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Alltag

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Verblüffende Alltagsphysik – Überraschende Antworten auf 33 allgegenwärtige Rätsel

Schlichting, H. Joachim. Spektrum der Wissenschaft Spezial 1.19 (2019), 82 Seiten

Vertrautes aus physikalischer Sicht

Es schien, als seien die umkränzten Lichtkreuze über Nacht in die Welt gesetzt worden. Nachdem ich diese merkwürdigen Objekte an Häuserwänden und Straßen (siehe S. 30) zum ersten Mal entdeckt hatte, sah ich sie von diesem Tag an überall. Freilich müssen die seltsamen Figuren schon vorher immer wieder auf meine Netzhäute gelangt sein, doch ich hatte sie bis dahin nicht bewusst wahrgenommen. Das ist typisch für viele Phänomene im Alltag und in der Natur. Man muss regelrecht lernen, sie zu sehen – und das gelingt am besten, indem man durch möglichst viele Beispiele dazu angeregt wird. Weiterlesen

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Die Zeit der heiteren Stunden

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Können durch Tun – Freihandversuche zwischen Alltag und Physikunterricht

Weinglas-DoppelabbildungFreihandversuche sind nicht nur kostengünstiger Ersatz für klassische Schulversuche, sondern bieten die Möglichkeit eines eigenständigen, handlungsorientierten Zugangs zur physikalischen Beschaffenheit der Alltagswelt. Schwerpunktmäßig anhand von optischen Phänomenen soll mit Bezug auf Phänobjekte des phaeno gezeigt werden, dass man mit vertrauten Gegenständen zu unvertrauten Einsichten kommen kann, zu denen man durch bloßes Nachdenken wohl kaum gelangt wäre.
Der Schwerpunkt liegt auf optischen Phänomenen.

Vortrag gehalten im Science Center Phaeno in Wolfsburg am 9.10. und am 10.10.2015 um 15:30 Uhr

Für das Können gibt es einen Beweis,
das Tun

Marie von Ebner-Eschenbach

Rechtes Bild: Man blickt durch ein wassergefülltes Weinglas auf ein Wohnhaus und erhält eine aufrecht und eine auf dem Kopf stehende Abbildung.

Naturgesetze in der Kaffeetasse. Physikalische Überraschungen im Alltag

spez_pmt_3_2014_ISchlichting, H. Joachim. Spektrum der Wissenschaft Spezial 3 (2014), 82 Seiten

Ob die Geschehnisse in einer Kaffeetasse, die Tropfen am beschlagenen Fenster oder die Mondphasen: Die vielfältigen Phänomene des Alltags erscheinen uns so vertraut, dass wir den darin wirkenden Gesetzen der Physik keine Beachtung schenken. Wer sie aber doch verstehen will, wie es der Physikdidaktiker H. Joachim Schlichting in diesem Sonderheft tut, gewinnt einen völlig neuen und überraschenden Blick auf die Realität.
(28. August 2014)  Weitere Informationen finden Sie hier. Weiterlesen

Der Cappuccino- Effekt

Clip_139Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 44/6 (2013), S. 54-55

Luftbläschen in einer schwingenden Flüssigkeitssäule verändern die Höhe der entstehenden Töne viel stärker, als man erwarten würde.

Du lebst in einem klingenden Weltall,
wo alles Rhythmus, Klang, Takt und Akkord ist:
… die großen natürlichen Geräusche, der künstliche Lärm …
umgeben dich wie ein zitterndes und verwickeltes Tongewebe,
das du unaufhörlich zu lesen und zu unterscheiden versuchst.
Georges Duhamel (1884 – 1966)

PDF: Der Cappucino-Effekt

Wenn der Pool ins Schwimmen gerät. Physikalische Alltagsphänomene

Schlichting, H. Joachim. Darmstadt: Primus Verlag 2012

„Hans Joachim Schlichting ist etwas selten Schönes gelungen. Alltagsgegebenheiten aus dem Dickicht des gewohnt alltäglichen Blicks herauszuholen, eindrucksvoll aufs Bild zu bannen und dann auch noch mit physikalischen Augen zu sehen oder gar erst zu erkennen ist schon schwierig genug. Solche Phänomene dann auch noch mit einfachen Worten zu beschreiben und zu erklären gelingt derart selten, dass dieses Buch sich deutlich aus der populärwissenschaftlichen Literatur über Phänomene in Physik und Natur heraushebt. Hier trafen das außergewöhnliche Talent eines passionierten Amateurfotografen mit dem in vielen Jahren angesammelten Wissen eines Fachmanns der Physikdidaktik zusammen. Weiterlesen

