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Strukturbildung, Selbstorganisation & Chaos

Diese Kategorie enthält 93 Beiträge

Die Welt der Blasen

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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.

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.

Eine Welt in Aspik…

…nur hart und eiskalt.

Nach einer Woche eisiger Kälte vollzieht sich ein Temperatursprung in die andere Richtung – zunächst die Luft wird wesentlich wärmer. Der Regen fällt auf vereistes Gelände, sodass die Tropfen instantan vor Kälte erstarren. Doch lassen wir Andrzej Stasiuk (*1960) eine ähnliche Situation poetisch beschreiben, er kann es wesentlich besser als ich.

Holunderbüsche, Salweiden und Haselsträucher breiteten sich aus wie Büsche silbriger Wasserpflanzen, die im Wogen der See erstarrt waren. Alles war von Eis bedeckt. Jeder Zweig, jeder kleinste Halm stak in einem durchsichtigen Hemd. Früher, vor sehr langer Zeit, gab es bunte Bonbons in langen Glasröhrchen zu kaufen, die an einer Seite zugekorkt waren. Etwas in der Art: Glasröhrchen, und in jedem ein Pflanzentrieb, eine Weidenrute, sogar die Kiefernnadeln waren einzeln und sorgfältig verhüllt. Der Schlehenbusch, in Eis gegossen, ähnelte einem lebendigen, körperlichen Wesen, vom Röntgenblitz ertappt.
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Ohne Anomalie des Wassers geht es nicht

Als Kind war ich erstaunt, dass man viel mehr Bauklötze in den dafür vorgesehenen Kasten bekam, wenn man sie ordentlich hineinsetzte, jeden an seinen Ort. Irgendwann danach erschien es mir plausibel, weil – so mein Gedanke – jeder Zwischenraum genutzt wird, anders als wenn alles kreuz und quer durcheinander liegt. Ich musste wohl in der Zwischenzeit so etwas wie das Prinzip der Invarianz (nach Jean Piaget (1896 – 1980) ) verinnerlicht haben, dass eine Anzahl von Klötzen immer dasselbe Volumen beanspruchte, egal ob sie ungeordnet und geordnet waren. Im ungeordneten Zustand ist nur mehr oder weniger viel Luft zwischen ihnen. Weiterlesen

Strukturen im gebrochenen Glas

Was hier wie ein filigranes Kunstwert daherzukommen scheint, ist in Wirklichkeit eine durch mechanische Einwirkung zersprungene Glasscheibe, deren Bruchteile nur deshalb an ihrem angestammten Ort bleiben, weil die Scheibe mit einer Sicherheitsfolie ausgestattet ist, die ein Herumfliegen der scharfen Bruchstücke verhindert. Das hat hier offenbar gut geklappt und übt den zusätzlichen Reiz einer ästhetisch ansprechenden Struktur aus.
Außerdem lässt es einige Rückschlüsse auf die Bruchdynamik zu. So lassen sich zum einen lange formatüberspannende Bruchlinien erkennen, die zum anderen durch zahlreich kurze Linien verbunden sind. Die langen Bruchlinien sind durch die punktuelle mechanische Einwirkung entstanden, indem die  Scheibe am Treffpunkt so stark ausgelenkt wurde, dass die damit einhergehende Vergrößerung der Fläche nicht mehr elastisch aufgefangen werden konnte, sondern durch Trennung in einzelne Scheibensegmente erzwungen wurde. Die verbindenden Querrisse zeichnen sich dadurch aus, dass sie meist senkrecht in die langen primären Bruchlinien einmünden. Der Grund dafür ist, dass die Spannung parallel zu einem bestehenden Riss meist maximal ist, sodass ein neuer Riss senkrecht auf den bereits bestehenden Riss gelenkt wird. Daran erkennt man u.A., dass diese sekundäre Brüche zeitlich nach der primären entstanden ist. Weiterlesen

