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Strukturbildung, Selbstorganisation & Chaos

Diese Kategorie enthält 132 Beiträge

Struktur mit Pareidolie

Das Besondere an dieser Struktur (siehe Foto) liegt in ihrer Natürlichkeit. Dennoch wirkt sie wie ein abstraktes Kunstwerk. Und es wird zu einem solchen, wenn die Ursprungsgeschichte abgeschnitten wird und man nur auf das Bild selbst zurückgreifen kann. Diese Feststellung könnte dazu führen, sich Gedanken darüber zu machen, was ein Natur“werk“ zu einem Kunstwerk qualifiziert.

Schattensäulen im Eis

Was hier wie eine feine Grafik daherkommt, ist in Wirklichkeit ein Naturphänomen. Wir blicken auf eine Eisschicht eines zugefrorenen Teichs. Die Dicke der Eisschicht lässt sich an der Länge der dunklen weitgehend senkrechten Striche abschätzen. Diese perspektivisch auf ein fiktives gemeinsames Zentrum (auch Fluchtpunkt genannt) weisenden Striche sind Schattensäulen. Sie werden hervorgerufen durch Gasblasen, die im Eis des zufrierenden Teiches steckengeblieben sind.
Das Gas entsteht durch biologische Aktivität irgendwelcher Pflanzen auf dem Grund des Teichs. Es sammelt sich zunächst an bestimmten Stellen der Pflanzen, bis die Auftriebskraft die Adhäsionskraft übersteigt und eine Blase aufsteigt. Da der Teich dabei ist zuzufrieren, bleibt sie unterhalb der Eisschicht sitzen und wird durch das tiefer in den Teich hineinwachsende Eis eingeschlossen. Je nach dem Zeitpunkt, in dem die Blasen aufstiegen, befinden sie sich in unterschiedlicher Höhe in der Eisschicht.
Die ältesten Blasen befinden sich unmittelbar unter der Oberfläche, die jüngsten an der unteren Fläche der Eisschicht. Sie sind dadurch zu erkennen, dass sie keinen Schatten haben. Denn das klare Wasser darunter streut das Licht nicht. Die Blasen haben einen Durchmesser von einigen Millimeter, sie sind als weiße Flecken zu erkennen. Das Weiß rührt daher, dass sie auf ihrer Innenseite eine Reifschicht aufweisen, die das Licht streuen.
Während des Fotografierens schien die Sonne. Die weitgehend opaken Blasen werfen Schatten. Die Eisschicht ist nicht völlig transparent, weil an Verunreinigungen (winzige Lufteinschlüsse) das Sonnenlicht diffus reflektiert wird und ihr ein leicht milchiges Aussehen gibt. In den Schattenbereichen findet hingegen keine Lichtstreuung statt, weil dorthin überhaupt kein direktes Sonnenlicht gelangt. Daher erscheinen sie in der aufgehellten Eisschicht wie dunkle Säulen.
Die Schattensäulen scheinen auf einen fiktiven gemeinsamen Punkt in der Tiefe zuzulaufen, den Fluchtpunkt.

Eine Knospe als Landeplatz für Schneeflocken

Eine Knospe, in der bereits alles angelegt und vorbereitet ist für den Frühling, wird von vereinzelt fallenden Schneeflocken besucht. Sie verhaken sich ineinander und schmelzen an der Berührstelle zusammen.
Von der Statik her scheint die Situation etwas ungewöhnlich bzw. unvertraut. Denn unsere im Bereich der alltäglichen Größenordnungen geprägte Anschauung erscheinen derartige Konstrukte als äußerst fragil, wenn nicht gar unmöglich. Aber dank der Flächen-Volumenrelation handelt es sich gemessen an den in dieser Größenordnung auftretenden Kräften um eine äußerst stabile Konstruktion. Vorsichtiges Pusten auf die an den Lämmerschwänzchen anhaftenden Flocken, brachte die Schwänzchen zwar ins Schwanken, fügte aber der Schneestruktur keinen Schaden zu.

Die Form bewahren und sei es als Mumie

Die oft erhobene Forderung, die Form zu bewahren, erinnert mich an diesen armen Apfel, der es auf irgendeine für mich undurchschaubare Weise geschafft hat, sich ohne zu verfaulen vom verschmähten Fallobst in den Winter zu retten. Ich bin sicher, dass er es auch bis in die nächste Jahreszeit hinein schafft. Jedenfalls fühlt er sich hart und widerstandsfähig an. Natürlich erinnert er in seiner völlig apfelunähnlichen Farbe und Konsistenz eher an eine Apfelmumie als an eine genießbare Frucht. Und ich möchte nicht wissen, wie es in seinem Innern aussieht.
Es soll damit nicht behauptet werden, dass die Formvollendung im (mit)menschlichen Bereich mit dem Verhalten des Apfels gleichzusetzen ist, aber – wie gesagt – irgendwie werde ich manchmal an den Apfel erinnert.

Abgesehen von diesen eher metaphorischen Überlegungen würde ich allzu gerne wissen, wie es manchen gefallenen Äpfeln im Vergleich zu den vielen anderen Leidensgenossen gelingt, so formvollendet über den Winter zu kommen. Kennt sich da jemand aus?

Zum 200. Geburtstag von Rudolf Clausius – Energie und Entropie

Die Sonnenenergie wird verbraucht, die Entropie nimmt zu. Doch dadurch werden alle lebenswichtigen Vorgänge auf der Welt angetrieben.

Heute vor 200 Jahren wurde der Physiker Rudolf Clausius (2. Januar 1822 – 24. August 1888) geboren. Er ist der „Entdecker“ der Entropie, einer physikalische Größe, die nicht nur von physikalischer Bedeutung ist, sondern letztlich als zentraler Begriff für die Beschreibung wesentlicher Aspekte der Energieproblematik gelten sollte. Leider kommt das meist nicht direkt zum Ausdruck, obwohl es helfen würde, den Umgang mit der Energie besser einzuschätzen.
Das Problem ist nämlich, dass die Energie weder erzeugt noch vernichtet werden kann – es ist eine Erhaltungsgröße. Die lebensweltlichen Erfahrungen mit der Energie sind scheinbar andere: Demnach geht Energie verloren. Denn man muss ständig neue Energie zum Heizen, für die Fortbewegung und viele andere Hilfsfunktonen im Alltag beschaffen und dementsprechend auch dafür bezahlen. Aber geht es uns beispielsweise mit dem Wasser, das uns per Wasserleitung ins Haus geführt wird genauso? Wir sprechen von Wasserverbrauch: Wasser wird für die verschiedensten Zwecke, zum Kochen, Waschen, Klospülen usw. verbraucht, ohne dass jemand der Meinung wäre, das Wasser würde verschwinden, vernichtet werden. Im Gegenteil, meist wird die Schmutzwasserbeseitigung dadurch berechnet, dass man den Wasserverbrauch an der Wasseruhr abliest.
Ganz ähnliche Erfahrungen machen wir mit dem Energieverbrauch, bei dem die Energie mengenmäßig erhalten bleibt und insofern qualitativ verändert wird, als sie nicht noch einmal für denselben Zweck zu gebrauchen ist. Hat sich meine Tasse mit heißem Tee abgekühlt, so wurde die Energie durch Wärme an die Umgebung abgegeben. Mir ist es dann nicht ohne Weiteres möglich die jetzt in der Zimmerluft befindliche Energie wieder in den Tee zurückfließen zu lassen. Der Energieverbrauch ebenso wie der Wasserverbrauch besteht darin, dass die Energie nicht noch einmal für denselben Zweck gebraucht werden kann. Sie wird entwertet. Es ist also neben der Erhaltung der Energie ein Begriff erforderlich, der die Entwertung bzw. die darin enthaltene Unumkehrbarkeit (Irreversibilität) durch eine neue Größe zu erfassen.
Genau darin besteht das Verdienst von Rudolf Clausius, indem er die Energieentwertung mit Hilfe der Größe der Entropie erfasste, die fortan mit dem Buchstaben S bezeichnet wird. In einer berühmten Arbeit aus dem Jahre 1865 schreibt er in diesem Zusammenhang: „… so schlage ich vor, die Größe S nach dem griechischen Worte , die Verwandlung, η  τροπή, die Verwandlung, die Entropie des Körpers zu nennen. Das Wort Entropie habe ich absichtlich dem Worte Energie möglichst ähnlich gebildet, denn die beiden Größen, welche durch diese Worte benannt werden sollen, sind ihren physikalischen Bedeutungen nach einander so nahe verwandt, daß eine gewisse Gleichartigkeit in der Benennung mir zweckmäßig zu seyn scheint“.
Er schließt seinen Aufsatz mit der den Worten, dass „man die den beiden Hauptsätzen der mechanischen Wärmetheorie entsprechenden Grundgesetze des Weltalls in folgender einfacher Form aussprechen kann.
1) Die Energie der Welt ist constant,
2) Die Entropie der Welt strebt einem Maximum zu.“*
Den 2. Hauptsatz der Thermodynamik oder der Entropiesatz, wie man ihn heute bezeichnet, besagt also, dass die beim Umgang mit der Energie auftretende Energieentwertung nur zunehmen, nicht aber abnehmen kann.