Spiel, Physik und Spaß – Physik zum Mitdenken und Nachmachen

Ucke, Christian; Schlichting, H. Joachim. In: Weinheim: Wiley-VCH 2011, ISBN-10: 3527409505
ISBN-13: 978-3527409501

Produktbeschreibung: Auf den ersten Blick überrascht die inhaltliche, methodische und phänomenologische Verschiedenheit der Themen in diesem anregenden Mitmach-Buch, denn die Auswahl reicht von Spielzeugen im klassischen Verständnis über Designobjekte bis zu interessanten Gegenständen und Phänomenen des Alltags. Aber auch die Zugänge zu den Themen sind unterschiedlich! Mal stehen exploratorische und experimentelle Aspekte im Vordergrund, mal theoretische Grundlagen. Immer geht es aber um die Freude am Spiel, denn „Spiel, Physik und Spaß“ will zum Nachdenken und Mitmachen anregen. Für jedes Alter findet sich etwas: Einiges spricht schon Kinder im Vorschulalter an, anderes ist für Schüler, Studenten oder Lehrer von Interesse, wieder anderes werden ältere Leser als Spielzeug aus ihrer Jugendzeit erkennen. Weiterlesen

Optische Täuschungen im Alltag

Schlichting, H. Joachim. In: Praxis der Naturwissenschaften -PhiS 61/6 (2012), S. 5 – 14Clip_131.

Optische Täuschungen treten im Alltag der natürlichen und wissenschaftlich-technischen Welt häufiger in Erscheinung als uns normalerweise bewusst ist. Das wird an verschiedenen Beispielen dargestellt und diskutiert. Dabei wird gezeigt, dass Täuschungen nicht nur Defizite unserer Wahrnehmung darstellen, sondern oft eine konstruktive Rolle spielen. Auf jeden Fall sind Täuschungen lustig, faszinierend und fordern die physikalische Intuition heraus. Sie können daher eine Bereicherung für den Physikunterricht sein.

PDF: kann beim Autor angefordert werden (Schlichting@uni-muenster.de)

Flugzeuge mit Farbrändern

Schlichting, H. Joachim. In: Physik in unserer Zeit 43/4 (2012), S. 202

Auf Bildern von Google Earth finden sich manchmal Flugzeuge mit einem Farbsaum. Selbst Wolken zeigen auf Satellitenaufnahmen mitunter dieses Phänomen. Ursache ist die Aufnahmetechnik.

PDF: Flugzeuge mit Farbrändern

Zur physikalischen Dimension des Alltäglichen

Tropfen_am_Fenster_IMG_6525Schlichting, H. Joachim. In: Schule NRW 07/12, S. 338-342

Im Rahmen des Bildungsauftrags allgemeinbildender Schulen soll Physik als Unterrichtsfach Hilfen bereitstellen, um die natürliche und wissenschaftlich-technische Welt zu verstehen. Die Umsetzung dieser Aufgabe verlangt, dass in einem solchen Unterricht Physik auf eben diese Welt bezogen wird und nicht in ihrem fachwissenschaftlichen Gehäuse gefangen bleibt. Die Ausbildungspraxis an
Hoch schule und Schule sieht in vielen Fällen anders aus und trägt vermutlich nicht unwesentlich dazu bei, dass Physik seit Jahrzehnten zu den unbeliebtesten Schulfächern gehört. Auch der Lehrplan in Nordrhein-Westfalen für die Sekundarstufe I fordert, den Alltag der Lernenden
zum Gegenstand des Physikunterrichts zu machen.

PDF: Zur_Physikalischen_Dimension_des_Alltäglichen

Von wegen 3D

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 43/7 (2012), S. 54-55

Ein verdunkeltes Auge genügt, damit unser visuelles System zweidimensionale Bilder als räumlich wahrnimmt. Das macht sich bei bewegten Bildern als 3D-Effekt bemerkbar.