Virtuelle Weihnachtsbäume

Ich denke, dass uns das diesjährige Weihnachtsfest lange in Erinnerung bleiben wird. Wie immer man es gestaltet, es wird anders sein. Ein Virus hat unsere Realität weitgehend in eine Virtualität verwandelt. Das gibt mir die Chance auch den Weihnachtsbaum virtuell auftreten zu lassen und zwar nicht nur einmal, sondern unendlich oft in drei verschiedenen Farben. (Durch Klicken auf Foto vergrößern. Seht ihr ihn jetzt?)
Wie kommt man zu einem solchen fraktalen Gebilde? Man nehme vier Weihnachtsbaumkugeln und füge sie zu einem Tetraeder zusammen. Da diese Konstellation dank der Schwerkraft nicht stabil ist, fixiere man sie mit einem transparenten Klebeband (siehe unteres Foto). Blickt man nun in den Hohlraum zwischen den Kugeln, so tut sich ein unendlich detailliertes Panorama von Reflexionen von Reflexionen… und so weiter ad infinitum auf.
Um nun ganz weihnachtsgemäß noch etwas Farbe in die Angelegenheit zu bringen, stellt man hinter den Kugeln noch einige farbige Kartons auf, so wie es im unteren Foto zu sehen ist. Statt eines Reflexionschaos der im Zimmer herumstehenden Dinge hat man jetzt klare Farben, die mit ihrer Farbe auf den Ursprung der Reflexe verweisen. Dabei dominiert – oh Wunder – die Figur eines Weihnachtsbaums in all seinen Zuständen und Größen bis hin zum unendlich kleinen. Im oberen Ausschnittsfoto steht er in gelber oder besser noch goldener Farbe oben in der Mitte. Er ist umgeben von vielen weiteren Exemplaren. Es sind theoretisch unendlich viele, weil das Reflektieren des Reflektierens…etc. ja zumindest theoretisch nicht aufhört. Um allerdings auf einer endlichen Fläche untergebracht werden zu können, werden sie immer kleiner, schließlich unendlich klein.
In der Physik nennt man solche Strukturen Einzugsbereiche, im vorliegenden Fall sind es sogenannte Wada-Bassins oder Wada-Seen, benannt nach dem japanischen Mathematiker Takeo Wada.

Ich wünsche Euch/Ihnen Frohe Weihnachten und ein paar erholsame Tage zwischen den Jahren. Bleibt/bleiben Sie gesund.

Eismuster auf der Regentonne

In die Röhre zu gucken ist ja eigentlich negativ konnotiert. Schon vor einigen Tagen konnte ich ein Gegenbeispiel bringen. Diesmal haben wir eine Röhre in Form einer Regentonne. Sie ist immer wieder für Überraschungen gut – auch im Winter. Wenn es gefroren hat, schaue ich als erstes in die grüne Tonne. Vor einigen Tagen war sie wieder von einem sehr schönen Eismuster bedeckt – so schön, dass ich nicht wagte Wasser für die Blumen zu entnehmen. Am Vorabend hatte ich die Tonne noch einmal inspiziert und da ahnte ich bereits, dass es am Morgen etwas Schönes zu sehen geben würde. Vom Rand her trieben bereits einzelne lange Eiskristalle über die Wasseroberfläche, so als würden Claims für verschiedene Muster abgesteckt. Ein Ausschnitt der nächtlichen Frostaktivitäten ist im Foto zu sehen.