Wer es etwas genauer informiert werden möchte, den verweise ich auf frühere Beiträge (z.B. hier und hier und hier).


* Rudolf Clausius. Über verschiedene für die Anwendung bequem Formen der Hauptgleichungen der mechanischen Wärmetheorie. Analen der Physik und Chemie Band CXXV 7, No. 7  (1865) S. 353 – 400

Haareis – eine seltene Spezies gefrorenen Wassers

Wer sich nach einer feuchten Wetterperiode bei Temperaturen etwas unterhalb des Gefrierpunts vom Wege durch ein weitgehend naturbelassenes Waldstück abweicht, hat eine Chance, Haareis zu finden. Dass die Chance nicht allzu groß ist, sollte ich selbst erleben, der ich nun schon seit Jahren durch ein geeignetes Waldstück spaziere, von dem ich meine, dass in ihm bei den passenden meteorologischen Bedingungen Haareis zu finden sei. Inzwischen hatte ich mich so an meinen Wald gewöhnt, dass ich dort auch zu anderen Jahreszeiten meines Weges ging und andere spannende Phänomene vorfand, die teilweise auch Eingang in diesen Blog gefunden haben.
Daher verdanke ich die vor wenigen Tagen gemachten Entdeckungen auch eher dem Zufall als einer zielgerichteten, systematischen Suche. Diesmal kurz nach der Wintersonnenwende war die Sonne bereits hinter dem südlichen Berghang des Hüggeld (230 m) verschwunden, sodass mein Weg im Schatten lag. Um noch etwas von der Sonne zu erwischen beeilte ich mich daher aus dieser Gegend wegzukommen. Plötzlich schienen auf dem im Schatten liegenden Waldboden gleich mehrere Stellen wie aus sich heraus aufleuchten, was meine Neugier erweckte. Zunächst dachte ich an achtlos weggeworfene Tempotaschentücher, die durch ihre optischen Aufheller manchmal eine erstaunliche Leuchtkraft entwickeln. Merkwürdigerweise kam es mir überhaupt nicht in den Sinn, dass es sich um das Objekt meiner Wünsche handeln könnte, das einmal den Anlass gab, hier zu spazieren. Erst als ich die feinen Haarbüschel vor Augen hatte, die aus den am Boden liegenden, morschen Ästen herauswuchsen, fiel der Groschen. Soweit zur Vorgeschichte, die mir schön öfter in dieser Weise passiert ist, und nun etwas zur Physik.
Die feinen Eishaare, die hier büschelartig aus den feuchten, morschen am Boden liegenden Holzstücken (Reste von Buchenästen, aber auch einige andere Bäume sind geeignet) wucherten, hatten offenbar ideale Wachstumsbedingungen vorgefunden: durchnässtes morsches Holz bei Temperaturen leicht unter dem Gefrierpunkt. Wie kommt es zu diesem Phänomen?

Wissenschaftlich nachgewiesen ist, dass Haareis durch ein im Holz lebendes Pilzmyzel verursacht wird. Diese These ist schon sehr alt und geht auf Alfred Wegener (1880 – 1930) zurück, dessen Name vor allem mit der Kontinentalverschiebungstheorie verbunden ist. Ausgehend von Wegners Ergebnissen und der Fachliteratur über Haareis und ähnliche Phänomene haben neuere Untersuchungen experimentell und theoretisch die Pilzthese erhärtet. Dazu haben die Forscher zum einen zeigen können, dass auf Holzstücken, die natürlicherweise von Haareis befallen waren, dieses in geeigneten Frostnächten erneut sprießte, wenn man vorher die alten Haare beseitigt hatte. Sobald man allerdings dem vermuten Pilzmyzel mit Hitze (Kochen), Alkohol oder einem Fungizid zu Leibe rückte, blieb der anschließende Haareisbefall ganz oder zumindest teilweise aus.
Nach Auswertung und Analyse wissenschaftlichen Beobachtungen und Experimente, ergibt sich folgende Erklärung für das Zustandekommen von Haareis:
Urheber des zur Haareisbildung führenden Prozesses ist ein im Holzkörper, vor allem in den Holzstrahlen  lebendes Myzel eines winteraktiven Pilzes. Es konnten mehrere Arten von auf Laubholz spezialisierten Asko- und Basidiomyzeten identifiziert werden.
– Der Pilz baut die in den Holzstrahlen vorhandenen organischen Nährstoffe (Kohlenhydrate, Lipoide) durch einen aeroben Dissimilationsprozess (Zellatmung) ab. Oxydative Endprodukte sind CO2 und H2O.
– Der Druck des entstehenden CO2-Gases drängt mit dem Oxydationswasser auch im Holz gespeichertes Wasser durch die Holzstrahlkanäle an die Oberfläche.
– Im ausgestoßenen Wasser befinden sich als ‚Verunreinigung’ unvollständig abgebaute organische Substanzen. Dank der als Kristallisationskeime wirkenden organischen Moleküle gefriert das Wasser beim Austritt an die Luft schon knapp unterhalb von 0° C: Am Ausgang der Holzstrahlen entstehen Eishaare.
 – Die in den Eishaaren enthaltene organische Substanz kann winteraktive Insekten (Collembolen) anziehen.
– Beim Schmelzen der Eishaare wird die organische Substanz als dünner Faden sichtbar, an dem sich perlenartig Wassertröpfchen bilden.
*


* Gerhart Wagner und Christian Mätzler. Haareis auf morschem Laubholz als biophysikalisches Phänomen. Hair Ice on Rotten Wood of Broadleaf Trees – a Biophysical Phenomenon. Forschungsbericht Nr. 2008-05-MW 2008

Ein Zickzackmuster der Natur

Noch fährt der Winter zumindest bei uns einen ausgesprochenen Zickzackkurs und visualisiert ihn auch gleich in zugleich symbolischer wie naturschöner Weise auf einem Stechpalmenblatt. Da sich diese Pflanze ohnehin weigert im Winter ihr Grün abzulegen, ist dies eine schöne Möglichkeit des Winters sich auf ihr bemerkbar zu machen. Sie hat in einigen Ländern eine länger Tradition als typische Weihnachtspflanze als der Weihnachtsbaum, was neben dem Immergrün auch durch die knallroten Früchte gut zu verstehen ist. In diesem Zusammenhang spricht man auch von Christdorn.
Übrigens ist die Stechpalme der (Ilex aquifolium) „Baum des Jahres 2021“. Sie ist neben dem Efeu, Buchsbaum und Eibe eine der wenigen heimischen immergrünen verholzten Blattpflanzen.
Einen schönen Beitrag zum Baum des Jahres 2021 findet man zum Beispiel hier.

