wird (Physik in unserer Zeit 2018, 49 (2), 80). Weiterlesen

Die Temperatur an die Kette gelegt

Ucke, Chr.; Schlichting, H. Joachim. Physik in unserer Zeit 4)/3 (2018) S. 138 – 141

Das wenig verbreitete Kettenthermometer hat eine unübliche Anzeige: niedrige Temperaturen sind oben auf einer Skala abzulesen, hohe Temperaturen unten. Das erklärt sich aus der Konstruktion. Es lässt sich mit passablem Aufwand selbst bauen.

Die im thüringischen Ort Mellenbach-Glasbach ansässige Firma Möller-Sommer-Therm [1] hat etwa um 1990 das sogenannte Kettenthermometer entwickelt und mit zwei Schriften beim Deutschen Patentamt angemeldet [2, 3]. Das Thermometer wurde auch bis etwa 2004 produziert, war allerdings nie sehr verbreitet. Es ist heute relativ unbekannt und kaum noch erhältlich [4]. Es ist eher ein dekoratives Element als ein genaues Messinstrument. Die Messskala ist gerade umgekehrt wie sonst üblich: die großen Temperaturwerte befinden sich unten, die kleinen oben. Daher verleitet eine solche Skala leicht zu Fehlablesungen, da wir gewohnt sind, zunehmende Werte auf senkrecht angeordneten Skalen oben zu finden. Weiterlesen

Können durch Tun: Low-Cost-Experimente zwischen Alltag und Physikunterricht

Herzlichen Dank an die Teilnehmer des Workshops in Bern! Anbei finden Sie die präsentierten Folien zu den Experimenten zum Herunterladen. Diese vermitteln natürlich nur einen Anhaltspunkt, helfen aber vielleicht die Gesprächsituationen zu erinnern. Wie ich bereits während des Kurses angeboten habe, können Sie gerne Fragen zu den einzelnen Positionen stellen. Insbesondere gibt es zu den meisten der angeprochenen Themen Publikationen, die ich Ihnen gerne zusende. (Die Folien sind nur für den privaten Gebrauch bestimmt.)

Was bleibt vom Fidget-Kreisel?

Der Hype mit dem Fidgetkreisel ist weitgehend vorbei. Man wischt sich die Augen und fragt: War das alles? Oder etwas konstruktiver: Was bleibt? Eines bleibt auf jeden Fall; das ist die Idee, einen Kreisel mit einem Kugellager zu versehen. Weiterlesen

Fontänen und Loopings am laufenden Band

Suhr, Wilfried; Schlichting, H. Joachim.  Physik in unserer Zeit 49/2 (2018) S. 80 – 85

Modellierung einer Seilschleuder

Versetzt man ein geschlossenes Seil in Rotation, so richtet es sich zu einer fontänenartigen Bewegungsfigur auf. Mit zunehmender Umlaufgeschwindigkeit geht diese durch einen phasenübergangsähnlichen Wechsel in einen geschlossenen Loop über. Dabei übernimmt die Dissipation der Bewegungsenergie eine konstruktive Rolle. Weiterlesen

Die magnetische Kerzenflamme

Schlichting, H. Joachim. Physik in unserer Zeit 48/6 (2017), S.305 – 306.

Die seit einigen Jahren auf dem Markt befindlichen Supermagnete sind so stark, dass Experimente am Schreibtisch möglich werden, für die früher in Laboren einiger Aufwand getrieben werden musste. Unter ihrem Einfluss werden sogar Flammen magnetisch. Weiterlesen

Physik mit dem Fingerkreisel Fidget

Ucke, Christian; Schlichting, H. Joachim. Physik in unserer Zeit 48/6 (2017) S. 293 – 295

Der kürzlich in Mode gekommene Fingerkreisel Fidget erlaubt ein selten unmittelbares Erfühlen von Kreisel­kräften. Darüber hinaus lassen sich einige Experimente zur Kreiselphysik machen. Weiterlesen

Ein irritierend rotierender Globus

Ucke, Christian; Schlichting, H. Joachim. Physik in unserer Zeit 42/5 (2017), S. 246 – 250

Ein auf einem feststehenden Dreibein befindlicher Globus dreht sich lautlos und scheinbar ohne äußere Energiezufuhr. Dahinter steckt eine ingeniöse Kombination von Hightech- Materialien und Geräten mit bekannten mechanischen und optischen Effekten, die sich erst nach und nach erschließt. Weiterlesen

Spielereien mit kleinen Stabmagneten

H. Joachim Schlichting. In: Physik in unserer Zeit 3 (2017), S. 150 – 151

Zwingt man Stabmagnete, sich mit gleichnamigen Polen gegenüberzustehen, so kommt es zu paradox anmutenden Phänomenen. Ihnen liegt ein subtiles Zusammenwirken von magnetischer Anziehung und Abstoßung sowie mechanischen Drehmomenten und der Reibung zugrunde. Weiterlesen

Galileo Chain Thermometer

Ucke, Christian; Schlichting, H. Joachim. In: Phys. Educ. 52 (2017) 045012

This relatively rare thermometer has a rather unusual display: lower temperatures are located at the top of the scale, higher ones at the bottom. A sphere on a chain floats in a suitable liquid, sinking at high temperatures when the density of the liquid decreases and rising in the increased density at low temper-atures. With reasonable effort and experimental dexterity, you can construct this thermometer yourself using ordinary materials. Weiterlesen

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