Eis ist mehr als gefrorenes Wasser

Gefrierendes Wasser und schmelzendes Eis präsentieren sich unter natürlichen Bedingungen in einem überbordenden Gestaltreichtum, der durch die physikalische Beschreibung als Phasenübergänge von flüssig nach fest und fest nach flüssig nur unzureichend erfasst wird. Den jeweiligen äußeren Umständen entsprechend laufen der Kristallisations- und Schmelzprozess meist in Wechselwirkung mit anderen physikalischen Vorgängen ab, die zu sehr komplexen und nicht selten ästhetisch ansprechenden Kompositionen aus Eiskristallen im jeweiligen Kontext der natürlichen Umgebung führen können. Zwischen streng geometrisch aufgebauten hexagonalen Kristallstrukturen und organisch wirkenden floralen Mustern entfalten sich zahlreiche Mischformen, deren Zustandekommen – wenn überhaupt – nur durch detektivische Kleinarbeit physikalisch zu entziffern ist.
In einigen der ausgewählten Fotografien drängen sich Korrespondenzen zwischen Eismustern und organischen Strukturen auf. Es entfaltet sich so etwas wie ein anspielungsreicher, stummer Dialog zwischen zwei Sphären, die wir als völlig verschieden wahrzunehmen gelernt haben. So scheinen sich die Eisblumen am Fenster in ihrem Gestaltreichtum an floralen Mustern zu orientieren und es sieht so aus, als ob die Raureifnadeln am Tannenzweig lediglich die realen Tannennadeln imitierten.
Ich werde über die Wintermonate immer mal wieder ein Foto auswählen das ein interessantes Szenario zwischen Gefrieren und Schmelzen aufzeigt oder einfach nur schön ist. Die unmittelbare Wirkung auf den Betrachter steht im Vordergrund.

 

 

Von Jahresringen und elektrischen Feldern

Wer sich die Visualisierungen von elektrischen Feldern und Potenziallinien vor Augen führt (siehe Grafik), wird vermutlich erstaunt sein über die Ähnlichkeit der Strukturen eines Querschnitts durch einen Baumstamm (siehe Foto). Während die Jahresringe der beiden zu einem Stamm zusammengewachsenen Bäume oder Äste ein und desselben Baums den Potenziallinien entsprechen, erinnern die radial von den Zentren ausgehenden Trockenrisse an Feldlinien von elektrischen Ladungen. Bei gleichnamigen Ladungen stoßen sich die Feldlinien ab.
Auch dieser Sachverhalt findet eine Entsprechung in diesem Baumquerschnitt: Die gleichartigen Stämme stoßen sich in der Tat zunächst ab, bevor sie ihren Frieden finden und nach weiterem gemeinsamen Wachstum schließlich ein gemeinsames Zentrum und damit  einen einheitlichen Stamm ausbilden. Spätestens hier endet die Analogie zwischen zwei völlig verschiedenen Bereichen der Natur.
Es scheint als gäbe es in der Natur nur einen begrenzten Vorrat an Mustern, die in ganz unterschiedlichen Zusammenhängen  auftreten. In der Physik kennt man solche Ähnlichkeiten des Verhaltens in verschiedenen Bereichen, wenn ganz unterschiedliche Systeme quantitativ dasselbe Verhalten zeigen, obwohl ganz andere Wechselwirkungen und andere Unterschiede im Spiel sind. Man spricht dann auch von Universalität.

Sandrippel – Gestalt gewordene Antagonismen

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Während die Sandkörner infolge der Erdanziehungskraft stoisch und unnachgiebig nach unten tendieren, werden sie vom Wind der Unberechenbarkeit des Wettergeschehens entsprechend immer wieder aufgescheucht, sodass ein bewegtes Wechselspiel der Kräfte zu jenen wunderschönen Rippelsystemenen führt, die man diesen regellos erscheinenden antagonistischen Wirkungen gar nicht zugetraut hätte. Die Choreografie der tanzenden Sandkörner steht nicht etwa in den Sternen, sondern wird von den Naturgesetzen im Zusammenspiel mit dem Zufall bestimmt. Die Rippel sind keine endgültigen Gestaltungen der Oberflächen der Dünen. Weiterlesen

Dünen halten Abstand

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 10 (2010), S. 79 – 80

Wer widersteht dem Strome
seiner Umgebungen?