Unsere Sinne hintergehen
fortwährend den Verstand.
Michel de Montaigne (1533 – 1592)

http://www.spektrum.de/alias/schlichting/von-wegen-3-d/1152347

Eine schöne Visualisierung des 3D-Effekts (auch Pulfrich-Effekt genannt) gelingt zum Beispiel durch einen Film eines Kettenkarussells, das durch eine Brille mit einem abgedunkelten Glas betrachtet wird.

 

Hart wie ein Brett

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 43/6 (2012), S. 48-49

Verpackt man körnige Lebensmittel unter Luftabschluss, leisten sie erbitterten Widerstand gegen jegliche Verformung.

Schließlich ist das Einzige, was wir uns dem
unbegrenzten Raum zum Trotz ausdenken können,
die Kunst der Konzentration, der Sammlung,
der Einnahme einer möglichst geringen Oberfläche.
Andrzej Stasiuk (*1960)

http://www.spektrum.de/alias/schlichting/hart-wie-ein-brett/1149969

Schau nicht so genau hin

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 43/5 (2012), S. 50 -51

Grob verpixelte Gesichter sind kaum zu erkennen – es sei denn, man vernichtet noch mehr Information.

Manche Dinge lassen sich nur aus der Ferne gesehen ausfinden,
und auch das Verkleinerungsglas kann auf Entdeckungen leiten.
Das Detail versteckt die großen Züge des Ganzen.
Georg Christoph Lichtenberg (1742 – 1799)

http://www.spektrum.de/alias/schlichting/schau-nicht-so-genau-hin/1149238

Licht im Schatten

Schlichting, H.Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 43/4 (2012), S.44-45

Der Strahlenkranz eines Axicons scheint den Schatten der eigenen Hand ungehindert durchdringen zu können.

Aber vor allem ist er sichtbar,
indem er undurchsichtig ist.
Hans Blumenberg (1920 – 1996)

http://www.spektrum.de/alias/schlichting/licht-im-schatten/1145656

Lange Winter lange Zapfen

Lange WinterSchlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 43/3 (2012), S.52-53

Wie genau bilden sich Eiszapfen? Selbst Forscher können nicht alle Fragen dazu beantworten. Weiterlesen

Farbenfrohe Eisschollen

Eisscholle-im-polarisiertenSchlichting, H. Joachim. In: Physik in unserer Zeit 43/1 (2012), S. 45

In bunten Farben schillernde Eisschollen verdeutlichen, dass Eis doppelbrechend ist. Darüber hinaus zeugt es von der teilweisen Polarisation des Himmelslichts.

PDF: Farbenfrohe Eisschollen

Temperierende Atemluft

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 43/1 (2012), S. 52 – 53

Durch Darüberblasen lassen sich Dinge sowohl erwärmen als auch abkühlen. Wie das?

Was? … du bläsest aus einem Munde warm und kalt?
Geh, mit dir mag ich nichts zu tun haben!
Aesop (um 600 v. Chr.)

http://www.spektrum.de/alias/dachzeile/temperierende-atemluft/1130110

Was das Feuer am Leben hält

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 42/12 (2011), S. 44 – 45

Damit eine Kerzenflamme ruhig brennen kann, müssen zahlreiche komplexe Vorgänge perfekt aufeinander abgestimmt sein.

In der Flamme sind alle Naturkräfte tätig.
Novalis (1772 – 1801)