Der Winter kündigt sich mit feinen Kristallen an

Jetzt beginnt die Zeit, in der die Herbstfarben allmählich in den Hintergrund treten, auch wenn sie noch keck durch die Kristalle hindurchschimmern, mit denen der aus Schwarzweiß ausgerichtete Winter das Bunte zu überkrusten versucht. Die Eiskristalle haben sich in der klaren kalten Nacht gebildet. Sie streben alle in nachbarschaftlicher Konkurrenz dem Himmel zu, weil es in der Nähe der Blattoberfläche noch zu warm ist, um die Kristallisationswärme loszuwerden. Denn das ist der energetische Preis für den Übergang vom Gas zum Festkörper.
Jeder Kristall startet auf einem Härchen oder einer kleinen Erhöhung auf dem Blatt und wartet auf Wasserdampfmoleküle, die sich den bereits kristallisierten und damit fixierten zugesellen.
Wir sehen hier nicht mehr die Schönheit des Herbstes, sondern des Übergangs zum Winter, der demnächst auch offiziell beginnt. Inoffiziell hält er ja bereits als meteorologischen Winterbeginn seit Monatsanfang in unseren Breiten seinen noch schüchternen Einzug.

Blasen aus dem Untergrund

In einer äußerlich normalen Pfütze sah ich dieses Muster aus Blasen. Genau genommen sind es keine idealen Blasen, weil sie aus zwei Teilen bestehen, von denen der größere Teil in die Luft ragt und ein kleinerer ins Wasser. Letzteres muss man gar nicht direkt sehen, man kann es erschließen. Denn um eine halbwegs straffe Blase zu sein, muss das Gas im Innern einen höheren Druck haben als der der äußere Luftdruck. Dadurch wird das Wasser entsprechend eingedellt.
Die Blasen vereinigen sich hier in Form eines polygonalen Musters. Am liebsten wäre es ein hexagonale Muster geworden, weil dadurch die kleinste Oberfläche bedeckt worden wäre, was der kleinsten Oberflächenenergie entspricht. Denn die Natur tendiert dazu so viel Energie wie unter den jeweils gegeben Bedingungen möglich an die Umgebung abzugaber. Dazu müssten u. A. die Blasen gleich groß sein. Sind sie aber nicht. Und das hat mit ihrem Ursprung zu tun, die Art und Weise, wie sie aufgeblasen werden. Auf dem Grund der Pfütze lagern vermutlich biologisch aktive Substanzen, wie etwa Algen. Diese geben Gase ab, die meist unbemerkt zur Oberfläche aufsteigen und dort allmählich sichtbare Blasen aufblasen.
Die Blasen sind von einem weißen Ring umgeben. Auch das sind Blasen – Miniblasen. Sie sind deshalb weiß, weil sich die von ihnen ausgehendne Lichtstrahlen mischen und kein auflösbares Bild im Auge erzeugen. Ähnlich verhält es sich ja mit den transparenten Eiskristallen, aus denen der Schnee besteht, auch er sieht weiß aus.
Die Blasen scheinen einen gewissen Abstand zu den Nachbarn zu bewahren. Das sieht aber nur so aus. Denn die Blasen reichen über den durch die Miniblasen gekennzeichneten Bereich hinaus. Sie werden vom Wasser benetzt, das ein stückweit an ihren Wänden hochgezogen wird. Auf dieser konkaven „Kehle“ hocken die von den großen Blasen angezogenen Miniblasen.

Zu besonders kuriosen Phänomenen kann es kommen, wenn die Blasen unter einer Eisfläche aufsteigen.

Gebrochene Symmetrie

Symmetrien spielen in der Physik und in der Kunst eine wichtige Rolle. Doch noch wichtiger und schöner als die perfekte Symmetrie ist die Abweichung davon, der Symmetriebruch.

In diesem Fall ist vom Eindruck der Symmetrie nur noch die grobe Ausrichtung der Maserungen geblieben.

Wo ist die Grenze, dass man keine Symmetrie mehr wahrnimmt?

Viskoses Verästeln in Physik und Kunst

Im Rahmen der nichtlinearen Physik stehen oft Experimente im Vordergrund, die im weitesten Sinne mit Strukturbildung zu tun haben. Diese Strukturen und ihre dynamischen Veränderungen sind oft von großem ästhetischem Reiz. Lange bevor im heutigen Sinne von nichtlinearer Physik die Rede war, haben Künstler wie etwa Max Ernst bestimmte Maltechniken benutzt, die heute im Rahmen der nichtlinearen Physik von Interesse sind.

Max Ernst nutzt beispielsweise die Bildung von fraktalen Formen durch die Décalcomanie genannte Technik, bei der er mit einem Pinsel Deckfarben auf einem Blatt Papier verteilt, ein zweites Blatt auf die frische Farbe legt und dann beide Blätter trennt, indem er sie vorsichtig auseinanderzieht. Die dadurch entstandenen Zufallsgebilde, die Assoziationen von Felsen, Wasser- und Korallenlandschaften wachrufen, werden von Ernst gezielt eingesetzt, um das schöpferische Potenzial des Unbewussten fruchtbar zu machen. Diese Art der Formfindung kann als konsequente Umsetzung der surrealistischen „écriture automatique“ in der Malerei angesehen werden. Allerdings half der Maler dem Zufall etwas nach, indem er die natürlicherweise entstandenen Strukturen der künstlerischen Absicht entsprechend in entscheidenden Details veränderte.

Derartige fraktale Gebilde kann man genießen, man kann sich aber auch dadurch motivieren lassen, ihr Zustandekommen verstehen zu wollen. Denn es sind einfache, aber nichtlineare Mechanismen, die dieser Strukturbildung zugrunde liegen.
Für eigene Experimente besonders geeignet sind Overheadfolien. Dazu bekleckst man die Folie z.B. mit Öl- oder Akrylfarbe. Man kann sie aber auch weiter künstlerisch gestalten. Anschließend legt man vorsichtig eine zweite Folie darüber und presst beide sorgfältig zusammen, sodass keine Luft mehr zwischen ihnen eingeschlassen ist. Anschließend zieht man die obere Folie wieder ab. Da die Natur sich gegen ein Vakuum sträubt, ist das nur möglich, wenn von den sich trennenden Rändern der Folien her Luft eindringt. Dabei muss sie die dickflüssige Farbe verdrängen. Wenn aber ein Fluid, hier die Luft, ein dickflüssigeres (viskoses) Fluid (hier die Farbe) verdrängt, dann geschieht dies nicht auf breiter Front, sondern erfolgt durch viskoses Verästeln. Die dadurch entstehende fraktale Struktur macht den Reiz des entstehenden Bildes aus, die auch Max Ernst und andere zu schätzen wussten.

Kooperation zwischen Kunst und Physik

Diese Sandstruktur ist am Strand enstanden, indem ich die Gezeiten zu Gestaltbildung ausgenutzt habe. Konkret habe ich im Gezeitenbereich aus dem schwarzweißen Sandgemisch eine Figur modelliert und sie dann der Flut überlassen. Stunden später kam dieses „Kunstwerk“ dabei heraus. Physikalische Vorgänge durch Zufall und Notwendigkeit waren hier in einer für mich nur im Prinzip durchschaubaren Weise am Werk.