Johann Wolfgang von Goethe (1749 – 1832)

 Kleine Dünen bewegen sich schneller als große. Dennoch holen die kleinen die großen nicht ein, weil sie durch einen kürzlich entdeckten Strömungsmechanismus auf Abstand gehalten werden. Weiterlesen

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

Eisblumen am Fenster

„Die Welt ist versteint zu Kristall. Kein Windhauch stört die Toten. Die Pappeln vor dem Fenster starren regungslos. Über allen Grüften liegt Schnee. Aber wenn mein Atemhauch gegen das Fensterglas streicht, welche Wunder brechen hervor in klirrendem Eise! Da ist der ganze Garten wiedererstanden, alle Wälder der Erde. Ähren, Rispen, Farne, Trauben, Schlingpflanzen erscheinen und Blumengesichte wie aus einem Traum. Andeutungen aller unter dem Schnee begrabenen Gestalten.
Und ein wunderlicher Gedanke läßt mich nicht los: Dieses ist das Zwischenreich zwischen Blumenwelt und Welt der Kristalle.
Ist denn nicht alles Sichtbarwerden von Erscheinungen nur ein zeitweises Festgerinnen oder langsames Gefrieren von Bildern? Und wenn nun hier auf den Anhauch meines Mundes Bilder von Blumen im Fensterglase erscheinen, ist das nicht im Grunde derselbe schöpferische Vorgang, den wir in gedehnterem Zeitmaß und in gewaltigerem Raummaß erleben, wenn das Sonnenlicht die im Erdenstoff steckenden Gebilde zu Sichtbarkeiten gerinnen läßt? Müssen sie nicht alle im wachsenden Weltfrost mählich zu Eis gestarren? Ist nicht dieser Absterbe- oder Verstarrungsvorgang aus dem bildsam Flüssigen zum Festgeronnenen der Lebensvorgang selber?
Wie aber steht das Gestaltgewordene zu dem Vorgang, der zur Gestaltung führt? Oder anders gefragt: Wie steht der Rhythmus, die Musik der Lebensbewegung zu der Formenschöne und Ausgeglichenheit der für das Auge sichtbar gewordenen starren Gebilde?
Wir kennen das Geheimnis der Tonfiguren! Wir wissen, daß Melodie und Harmonie übersetzt werden können in bauliche Gebilde des Auges. Wir wissen, daß jede Farbenstimmung einer Tonstimmung entspricht; jedem Zahlenverhältnis von Farben ein Verhältnis von Tönen. Schon Kepler hat es gelehrt: Die Sternenabstände unseres Planetensystems entsprechen den Klangabständen unserer Tonleiter, und diese wiederum entsprechen den Zahlen der Farbenakkorde in dem für uns sichtbaren Farbenkreis. Die Welt der Formen wäre somit eine geronnene, sichtbar gewordene Welt der Musik …
Was ich hier am Fensterglase erblicke: die Eisblumengefilde, das sind Vorentwürfe oder Erinnerungen aller wirklichen Landschaften; so wie nächtlich geträumte Träume Vorentwürfe oder Erinnerungen aller „wirklich“ genannten Tagesbilder sind. Jede dieser Gestalten, die mein Odem erschafft, kommt auch irgendwo „wirklich“ vor in fernen Zonen oder in der Tiefe eines Meeres. Jede dieser Gestalten aber liegt auch als dunkles Erbwissen oder Erberinnern durchlaufener Lebensläufe, durchtauchter Lebenstiefen in meiner eigenen Seele. Im Fensterglase wird sichtbar alles, was ist, aber auch alles, was ich bin. Es kommt aus mir wie Musik aus der Saite. Es kann sich hineinerlösen in Gestalten der Kunst oder auch in Begriffsgefüge und philosophische Gedanken.
So wäre ich also Musiker und Instrument zugleich? Schöpfer dieser Eisblumenwelt am Fenster und doch nur eines unter Milliarden von Geschöpfen , durch welche Bilderflut und Schöpferhauch rastlos werdend und entwerdend, hindurchströmt. Und auch ich bin nur Bild unter Bildern, für eine Weile festgeronnen, wie hier im Fensterglase die silberne Liane oder der gezackte Tannenwald. Hauche ich heiß gegen die Bilder, so lösen sie sich auf und gerinnen neu, oder Wasser tropft von der Scheibe …
Der tolle Hund hat mich gebissen: die Lebensabkehr, der Weltabwendungsgedanke.
Ich kehre mich ab, lege Holz auf die Flamme im Kamin, träume ins Spiel der Flamme. Und wieder scheint es mir, daß die Bilder alles Lebens feuergewoben vorüberziehen: das brâhma-vidya, die Gestaltenwandelschau!