Die gute alte Kerze hat alle Neuerungen der Beleuchtungstechnik überstanden. Gerade auch in der Adventsund Weihnachtszeit, wenn die Tage kürzer werden, setzt sie Zeichen der Hoffnung, der Freude und des Lebens. Was aber denkt sich der Physiker bei ihrem Anblick? Ihn beeindruckt über all das hinaus der Kontrast zwischen der Einfachheit der ruhig vor sich hin brennenden Flamme und dem, was unsichtbar bleibt: dem komplexen Zusammenspiel physikalischer, chemischer und technologischer Vorgänge, die das Phänomen erst möglich machen.
Die Kerzenflamme, so beständig sie erscheint, ist Ergebnis eines äußerst bewegten Mikrogeschehens: In jedem Moment verlassen Teilchen verglühend den klar umgrenzten Bereich der Flamme und werden durch neu erglühende Teilchen ersetzt. Rein energetisch betrachtet ist die Flamme der sichtbare Teil einer „dissipativen Struktur“ (Ilya Prigogine), eines von Energie und Materie durchströmten Systems fernab vom thermodynamischen Gleichgewicht. Aufrechterhalten wird die Flamme durch die Dissipation von Energie: Sie nimmt hochwertige chemische Energie und Materie in Form von Kerzenwachs und Sauerstoff auf und gibt im Gegenzug Wärme und Gase an die Umgebung ab. Energie- und Materieströme bleiben dabei im zeitlichen Mittel konstant. Warum klappt das so gut? Oder etwas technischer gefragt: Wie kommt es zu dieser eindrucksvollen Selbstorganisation gut aufeinander abgestimmter Vorgänge?
In der Regel wird eine Kerze mit Hilfe einer anderen Flamme entzündet. Das im Docht enthaltene erstarrte Wachs beginnt dabei zu schmelzen und zu verdampfen. Schließlich erreicht es eine so hohe Temperatur, dass es mit dem Sauerstoff der Luft reagiert und verbrennt, wobei Wasserdampf und Kohlenstoffdioxid entstehen. Außerdem wird Energie frei, die als Bewegung, Wärme und Licht der Flamme in Erscheinung tritt. Danach geht alles wie von selbst. Dank der von der Flamme ausgehenden Wärmestrahlung sorgt »das System« eigenständig für Nachschub an Brennstoff. Von der Hitze flüssig gehalten steigt das Wachs durch die Kapillaren des Dochts nach oben. Gleichzeitig schmilzt die Flamme einen schüsselförmigen Brennstofftank in das obere Ende der festen Kerzensubstanz und füllt ihn mit Vorrat. Auch der Tank erneuert sich ständig, wenngleich man ihm das nicht ansieht: Das feste Wachs, aus dem seine Wand besteht, schmilzt in genau dem Maß, in dem der Docht flüssiges Wachs ins Reaktionszentrum der Flamme transportiert. Erst dort, am oberen Ende des Dochts, verdampft und verbrennt das Wachs schließlich. Denn das flüssige Wachs im Docht liefert die zur Verdampfung nötige Wärme, wodurch seine eigene Temperatur unterhalb des Siedepunkts gehalten wird.