Strömungen mit Pareidolien

Das Leben ist ein ständiges Fließen, das wir anzuhalten und in dauerhafte und festgelegte Formen zu bringen versuchen, und zwar innerhalb wie außerhalb von uns; denn wir selbst sind schon feste Formen, Formen, die sich zwischen anderen unbeweglichen Formen bewegen und deshalb dem Fluß des Lebens folgen können, bis er immer starrer wird und schließlich seine schon allmählich verlangsamte Bewegung ganz aufhört. Die Formen, mit denen wir in uns dieses beständige Fließen anzuhalten und festzulegen suchen, sind die Begriffe, die Ideale, denen wir treu bleiben möchten, sowie alle von uns geschaffenen Phantasiebilder, die Lebensumstände, die Stellung, in der wir uns einrichten möchten. Aber der Lebensfluß fließt in uns, in dem, was wir Seele nennen und was das Leben in uns ist, ständig weiter, nicht klar bestimmbar, unterhalb der Dämme und der Grenzen, die wir ihm aufzwingen wollen, indem wir uns ein Bewußtsein bilden und uns eine Persönlichkeit aufbauen. In manchen stürmischen Augenblicken stürzen allerdings alle diese unsere Formen unter dem Ansturm der Flut erbärmlich in sich zusammen. Aber auch der Teil des Flusses, der nicht unterhalb der Dämme und Grenzen dahinströmt, sondern den wir deutlich erkennen und den wir sorgfältig in die Kanäle unserer Gefühle, der Pflichten, die wir uns auferlegt haben, und der von uns selbst uns vorgezeichneten Gewohnheiten geleitet haben, schwillt manchmal so an, daß er über die Ufer tritt und alles über den Haufen wirft in der Natur.*


* Luigi Pirandello. Der Humor. In: Caos. Mindelheim 1987, S. 41f

Virtuelle Herausforderung

Es ist wahrlich kein erbauendes Gefühl, sich selbst zwar verdoppelt aber kopflos gegenüberzustehen. Und da sage doch jemand, Spiegel seien verlässlich. Rein physikalisch gesehen sind sie es auch: Einfallswinkel = Reflexionswinkel und erst dadurch entsteht das Malheur. Ein gewellter, eingedellter Spiegel kann eben auch nur ein gewelltes und gedelltes Abbild hervorbringen. Dabei kann es je nach Blickwinkel neben abenteuerlichen Verzerrungen zu Überlagerungen und Verdeckungen, wobei oft entscheidende Partien einer Person dem Blick entzogen werden*.
Dennoch oder vielleicht auch deshalb sind solche meist in Science Centern mehr zur Belustigung als zur Aufklärung aufgestellten Zerrspiegel sehr beliebt. Das Vergnügen, sich in der Spiegelwelt je nach Position und Blickwinkel deformiert und depriviert, aber trotzdem nicht deprimiert zu sehen, resultiert vielleicht auch daraus, dass man im tiefsten Inneren die ebenso tiefe Überzeugung spürt, trotzdem in Wirklichkeit wirklich alles beieinander zu haben. Ich habe Kinder erlebt, die nach einigen Spielchen mit dem Zerrspiegel anschließend zum manchmal daneben angebrachten Planspiegel gegangen sind, vielleicht um sich ihrer körperlichen Integrität zu versichern. Man kann ja nie wissen.
Wenn Ödön von Horváth (1901 – 1938) in diesem Zusammenhang meint:
Mancher müßte in einen Zerrspiegel schauen,
um erträglich auszusehen,

so steckt angesichts des Fotos dahinter schon eine ganze Portion Bosheit.


* Wer kein Science-Center u. Ä. in der Nähe hat, kann sich mit den wandelnden Zerrspiegeln auf den Straßen und Parkplätzen vergnügen. Besonders die gut geputzten Karossen zeigen exzellente Verzerrungen.

Wirbel einer ausgeblühten Clematis

Manche Blüten oder das was von ihnen bleibt, wenn sie ausgeblüht haben, überraschen mit einer besonderen Schönheit. In diesem Fall ist es die an einen Wirbel erinnernde Struktur, die ein Gefühl von Bewegung erzeugt.

Ein Stein mit einer Prägung der Zeit

Statt mit Steinen zu werfen, sollte man lieber einen Blick auf die Steine werfen. Bei diesem Kreuzstein (Foto) handelt es sich um das Mineral Chiastolith, einer speziellen Form des Andalusit, ein Aluminium-Mineral mit gekreuzten Einschlüssen aus Kohlenstoff. Sein atomarer Aufbau und seine Entstehung sind schon eher geeignet, sich den Kopf zu zerbrechen, ohne den Stein selbst dazu zu benutzten. Ich beschränke mich darauf, ihn zu zeigen, weil ich ihn als ein weiteres schönes Beispiel für den Variationsreichtum der Natur halte. Man hat fast den Eindruck, als wäre hier etwas aus Absicht entstanden.

Ein aufrechter Knoten

Dieses Kunstwerk, das ich fast völlig abgeschnitten von der größeren Öffentlichkeit in einem ostfriesischen Garten entdeckte, ist rein topologisch gesehen ein Knoten, so wie er beispielsweise von Maurits Cornelis Escher in mehreren 2D-Versionen geschaffen wurde. Knüpft man nämlich einen einfachen Knoten in ein normales Band und vereinigt die beiden losen Enden miteinander, so kommt man zu einem solchen Gebilde. Natürlich sieht es dann nicht so gut aus, weil es völlig schlaff und unaufgerichtet daherkommt, aber es zeigt uns im Vergleich zum Kunstwerk auf dem Foto, dass die Grundidee oft ganz einfach und alltäglich ist. Sicherlich war dies dem Künstler bewusst.

Spiraltendenz in der Natur

Wir mußten annehmen: es walte in der Vegetation eine allgemeine Spiraltendenz, wodurch, in Verbindung mit dem vertikalen Streben, aller Bau, jede Bildung der Pflanzen nach dem Gesetz der Metamorphose vollbracht wird.

Die zwei Haupttendenzen also oder, wenn man will, die beiden lebendigen Systeme, wodurch das Pflanzenleben sich wachsend vollendet, sind das Vertikalsystem und das Spiralsystem; keins kann von dem andern abgesondert gedacht werden, weil nur eins durch das andere lebendig wirkt. Aber nötig ist es zur bestimmteren Einsicht, besonders zu einem Vortrag, sie in der Betrachtung zu trennen und zu untersuchen: wie denn eins oder das andere waltet, bald seinen Gegensatz überwältigt, bald von ihm überwältigt wird oder sich mit ihm ins gleiche zu stellen weiß, wodurch uns die Eigenschaften dieses unzertrennlichen Paares desto anschaulicher werden müssen.*.

Nicht immer sind die Spiralen leicht zu erkennen, so auch in diesem Bild.


* Johann Wolfgang von Goethe: Über die Spiraltendenz in der Vegetation. In: Naturwissenschaftliche Schriften. München 1981. S. 135

Auf der Spur einer Schnecke

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 9 (2021), S. 64 – 65

»Lerne Schnecken zu beobachten«

Susan Ariel Rainbow Kennedy (geb. 1954)

Eine Schnecke kann sich auf ihrem Schleimfilm fortbewegen, weil das Sekret je nach Art der Beanspruchung zwischen flüssig und fest wechselt. Dank der viskoelastischen Eigenschaften ihrer mobilen Unterlage vollführen die Tiere spektakuläre Kunststücke.

Schnecken sind zwar langsam unterwegs, dafür überwinden sie so gut wie jede Barriere. Sie erklimmen senkrechte Wände, gleiten über glatte oder scharfkantige Oberflächen und erreichen selbst kopfüber kriechend fast jeden Ort. Dabei hinterlassen sie deutliche Spuren in Form von Schleim (siehe oberes Foto links). Auf ihm bewegen sie sich fort, und er macht ihren Körper so glitschig, dass sie kaum zu greifen sind.

Die Tiere sondern die Unterlage je nach Bedarf entlang ihres über die ganze Bauchseite verlaufenden Fußes ab. So schaffen sie sich auf einzigartige Weise ihren eigenen Straßenbelag. Er macht sie weitgehend unabhängig von den tatsächlichen Untergründen, seien es Zweige, Blätter, Sandböden, Spinnennetze oder Fensterscheiben. Schnecken fixieren das Sekret auf jeglichem natürlichen Material, und selbst künstliche superhydrophobe Oberflächen bremsen sie nur mit Mühe aus. Der dünne Belag mit einer Dicke von gerade einmal einigen zehn Mikrometern überbrückt selbst Abgründe (siehe oberes Foto rechts). Ist die Lücke doch zu groß, verwandeln die Tiere den Schleim in einen Faden, an dem sie sich einfach abseilen (siehe mittleres Foto).