Ich zünde meine Pfeife an und blicke nach den blauen Wolkenschwaden, und mich durchzuckt ein tröstender Gedanke: „Ich bin jetzt Weltenschöpfer. Ich rauche hier in meinem Stübchen Weltgeschichte.“ Diese graublaue Karawane, das sind die Scharen Alexanders. Und jetzt kommt die Völkerwanderung. Jetzt jagen die Hunnen. Und dieser dicke Schwaden sind die Hohenstaufen.
Und ich blase Napoleons Heere und Völkerkriege und Revolution. Rauch alles; verwehender Rauch! Er wird sich niederschlagen am Fensterglas. Und morgen, wenn mein Feuer ausgebrannt ist und Asche den Ofen deckt, dann trösten mich wieder am Fensterglase die Runendenkmale der Eisblumen und die kristallenen Wälder.“ * Weiterlesen

Der angekettete Ring oder: Strukturbildende Verhakung

Das Kunststück ist einfach: Eine in sich geschlossene Kette wird mit der einen etwas gespreizten Hand so gehalten, dass die beiden Halbketten locker dicht nebeneinander herunterhängen. Mit der anderen Hand wird von unten ein Ring über die Kette geschoben. Indem die beiden Teile der Kette den Ring berühren, lässt man den Ring fallen und das Unerwartete tritt ein: Der Ring fällt nicht zu Boden, sondern wird von der Kette gefesselt und bleibt am unteren Ende hängen. Man muss den Knoten in der Kette lösen, um den Ring wieder frei zu bekommen. Die mit etwas Übung leicht durchzuführende Aktion steht in keinem Verhältnis zur Unglaublichkeit des Ergebnisses. Wie die nebenstehenden Bilder einer Slow-motion Fotoserie* zeigen, ist hier jedoch keineswegs Zauberei im Spiel sondern knallharte Physik. Weiterlesen

Zur Alltagskunst

Und es gibt kein naturwissenschaftliches Arbeitsgebiet, von der Medizin bis zur Physik, von der Entomologie bis zur Plasmaforschung, dem nicht neben dem Erkenntnisdrang auch noch ein vages ästhetisches Motiv unterlegt würde. Daß es auf ewig vage bleiben müsse, daß der Untersuchung des sogenannten Schönen im System unserer Natur-Erkenntnis kein Platz zukomme, gehört zu den aprioristischen Annahmen der Wissenschaft. Diese Annahme ist falsch. Das Werk des Weltenbaumeisters – wer immer er auch gewesen sein mag und noch ist, ob ein Gott oder ein vom Nichts ins Nichts führender physikalischer Prozeß – darf in gleicher Weise Gegenstand formaler Betrachtung sein wie ein vom Menschen geschaffenes Kunstwerk. Ein Gebirgszug, der Verlauf einer Küstenlinie, die Gestalt eines Vogels, die Verteilung und Färbung einer Flechte auf einem Felsen sind ebenso das Ergebnis von Form-Prozessen wie die Kathedrale von Chartres oder ein Bild von Cézanne, und diese wie jene lösen die gleichen psychischen wie mythischen Erfahrungen aus*.


*Alfred Andersch. Hohe Breitengrade. Zürich 1984

Volcanes diminutos en la playa

H. Joachim Schlichting. Investigación y Ciencia 6 (2019) Curiosidades de la física

Las mareas pueden provocar la formación de agujeros y pequeños montículos en la superficie de la playa. El fenómeno obedece al flujo del aire a través del sistema capilar que esconde la arena.
Cuando baja la marea y el agua se retira, la zona más alejada de la orilla queda repleta de agujeros y pequeñas protuberancias cónicas. El fenómeno se debe al flujo del aire por los capilares que forma la arena bajo la superficie.
En algunas playas, cuando caminamos sobre la zona del terreno que durante la bajamar se encuentra alejada del agua, a veces parecerá que estemos andando sobre algodones. Nuestros pies se hundirán profundamente en la arena y podremos comprobar que, al contrario de lo que suele ocurrir mucho más cerca de la orilla, allí no se ha creado una superficie firme.
Más aún, en esas partes blandas del terreno podremos ver con frecuencia un buen número de agujeros, así como verdaderas protuberancias, como si se tratase de pequeños volcanes. Y si tomamos del suelo un puñado de arena, con cuidado para no aplastarla, nos encontraremos con una especie de «espuma»: una estructura salpicada de cavidades de distintos tamaños. ¿A qué se debe este fenómeno?

Capilares subterráneos
Si observamos el fenómeno durante varios días, podremos comprobar que la responsable de esta filtración de aire a través de la arena es la marea. La arena consta de granos de forma irregular que solo se tocan en algunos puntos, por lo que dejan entre medias un sistema de capilares interconectados. Cuando el agua se filtra desde arriba, desplaza con su peso el aire contenido en esos capilares. Sin embargo, este no podrá escapar indefinidamente hacia abajo, ya que antes o después se encontrará con el nivel freático del agua subterránea, la cual ya habrá llenado los espacios vacíos inferiores. Así pues, cuando sube la marea, el agua empuja el aire y lo dirige hacia arriba (véase la ilustración).
Lo anterior hace que aumente la presión del gas, ya que los estrechos capilares oponen resistencia a la circulación. Se trata de un fenómeno parecido al que tiene lugar cuando intentamos expulsar el agua de una jeringuilla que contiene en su interior una burbuja de aire: el pistón comprimirá la burbuja de manera considerable. Expuestas a una presión semejante, las delgadas corrientes de aire que circulan bajo el suelo se unirán tan pronto como entren en contacto y, antes o después, prorrumpirán en la superficie.
Cuando eso ocurre, aparecen agujeros en algunos sitios del suelo y, en otros, pequeños abultamientos cónicos, los cuales se formarán siempre que la capa superior posea partes herméticas (y que, por tanto, impidan el paso del aire). Ambas estructuras dan lugar a la «espuma de arena» que mencionábamos al principio, y cuando baje la marea podremos verla con claridad. Si seccionamos cuidadosamente los conos con un cuchillo, nos convenceremos de que realmente existen cavidades bajo las protuberancias.
Cuando sube el nivel del mar, a veces es posible apreciar la manera en que el rítmico ir y venir de las olas inunda los agujeros y los deja libres de nuevo. Justo en el borde del agua, donde la profundidad es de tan solo unos pocos centímetros, pueden verse cómo salen burbujas de los agujeros anegados. La bajada de la marea vuelve a drenar el sistema capilar, ahora lleno, y las grandes cavidades. Ello reduce la presión y hace que se absorba aire; entretanto, a veces aparecen nuevos agujeros.

Filigrane Sanddächer in der Wüste

Einfach gesagt, besteht die Sandwüste aus zahlreichen hellen und dunklen in Größe und Form geringfügig voneinander abweichenden Körnchen. Ihre Wechselwirkungen beschränken sich darauf, dass sie sich stoßen und reiben. Dennoch vermögen sie auf diese Weise erstaunlich reichhaltige und ästhetisch ansprechende Strukturen hervorzubringen, die wir bereits an zahlreichen Stellen dieses Blogs in Wort und Bild gewürdigt haben (z.B. hier und hier und hier und hier und hier und hier und hier und hier und hier und hier ). Weiterlesen

Spirale 8 – Eine ansteigend geordnete, eingerollte Gebärde…

Die meisten Leute kranken daran, daß sie nicht aussagen können, was sie sehen und was sie denken. Man behauptet, es sei nichts schwieriger als eine Spirale in Worten zu definieren: Man muß dazu, sagt man, in der Luft mit der literaturlosen Hand eine ansteigend geordnete, eingerollte Gebärde vollführen, dank welcher sich diese abstrakte Figur der Sprungfedern oder manchen Treppen den Augen darstellt. Weiterlesen