Das alles beweist: Der Schleim ermöglicht nicht nur extrem gutes Gleiten, sondern er ist zugleich reißfest, tragfähig und ähnlich stabil wie ein elastischer Festkörper. Physikalisch gesehen handelt es sich um ein vernetztes Gel, das bis zu 97 Gewichtsprozent aus Wasser und zum Rest aus hochmolekularen Protein-Polysaccharid-Komplexen besteht. Obwohl die Mixtur also hauptsächlich Wasser enthält, sind ihre Eigenschaften ganz und gar nicht typisch für dessen Verhalten. Vordergründig widersprechen sie sich sogar. Mit der Gleitfähigkeit scheint weder die Reißfestigkeit vereinbar zu sein, noch passt sie zu der Notwendigkeit, sich zum Vorankommen immer wieder abstoßen zu müssen. Denn jede Fortbewegung setzt voraus, dass man sich von der Unterlage wegdrückt. Beispielsweise wird es auf einer Eisfläche umso schwieriger, durch normales Laufen voranzukommen, je glatter sie ist.

Als so genannte nichtnewtonsche Flüssigkeit kann der Schneckenschleim die verschiedenen Ansprüche verbinden. Im Ruhezustand ist das Gel fest und klebrig. Wird es jedoch geschert – das heißt, entlang der Grenzschicht wirkt eine waagerechte Kraft –, gibt es bei einer bestimmten Stärke der Scherkraft nach. Dann geht es in den flüssigen, gleitfähigen Zustand über. Das passiert aber nur bis zu einer gewissen Tiefe, denn mit seiner Unterseite muss der Schleim ja fest auf dem zu überkriechenden Objekt fixiert bleiben. Indem sie die physikalischen Gegebenheiten fein kontrolliert, kann die Schnecke die Zähigkeit bedarfsgerecht steuern.

Beim Vorwärtskriechen laufen durch den Fuß regelrechte Wellen. Sie entstehen in Folge von Muskelkontraktionen und -entspannungen, die sich periodisch von hinten nach vorn ausbreiten. Ein ruhender Teil des Fußes ist in seinem Auflagebereich mit dem Gel fest verbunden. Von dort aus schiebt die Muskulatur den übrigen Schneckenkörper ein Stück voran. Durch die während der Kontraktion auf den Schleim ausgeübte Scherkraft wird schließlich die Schwelle überschritten, bei der das Gel nachgibt und zerrinnt. Der Zeitpunkt trifft mit der Entspannung des Muskelelements zusammen. Inzwischen kontrahieren benachbarte Abschnitte, und der zuvor verankerte Teil des Fußes gleitet über das nunmehr verflüssigte Stück. So entsteht ein quasi kontinuierlicher Vortrieb.

 Trotz der vielfältigen Einsatzzwecke des viskoelastischen Fluids bringt es für die Schnecken einige Nachteile. Neben der geringen Geschwindigkeit sind das vor allem der extreme Material- und Energieaufwand. Wegen des enormen Flüssigkeitsbedarfs müssen sich die Tiere vor Austrocknung schützen. Sie bleiben bevorzugt in feuchten und schattigen Gebieten und sind vor allem nachtaktiv. Bei widrigen Bedingungen wie Hitze und stark absorbierenden Untergründen gehen sie manchmal zu einer besonders sparsamen Akrobatik über. Sie legen ihren Schleimteppich nicht durchgehend aus, sondern mit Unterbrechungen und hangeln sich von einem Fleck zum nächsten (siehe unteres Foto). Von Artgenossen hinterlassene Spuren werden ebenfalls gern genutzt – was nicht nur die Fortbewegung beschleunigen dürfte, sondern auch die Partnersuche.

Da das Sekret am Boden verbleibt, muss die Schnecke ständig neues nachproduzieren. Das nutzt sie nicht nur zur Fortbewegung. Es bedeckt den ganzen Körper, hält ihn feucht und wehrt dank chemischer Zusätze Mikroben und sogar Beutegreifer ab. Viele potenzielle Fressfeinde meiden die Klebrigkeit oder den widerlichen Geschmack einiger Arten. Der Heimatdichter Hermann Löns (1866–1914) hat in seiner Erzählung »Ein ekliges Tier« ausdruckstark seine Abscheu beschrieben, nachdem er in einem Selbstversuch Schneckenschleim probiert hat. Dort vermischt er an einer Stelle seine Erfahrung sogar mit den physikalischen Eigenschaften, indem er berichtet, dass »Frachtkutscher, die schlecht geschmiert haben, diese Schnecken statt der Wagenschmiere gebrauchen; denn ich kann mir denken, daß selbst eine Radachse aus Angst vor einer zweiten Auflage sich fürder lautlos benimmt«.

Quelle

Mayuko Iwamoto et al.: The advantage of mucus for adhesive locomotion in gastropods. Journal of Theoretical Biology 353, 2014

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Rätselfoto des Monats September 2021

Warum ordnet sich der lockere Split allein infolge der Benutzung der Straße wellenförmig an?


Erklärung des Rätselfotos des Monats August 2021

Frage: Warum ist die Spiegelung im Schatten besser?

Antwort: Das schräg von links einfallende Sonnenlicht wird im hinteren Teil der Wasseroberfläche sowohl spiegelnd als auch an den braunen Schwebstoffen im Wasser diffus reflektiert bzw. gestreut. Aus unserer Position bzw. der des Fotografen sehen wir aber nur die diffuse Reflexion, durch die das Sonnenlicht in alle Richtungen gestreut wird – also auch in unsere Augen. Und obwohl die Intensität des gespiegelten Lichts auf der Wasseroberfläche wesentlich größer ist, bekommen wir davon nichts mit, weil nach dem Reflexionsgesetz: Einfallswinkel = Reflexionswinkel das Licht nach schräg rechts reflektiert wird. Wenn man dort stünde und auf das Wasser in Richtung Sonne blickte, würde einem das gespiegelte Licht blendend in die Augen fallen.
Der (bezüglich des Sonnenlichts) beschattete Bereich im Vordergrund wird lediglich vom Streulicht des Himmels und anderer Objekte wie etwa der Bäume und der Häuser im Hintergrund beleuchtet. Dabei wird es im Wasser ebenfalls spiegelnd und diffus reflektiert. Diesmal kommt das Licht jedoch aus Richtungen, aus denen es spiegelnd in unsere Augen gelangt. Das auch in diesem Fall an den Streuteilchen im Wasser diffus reflektierte Licht ist jedoch von so geringer Intensität, dass es kaum störend in Erscheinung tritt.
Schaut man sich die Szenerie genauer an, so erkennt man, dass ein Teil des in der Sonne liegenden rechten Brückenbogens hell genug ist, um die diffuse Reflexion des Sonnenlichts wenigstens teilweise zu überstrahlen.

Die ehrwürdige Kommunistin

niemals strauchelt die flechte.
ihre werke mißlingen nicht.
vergesellschaftet hat sie,
höre ich, ihre produktionsmittel,
die ehrwürdige kommunistin
*

Dies ist eine Strophe aus dem Langgedicht von Hans Magnus Enzensberger, der in einer Flechte mehr sieht als einen Pilz. Er rechnet die Flechte zu den intelligentesten Lebewesen auf diesem Planeten.
In einem frühern Beitrag bin ich kurz auf die Biologie der Fleichte eingegangen.


* Aus: Hans Magnus Enzensberger. Blindenschrift. Frankfurt 1980, S. 71f

Fundstück 11 – ein Kant-Stein

Ich habe einiges aufgehoben und zwar im dreifachen Sinn des Wortes. Erstens habe ich es – mich selber zum Boden bückend – in die Hand genommen und zur näheren Betrachtung aufgehoben. Dort blieb es einige Zeit bis es zweitens für Wert erachtet wurde, aufgehoben (im Sinne von aufbewahrt) zu werden. Ich habe nie viel Aufsehens davon gemacht aber faktisch wurde es drittes aufgehoben im Sinne von erhoben zu höherem Dasein (auf dem Bücherbord direkt vor der „Kritik der reinen Vernunft“). Dadurch wurde es verklärt und in etwas verwandelt, was seinen materiellen Wert weit übersteigt. Denn ich fand es ursprünglich im granularen Füllmaterial eines Weges, mit dem eine Wasserpfütze beseitigt wurde. Nun fand ich es erneut, als ich etwas bei Kant nachschlagen wollte. Fortan ist es daher ein Kant-Stein.

Anhängliche Seifenblase

Die Seifenblase hat das grüne Weinblatt in seine Oberfläche integriert. Der kleine Zweig schräg darüber befindet sich außerhalb der Blase.

Seifenblasen bestehen aus einem kugelförmigen Film aus Seifenwasser, der innen mit Luft oder einem anderen Gas gefüllt und außen von Luft umgeben ist. Wenn man Seifenblasen auf die Reise schickt, so kommen sie meist nicht sehr weit, weil sie vorher platzen. Ihre Lebensdauer ist vor allem aus zwei Gründen stark begrenzt. Der Wasserfilm wird zum einen durch Verdunstung von Wasser und zum anderen durch das schwerkraftbedingte Abfließen von Wasser immer dünner. Wenn man genau hinschaut, sieht man unten an der Blase einen entsprechend wachsenden Wassertropfen hängen.
Da die Natur dazu tendiert unter den gegebenen Umständen so viel Energie wie möglich an die Umgebung abzugeben (2. Hauptsatz der Thermodynamik), wird die Oberfläche des Seifenfilms so klein wie möglich. Denn die Oberflächenenergie ist proportional zur Oberfläche. Das erklärt zum einen, warum die Seifenblase Kugelgestalt hat, zum anderen, dass die Luft im Innern des Seifenfilms zusammengepresst wird, bis der dadurch entstehende Innendruck einer Verkleinerung der Blase Einhalt gebietet.
Sobald die Dicke der Seifenhaut ein kritisches Maß unterschreitet, führt der Innendruck zum Platzen der Blase. Die Blase platzt manchmal auch schon vorher, wenn sie beispielsweise mit bestimmten Hindernissen kollidiert und zerrissen wird. Denn sobald ein Loch in der Seifenhaut entsteht, entweicht das Gas aus dem Innern und der Wasserfilm schnurrt zu Wassertropfen zusammen. Jeder kennt den enttäuschenden Versuch von Kindern, Seifenblasen aufzufangen. Sobald die Blase berührt wird, zerplatzt der schöne Traum. Weil die Haut der Hände wasserliebend (hydrophil) ist, sich also benetzen „möchte“ saugt diese bei Berührung gewissermaßen das Wasser aus der Blase.
Ähnliches gilt für viele weitere Gegenstände. Interessanterweise gehören manche Blätter nicht dazu. Im Gegenteil, die Seifenblase integriert manchmal eine Blattoberfläche in ihre eigene mit ein und bleibt an dem Blatt hängen (siehe Foto). Dies ist vor allem dann der Fall, wenn das Blatt feucht ist. Auf diese Weise – bis auf kleine windbedingte Schwankungen immobil geworden – überlebt die Blase in vielen Fällen erstaunlich lange. Man kann die Blase von allen Seiten betrachten und dabei die Spiegelungen von Gegenständen im Zusammenspiel mit den Gegenständen selbst genießen, sowie das farbliche Irisieren der Seifenhaut bewundern.

Rätselfoto des Monats August 2021

Wodurch und warum wird die spiegelnde Reflexion auf Teilen des Wassers verhindert?



Erklärung des Rätselfotos des Monats Juli 2021

Frage: Was hält die Burg zusammen?

Antwort: In trockenem Zustand rinnt Sand durch unsere Finger. Kaum gerät Sand jedoch mit Wasser in Berührung, fließt er nicht mehr und lässt sich in nahezu beliebige feste Gestalt bringen. Wenn sich trockener, also von Luft umgebener Sand mit Wasser verbindet, wird dabei verhältnismäßig viel Grenzflächenenergie an die Umgebung abgegeben. Und da die Natur bestrebt ist, soviel Energie wie unter den gegebenen Bedingungen möglich ist, an die Umgebung abzugeben, werden so viel Sand wie möglich mit Wasser benetzt und dabei so viele Sandkörner wie möglich miteinander verbunden. Wollte man die Körner wieder voneinander trennen und damit die energiereicheren Grenzflächen zwischen Luft und Sand wieder herstellen, müsste man die bei der Benetzung abgegebene Energie wieder zurück in das System stecken. Die dazu nötige Kraft ist Ausdruck der Steifigkeit und Festigkeit des nassen Sands. Durch die z.B. von der Sonne geförderte Verdunstung des Wassers wird der Sand allmählich wieder trocken und die Burg zerfällt.

Der vornehme Schein eines Käfers

Auf diesen grün-blau irisierenden Grünen Scheinbockkäfer (Oedemera nobilis) stieß ich, als ich mir das Innere von Mohnblüten ansehen wollte. In einer Körpergröße von 12 mm und ebenso langen Fühlern strahlte er mir seine Strukturfarben entgegen. Diese Farben werden nicht durch Pigmente hervorgerufen, sondern entstehen durch einen „Eingriff“ der nanometer feinen Strukturen des Panzers und der Deckflügel des Käfers, die aus durchsichtigen Chitinebenen bestehen. Die an den verschiedenen Ebenen reflektierten Lichtwellen überlagern sich im Auge des Betrachters und verstärken oder schwächen bestimmte Wellenlängen (Farben) des weißen Lichts, so dass der im Foto zu sehenden Farbton entsteht. Da sich die Lichtwege je nach der Einfallsrichtung ändern, sieht man aus verschiedenen Blickwinkeln leicht zwischen grün und blau changierende Farbtöne, was als Irisieren empfunden wird. (Ausführlicher wird die Farbentstehung für die Goldfliege beschrieben).
Die Deckflügel des Scheinbockkäfers verjüngen sich nach hinten hin und sehen aus wie die Frackschöße eines altertümlich gekleideten vornehmen Mannes. Dadurch wird die „scheinbare“ Eleganz des Tierchens ebenso unterstrichen wie die metallisch spiegelnden Knickerbocker. In der Welt der Insekten passen Frack und Knickerbocker offenbar zusammen. Der Schein im deutschen Namen des Käfers trifft also im doppelten Wortsinn zu: als farbiger Lichtschein und als das aufwändige Bemühen, durch ein raffiniertes Outfit (vulgo: Körperbau) den Schein zu wahren. Schön ist der Scheinbockkäfer trotzdem und sympatisch ebenfalls. Immerhin ließ er sich ohne Probleme ablichten.

Solitonen am Strand

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 7 (2021), S. 74 – 75

Jede von der Bewegung geschaffene Gestalt
erhält sich mit der Bewegung

Leonardo da Vinci (1452 – 1519)

Im Watt sind bei auflaufendem Wasser vereinzelte, flache Wellen zu beobachten. Sie sind erstaunlich stabil: Ihre Form und Geschwindigkeit bleiben über weite Strecken und sogar bei Zusammenstößen erhalten. Das liegt an einem nichtlinearen Rückkopplungsmechanismus.