Blätter sind auch nur Menschen

Kein Mensch gleicht dem anderen. Das könnte man mutatis mutandis auch für abgeworfene Blätter sagen. Wie die Menschen lieben auch sie die Gesellschaft und tun sich zu größeren Ansammlungen zusammen. Anders als der Mensch, der dazu meist einen fahrbaren Untersatz benötigt, nutzen sie den Wind. Natürlich gibt es immer einige einsame Wölfe, die sich abseits der großen Masse halten. Weiterlesen

Die künstlerische Rückseite eines Geysirs

Wie in einem früheren Beitrag dargestellt wird ein Kaltwassergeysir im Wesentlichen durch die periodische Lösung und Ausgasung von Kohlenstoffdioxyd in Wasser infolge einer subtilen Druckvariation betrieben. Dass diese im Verborgenen stattfindenden physikalischen Vorgänge zu derartig drastischen Wirkungen in der Außenwelt führen, ist das eigentlich Beeindruckende an diesem technisch unterstützten Naturschauspiel. Darüber wird aber meist übersehen, dass nach dem Aufstieg der Wassersäule der Rückfall und die Wiederbegegnung des nunmehr weitgehend zerstäubten mit allerlei Mineralien angereicherten Wassers mit der Erde für mein Empfinden spektakuläre Spuren hinterlässt. Weiterlesen

Wenn die Oberlippe wie ein Schmetterlingsflügel zuckt – Schmetterlinge (4)

Der Flügelschlag eines Schmetterlings gilt in der nichtlinearen Physik als Metapher für die Sensitivität von komplexen Systemen, wonach winzige Ursachen drastische Auswirkungen haben können. Aber man muss nicht unbedingt an physikalische Systeme denken. Der Flügelschlag hat lange bevor die Physik das Problem zum Forschungsgegenstand erhoben hat, in der Menschheitsgeschichte eine große Rolle gespielt. Der Dichter Heinrich von Kleist hat das Phänomen in seiner Erzählung: Über die allmähliche Verfertigung der Gedanken beim Reden sehr ausdruckstark beschrieben. Weiterlesen

Stabilität durch kollektives Stürzen

Brücke

Einfache und anschauliche Vorstellungen zu physikalischen Vorgängen findet man oft außerhalb der Physik, z.B. bei dem Dichter Heinrich von Kleist. In diesem Fall kann man sogar davon ausgehen, dass er mit den physikalischen Errungenschaften seiner Zeit vertraut war.
Bögen und Gewölbe faszinieren auch den Laien dadurch, dass sie sich auf eine nicht sofort zu durchschauende Weise den Gesetzen der Schwerkraft zu entziehen scheinen. Und man ist immer wieder erstaunt, dass unter den Überresten antiker Gebäude oft Bögen und Gewölbe vorzufinden sind, die man naiverweise als am ehesten als sturzgefärdet ansieht.
Auch in der aktuellen Physik der granularen Materie spielt die Gewölbebildung durch Kontaktnetzwerke, die die Kräfte der Partikel zu den Seiten ableiten eine wichtige Rolle.
Vor diesem Hintergrund gewinnen die folgenden Worte von von Kleist eine aktuelle Bedeutung: Weiterlesen

Steine: Ein mineralischer Weihnachtsbaum

Weihnachtsbaum-2017Obwohl die Bäumchen, die hier vor circa 160 Millionen Jahren im Solnhofener Plattenkalk gewachsen sind, wie Versteinerungen von Pflanzen aussehen (vgl. Weihnachtsbaum des Vorjahres), handelt es sich um Eisen- und Manganabscheidungen auf Kluftflächen des Kalks. Die baumartige Struktur erinnert mich in diesen Tagen an den Weihnachtsbaum. Diese „Weihnachtsbäumchen“ haben zwar keinen biologischen Ursprung, sondern verdanken sich rein chemisch-mineralogischen Vorgängen. Dafür sind sie aber steinalt und nadeln nicht. Weiterlesen

Farne – ästhetisch und selbstähnlich

FarnFarne, Feen, Ferne. Von allen Pflanzen im Wald sind mir die Farne die liebsten. Elegant gerippt wie zarte Feenskelette, mit einem Anflug von Fleischlichkeit manchmal im Hochsommer, wenn das Blatt dicker und das Grün dunkler ist. Die Blätter erlauben dem Licht, sie so zu durch leuchten daß ihre Bauart geradezu urgeschichtlich sichtbar wird. Im Vorbeilaufen ein Winken aus undenkbaren, wilden Fernen.

Dagmar Leupold (*1955).  Alphabet zu Fuss. Weiterlesen

Strecken und Falten – chaotisches Mischen

chaotische_mischmaschineObwohl der Regen vorüber war, lief noch einige Zeit danach das in den Regenrinnen aufgefangene Wasser  in den Brunnenring, der hier als Auffangbecken für Regenwasser dient. Dabei konnte ich eine interessante Strukturbildung beobachten. Weiterlesen

Sanddünen und Emergenz

SanddünenK Weiterlesen

Rätselfoto des Monats April 2016

123_Sandlawinen_April_2016Wie kommt es zu dieser (fast) symmetrischen Sandstruktur?

Erklärung des Rätselfotos vom Vormonat: Deformationen von Kondensstreifen

 

Selbstorganisierter Applaus

Als ichUnfreiwilliger-Abfalleimer neulich diesen unfreiwilligen Abfalleimer mit Rädern sah, wurde ich an ein auf den ersten Blick völlig anderes Phänomen erinnert, das  ich vor Jahren mit einigen Freunden in einem Konzertsaal hervorgebracht habe. Es gelang uns gewissermaßen einem ganzen Konzertsaal unseren Willen aufzuzwingen. Dabei haben wir eine passende Situation ausgenutzt.
Das offizielle Konzert war bereits zu Ende. Der Dirigent hatte die Beifallsstürme bereits mit zwei Zugaben quittiert. Es sah nicht so aus, als ob er eine dritte geben würde. Da jedoch rege weitergeklatscht wurde und sich kaum einer anschickte zu gehen, sahen wir unsere Chance, dem Applaus und damit dem Wunsch nach einer weiteren Zugabe eine neue Qualität zu geben. Weiterlesen

La gometria de las redes fluviales

EinzugSchlichting, H. Joachim. In: Investigacion y cienca 4 (2015) 84 – 86

Es aspecto fractal de las redes de afluentes y otros sistemas obedece a un principio fisico simple: la minimiation de las „pérdidas“ de energia por unidad de tiempo

In stetem Fluss

ClipSchlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 6 (2014), S. 44 – 46

Von Flüssigkeiten durchströmte Netzwerke bilden komplexe Strukturen aus, folgen dabei aber einem einfachen ordnenden Prinzip: der Minimierung der Energie-»Verluste« pro Zeiteinheit.

Die Natur wählt den
kürzesten möglichen Weg.
Aristoteles (384 – 322 v. Chr.)

PDF: In stetem Fluss

Wer mit dem Flussnetzwerk selbst ein wenig „spielen“ möchte, sei auf eine Simulation im Internet verwiesen, die Dr. Stefan Loheider auf Anregung durch diesen Beitrags programmiert hat.

 

Das Geheimnis der Waschbrettpisten

WaschbrettpistenSchlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 44/4 (2013), S. 52-53

Kleine Ursachen können große Wirkungen haben. Aber warum führen sie auf unbefestigten Straßen zu so regelmäßigen Strukturen?

… die Wirklichkeit ist immer komplizierter als die Dichtung:
weniger glatt, weniger abgerundet, viel holpriger.
Es kommt selten vor, dass sie sich an eine Ebene hält.
Primo Levi (1919 – 1987)

Das Geheimnis der Waschbrettpisten

Lautlose Explosionen

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 44/3 (2013), S.Clip_135 52-53

Bleiben Sie gelassen, wenn sich Rotwein über das weiße Tischtuch ergießt. Denn dabei können Sie einen komplexen Strukturbildungsprozess studieren.

Betrachte die Flecken an der Wand,
die Asche im Ofen,
die Wolken oder den Rinnstein
Beim genauen Beobachten
wirst du dort wunderbares
entdecken.
Leonardo da Vinci (1452 – 1519)

Laulose Explosionen

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