Wer sich an die Nordseeküste begibt, um die Flut im Watt zu erleben, sollte sich einfinden, kurz bevor das Wasser aufläuft. Dann erstreckt sich vor den Augen ein bis zum Horizont reichendes Gebiet aus Schlick, weitgehend trocken und nur von einzelnen Pfützen durchsetzt. Plötzlich ändert sich über das gesamte Sichtfeld der Farbton des Watts: das Wasser kommt. Es dauert nicht lange, bis sich ein breiter, nur wenige Zentimeter hoher Wasserfilm in Richtung Ufer schiebt. Sobald dort die letzten Lücken geschlossen sind, steigt der Pegel allmählich, und das größte Spektakel scheint vorbei zu sein.

Die Wellen durchdringen einander, ohne ihre Form und Geschwindigkeit zu verändern.

Doch wieder ändert sich nach einiger Zeit die Situation unversehens, wenn über das inzwischen 10 bis 20 Zentimeter hohe Wasser einzelne Wellen auf das Ufer zulaufen (siehe obere Fotos). Sie sind merkwürdig stabil und durch nichts zu bremsen. Sogar beim Aufprall auf die Böschung gehen sie nicht wie normale Wellen plätschernd verloren, sondern sie werden am Ufer gewissermaßen reflektiert und laufen zurück zum Meer. Dabei behalten sie ihre Gestalt bei. Selbst, wenn sie auf ihrem Rückweg auf weitere einlaufende Fronten stoßen, durchqueren beide einander einfach. Im Bereich der Begegnung summieren sich kurzfristig die individuellen Höhen (siehe Foto »Unbeirrbar«).

Es ist erstaunlich, dass die Wellen über lange Entfernungen hinweg und ohne erkennbaren äußeren Antrieb so stabil bleiben. Aus dem Alltag kennen wir normalerweise ein ganz anderes Verhalten. Wirft man etwa einen Stein in einen See, erzeugt das lokal eine Aufwölbung des Wassers, ein so genanntes Wellenpaket. Es weitet sich über die Oberfläche aus und geht währenddessen in ein wohlgeordnetes System einzelner Ringe über (siehe unteres Foto). Dabei eilen solche mit größerer Wellenlänge, das heißt mit weiter voneinander entfernten Bergen, denen mit kleinerer voraus. Die Geschwindigkeit hängt von der Wellenlänge ab. Darum läuft ein Wellenpaket im Wasser auseinander; die Erscheinung heißt Dispersion. Wegen ihr sollten kompakte Erhebungen eigentlich in einzelne Bestandteile zerlegt werden, und die Hügel dürften nicht so unbeeindruckt und klar abgegrenzt weitermarschieren wie die am Strand beobachteten Einzelgänger.

Nach einem Steinwurf zerfließt die Aufwölbung des Wassers in ein System konzentrischer Wellen.

Bei der Erscheinung im Watt kommt aber neben der Dispersion ein weiterer Mechanismus zum Tragen. Der flache Untergrund bremst die Basis des Wellenpakets. Darum bewegt sich der Kamm vergleichsweise schneller und die Welle wird steiler. Das kennen wir in anderer Form von Wellen, die auf die Meeresküste zulaufen, schließlich vornüber kippen und sich brechend überschlagen. Wenn jedoch der aufsteilende Einfluss nicht zu stark ist, sondern exakt so groß ist wie die zerstreuende Dispersion, bleibt das Wellenpaket in Form und Geschwindigkeit erhalten. Das ist gerade im extrem flachen Watt der Fall. Die nach außen sichtbare Stabilität ist kein statisches Phänomen, vielmehr ein dynamisches: In dem Maß, wie die Wellen eines Pakets infolge der Dispersion auseinanderlaufen sollten, werden sie durch Wechselwirkungen mit dem Boden komprimiert. Damit diese Rückwirkung das Auseinanderlaufen gewissermaßen einholen kann, muss sie stärker als linear agieren, also nichtlinear.

Historisch sind Wissenschaftler auf die Zusammenhänge nicht etwa durch Beobachtungen im Watt gestoßen – vermutlich ist der Vorgang hier zu unscheinbar –, sondern in einem ganz anderen Kontext. 1834 beobachtete der britische Ingenieur John Scott Russell, wie ein Boot mit hoher Geschwindigkeit von Pferden durch einen Kanal gezogen wurde. Als die Tiere und damit das Boot plötzlich anhielten, setzte das vor dem Bug zusammengeschobene Wellenpaket seinen Weg alleine fort. Kilometerweit trieb es mit unveränderter Form und gleichem Tempo den Kanal entlang.

Anschließend untersuchte Russell mit eigenen Experimenten das Phänomen eingehend und stellte weitere Unterschiede zu gewöhnlichen Wellen fest. Beim in den See geworfenen Stein transportieren die Ringwellen entlang ihrer Ausbreitungsrichtung kein Wasser, obwohl es den Anschein haben mag. Vielmehr bleiben die bewegten Flüssigkeitsportionen lokal begrenzt auf kreisförmigen oder elliptischen Bahnen. Nicht so bei den einsamen Wellenpaketen: Sie reißen das sie erfüllende Wasser mit sich. Russell konnte zeigen, dass in einem von dem Paket durchquerten Kanal das hintere Ende um die der Aufwölbung entsprechende Wassermenge höher stand als das vordere. Die Wellenpakete verhalten sich in mancher Hinsicht quasi wie Teilchen. Heute heißen sie daher Solitonen – in Analogie zu den aus der Mikrophysik bekannten Vertretern wie Protonen und Elektronen.

In der Natur sind Solitonen möglicherweise nicht nur in harmloser Gestalt zu beobachten. Einige Wissenschaftler vermuten, die Einzelgänger könnten bei zerstörerischen Tsunamis in Erscheinung treten. Für entsprechend große Wellenpakete würden küstennahe Bereiche des Ozeans wie Flachwasserbecken wirken und unaufhaltsame Wasserberge auftürmen – analog zum Watt, nur in einer ganz anderen Größenordnung. Allerdings wird die Ansicht nicht allgemein geteilt, weil die Dimensionen der mittlerweile dokumentierten Tsunamis nicht zweifelsfrei zur Theorie der Solitonen zu passen scheinen.

Wellenphänomene sind nicht nur auf Wasser beschränkt. Sie treten an vielen weiteren Stellen auf, und im Lauf der Entwicklung der neuzeitlichen Physik wurden Solitonen auch in Bereichen wie der Optik entdeckt. So spielen sie heute bei der Datenübertragung in Glasfaserkabeln eine wichtige Rolle. Die aus mehreren Wellenlängen bestehenden Lichtpulse laufen in Glas normalerweise durch Dispersion auseinander. Darauf passend abgestimmte nichtlineare Effekte können der Verbreiterung der Impulse exakt entgegenwirken und die Signalqualität und -reichweite deutlich verbessern.

Originalpublikation

Impressionen aus der Krummhörn 7 – Wirbel

Nicht jeder Wirbel macht Wirbel. Diese bedrohlich aussehenden Wolkenformation löste sich genauso sang- und klanglos auf wie sie entstanden war. Unsere Eile, ein Dach über den Kopf zu bekommen, war unbegründet. Ein Meteorologe hätte es uns gleich sagen können. Aber da war keiner…

Die Sonne spinnt…

…jedenfalls mischt sie sich ins Spinnennetz ein und scheint die zentralen Stellen des Netzes wegzubrennen. Das ist natürlich eine Täuschung, die auf eine physiologische Überforderung bei der menschlichen Wahrnehmung (Irradiation) und eine technische Überforderung bei der Kamera (Blooming) zurückzuführen ist. Interessanterweise führt das zu parallelen Wirkungen mit der Folge, dass das Foto in etwa dasselbe zeigt, was auch das Auge sieht.
Die Sonne nützt sogar der Spinne, indem sie dazu beiträgt, das Netz von den nächtlichen Tautropfen zu befreien. Dadurch wird das Netz wieder weitgehend unsichtbar (wie man bereits jetzt an einigen scheinbar fehlenden Teilstücken erkennen kann) – eine Voraussetzung dafür, dass die Insekten nicht sofort ein materielles Hindernis erkennen und der Spinne ins Netz gehen.
Auf diesem Foto beeindruckt aber besonders, dass die Spinne auch ohne etwas von physikalischen Zusammenhängen zu verstehen die Elastizität der Schilfblüte für ihre Zwecke ausnutzt. Indem sie ihre Fäden zwischen der gebeugten Blüte und dem übrigen Halm spannt, wird das Netz umgekehrt durch die rückwirkenden Kräfte des über die schwerkraftsbedingte Neigung hinaus gebogenen Halms straff gehalten. Das erspart ihr aufwändige Spannvorrichtungen, wie sie ansonsten oft benötigt werden. Ähnlich clever handelte die Spinne, die ein aufgewölbtes Blatt zum Spannen nutzte.

Eine benetzte Pusteblume am Morgen…

Eine auffallend schöne Pusteblume gewährt Einblick in ihr Inneres, weil sich wie auch immer eine Öffnung im weißen Ball gebildet hat. Abgesehen von der durch die radial angeordneten Samen samt ihrer Gleitschirme gegebenen schönen Struktur zeigt sich diese in einem filigranen Tröpfchengewand. In der kühlen Nacht hat die relative Luftfeuchte die 100%-Marke überschritten, sodass sich der überschüssige Wasserdampf verflüssigte. Das passiert aber nicht einfach so – es müssen kleine Keime vorhanden sein, an denen Wassertropfen ihren Ausgang nehmen. Damit ein Tropfen entsteht, beginnend mit einem fast unendlich kleinen Radius, muss ein fast unendlich großer Druck aufgebracht werden. Wenn aber eine geeignete winzigen Fläche, ein Keim, vorhanden ist, die als Teil des sich bildenden Tropfens fungiert, sind entsprechend geringere Drucke nötig, und die Tropfenbildung schreitet zügig voran. Das ist hier an den zahlreichen kleinen Verästelungen der Schirmchen bis tief ins Innere des luftigen Balls geschehen und führt zu einer interessanten Tröpfchentextur, die den ästhetischen Reiz der benetzten Pusteblume ausmacht. In dem Maße, wie sich die Sonne blicken lässt und die Temperatur, wieder ansteigt, verdampfen die Tröpfchen wieder. Die Schirmchen nehmen ihr gewohntes Aussehen an und sind damit wieder bereit zum Start…

Einige haben diesen Beitrag gestern bereits gestern Nacht gesehen. Ich hatte ihn aus Versehen publiziert, obwohl er noch nicht ganz fertig war. Ich bitte dies zu entschuldigen.

Wasserstrahlen zwischen Oszillation und Zerfall

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 6 (2021), S. 66 – 67

Wohl ist alles in der Natur Wechsel,
aber hinter dem Wechselnden ruht ein Ewiges.

Johann Wolfgang von Goethe (1749–1832)

Flüssigkeiten, die flach aus einem Auslass stürzen, pendeln zwischen zwei Zuständen hin und her. Sie verdrillen sich und gehen schließlich in einzelne Tropfen über.

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Baumunikum mit Ausblick

Dieser Baum hat als Sämling das Glück gehabt, an einer steilen Abbruchkante aufzuwachsen. So konnte er so aufwachsen, wie es wohl durch welche natürlichen oder unnatürlichen Umstände auch immer in seinen ersten Lebensjahren festgelegt wurde: Wenn man die auf dem Foto nicht zu sehenden Verbindungen zwischen den einzelnen Stämmen mitzählt gehen sechs Verzweigungen aus einer Wurzel (einem Samenkorn?) hervor und man sehe und staune erreichen auch das Erwachsenenalter. Da war kein Förster, der auf die spätere Verwendung als Nutzholz achtend, für die frühe Beseitigung dieser Missgeburt sorgte. Entweder hatte er Höhenangst und hat sich deshalb nie an die schätzungsweise 30 bis 40 m steil abfallende Kante herangewagt oder wegen der Unzugänglichkeit von Erntefahrzeugen dem Standort keine weitere Aufmerksamkeit gewidmet. Für den Wald ist es eine Bereicherung. Nicht nur, weil der Baum wachsen kann wie er will, sondern auch weil die in Nutzwäldern oft anzutreffende Uniformität der Pflanzungen durch originelle Abweichungen aufgelockert wird.

Ich habe mich ein Stündchen in die aus den Stämmen fast ergonomisch geformte Liege gelegt und die aus Einsamkeit, Vogelgezwitscher und durch die jungen Blätter gefiltertem grünem Licht zusammengemischte Stimmung auf mich wirken lassen – bis die verwöhnten Glieder auf die mir bekannte immer aufdringlicher werdende Weise einen Abbruch dieser Art Ruhepause erzwangen.

Nachwachsende Puzzles

Wer hat das Puzzlespiel erfunden? Antwort: Die Bäume, vor allem die Platanen. Hier nahmen die Spielzeugmacher ihre Ideen her. Jedenfalls kann ich mir das lebhaft vorstellen. Und wisst ihr, was das Tolle an diesen natürlichen Puzzles ist? Sie sind nachhaltig, weil sie nachwachsen.

Natürliche und naturschöne Wohnhöhlen

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Der Paranusseffekt ohne Paranuss

Es kullert, bullert, rollt und rüttelt,
Wird auf und nieder durchgeschüttelt,
Bis das geplagte Element
Vor Angst in Groß und Klein sich trennt.

frei nach Wilhelm Busch

Der Paranuss-Effekt* geht auf die Erfahrung zurück, dass z.B. in einer Müslimischung die größten Bestandteile, wie Nüsse, Früchte… meist obenauf liegen. In amerikanischen Mischungen sind das meistens die Paranüsse (Brazil nut). Dies ist nicht etwa darauf zurückzuführen, dass man diese Teile zuletzt in die Tüten gefüllt hat. Vielmehr haben sie sich durch die Erschütterungen während der Transportwege dorthin verlagert.
Der Effekt lässt sich leicht selbst nachvollziehen, wenn man ein Marmeladenglas u.Ä. etwa bis zur Hälfte mit vielen kleinen und wenigen großen Teilen (z.B. Plastikkugeln oder auch Nüssen) füllt und durch Auf- und Abbewegung schüttelt. Die großen landen schließlich oben.
Der Effekt kommt dadurch zustande, dass beim Schütteln kurzfristig kleine Hohlräume zwischen den Teilen entstehen. Die kleinen Teile können leicht hineingeraten, die großen Teile sind dafür zu groß, sodass sie bei jedem Auf und Ab ein Stück weiter angehoben werden und schließlich oben landen.
Sind die großen Teilchen jedoch wesentlich schwerer (größere Dichte) als die kleinen so tritt der Effekt nicht auf oder es passiert sogar das Gegenteil (umgekehrter Paranusseffekt). Auch andere Einflüsse wie die unterschiedliche Form, Oberflächenbeschaffenheit u.Ä. können zu anderen Resultaten führen. Genaueres siehe hier.


* A. Rosato, K. J. Strandburg, F. Prinz, R. H. Swendsen: Why the Brazil Nuts Are on Top: Size Segregation of Particulate Matter by Shaking (Phys. Rev. Lett. 58/10, 1038 (1987))


Wolken – Gedanken des Himmels

An die Wolken

Und immer wieder,
wenn ich mich müde gesehen
an der Menschen Gesichtern,
so vielen Spiegeln
unendlicher Torheit,
hob ich das Aug
über die Häuser und Bäume
empor zu euch,
ihr ewigen Gedanken des Himmels
.

Und eure Größe und Freiheit
erlöste mich immer wieder,
und ich dachte mit euch
über Länder und Meere hinweg
und hing mit euch
überm Abgrund der Unendlichkeit
und zerging zuletzt
wie Dunst,
wenn ich ohn Maßen
den Samen der Sterne
fliegen sah
über die Äcker
der unergründlichen Tiefen.

Christian Morgenstern (1871-1914)

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Siehe auch: Die wunderbaren Wolken und Seht Ihr die Wolke dort.

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