Der Docht neigt sich zur größten Hitze
Probleme gäbe es erst, wenn der Docht zu lang würde. Dann wäre das Gleichgewicht zwischen Brennstoff- und Sauerstoffzufuhr gestört, und die Kerze begänne zu rußen. Doch auch in dieser Hinsicht organisiert sich die Flamme selbst. Weil die brennende Kerze kürzer wird und der heiße Saum der Flamme sich mit ihr nach unten bewegt, schiebt sich der Docht kontinuierlich in die Hitzeregion hinein. Dort verkohlt und verdampft seine Spitze, was seine Länge konstant hält. Zudem kippt der biegsame Docht, je länger er wird, zur Seite weg und damit genau in den bestens mit Sauerstoff versorgten Bereich der Flammenoberfläche. Hier ist die Flamme rund 1400 Grad Celsius heiß, und hier beginnt der Docht auch zu glühen.Kerze_Funktion
Selbst die elegante, stromlinienförmig nach oben gezogene Gestalt der Flamme ist keine bloße Laune der Natur. In ihr wird ein Konvektionsvorgang sichtbar, der für die Funktion des Systems wesentlich ist. Die Temperatur der heißen Flamme sorgt für eine im Vergleich zur Umgebungsluft geringe Dichte der Verbrennungsgase. Der entstehende Auftrieb lässt diese zügig aufsteigen, was Platz schafft für die von unten nachströmende sauerstoffreiche Frischluft. Dieser Vorgang ist für den Fortgang der Verbrennung ebenso wichtig wie der Wachsdampf selbst. Die heißen Gase steigen in einem schmalen Schlauch auf. Das spürt man schon mit bloßen Fingern, es geht aber auch gefahrloser. Stellt man die brennende Kerze ins helle Sonnenlicht, bildet dieses den Schlauch an der dahinterliegenden Wand ab (oben). Denn beim Übergang zwischen kalter Umgebungsluft und heißen Verbrennungsgasen ändert sich schlagartig der Brechungsindex. Ein Teil des Lichts, welches durch das Innere des Schlauchs fällt, wird nach außen abgelenkt und überlagert sich mit dem nicht abgelenkten Licht zu einem schmalen, hellen Band.
Da die Konvektion in der Schwerelosigkeit nicht funktioniert, kämen Raumfahrer nie in den Genuss einer normalen Kerzenflamme. Was aber sähen sie stattdessen? Fixieren Sie einfach eine brennende Kerze in einem durchsichtigen Gefäß und werfen Sie dieses einem (guten) Fänger zu. Während des Flugs sehen Sie, wie die Flamme zu einer winzigen, blau leuchtenden Lichtkugel zusammenschrumpft. Weil unter diesen Bedingungen die Konvektion wegfällt, wird die Flamme nämlich nur über die vergleichsweise langsam ablaufende Diffusion mit Sauerstoff versorgt.
Die Hartnäckigkeit, mit der eine Kerzenflamme allen Störungen zum Trotz stets wieder dieselbe Größe einnimmt, beruht auf nichtlinearen Rückkopplungsvorgängen. Wächst die Flamme, muss ein entsprechend größeres Volumen mit Sauerstoff und Wachs versorgt werden. Da das Volumen mit der dritten Potenz der Flammengröße zunimmt, gilt dies auch für das Volumen der zu- und abgeführten Gase. Der Nachschub an Gasen erfolgt aber zwangsläufig durch die äußere Grenzschicht der Flamme, die ihrerseits nur mit dem Quadrat der Flammengröße variiert. Berücksichtigen wir nun noch, dass die Geschwindigkeit, mit der die Gase nachströmen, nicht beliebig groß werden kann, ist dem Flammenwachstum zwangsläufig eine Grenze gesetzt. Dies gilt auch umgekehrt. Verkleinert eine vorübergehende Störung die Flamme, sind auf einmal mehr Verbrennungsgase vorhanden, als benötigt werden. So kann das Gebilde wieder wachsen, bis erneut ein stationäres Gleichgewicht erreicht ist.
Doch warum leuchtet die Flamme überhaupt? Bei der Reaktion von Wachsdampf und Sauerstoff wird auf kleinstem Raum so viel Energie frei, dass die meisten Gasatome in Elektronen und Atomrümpfe – kurz: in ein Plasma – zerlegt werden. Die Natur strebt aber nach Zuständen minimaler Energie. Die Teilchen versuchen also, wieder Gasatome zu bilden, und entledigen sich ihrer überschüssigen Energie durch Aussenden von Lichtteilchen.
Weit wichtiger für die Kerze als Lichtquelle ist aber ein anderer Effekt. Im Inneren der Flamme klappt es mit dem Sauerstoffnachschub nicht mehr so gut. Wie die Farben zeigen (Foto linke Seite), nimmt die Temperatur darum allmählich ab, bis sie in unmittelbarer Dochtnähe noch lediglich 600 bis 800 Grad Celsius beträgt. Das verdampfende Wachs verbrennt dort nur unvollständig. Der nicht verbrannte Kohlenstoff lagert sich zu Rußteilchen zusammen, die mit den Abgasen nach oben steigen und in dem weiß erscheinenden Bereich der Flamme bei etwa 1200 Grad Celsius zu glühen beginnen. Vor allem diesem Glühen ist es zu verdanken, dass die Kerze so hell leuchtet! Eine chemische Unvollkommenheit – schlechte Verbrennung – trägt also wesentlich zu ihrer technologischen Vollkommenheit bei. Es sind übrigens auch genau diese Rußteilchen, die Licht absorbieren und daher der Flamme selbst zu einem Schatten verhelfen.
Ist Ihnen aufgefallen, dass die Stoffwechselvorgänge der Kerze denen von Pflanzen und Tieren überraschend ähneln? In beiden Fällen sind es die Aufnahme von Sauerstoff und Nährstoffen sowie die Abgabe von Wasser, Kohlenstoffdioxid und anderen Substanzen, welche für den Fortbestand der Systeme sorgen. Das haben schon die Dichter erkannt: »Der Baum ist nichts anderes als eine blühende Flamme«, formulierte etwa Novalis. Manchem diente die Metapher sogar als Bild für das Leben schlechthin: »Das, was sich in der Schöpfung Leben nennt«, schrieb Johann Gottfried Herder, »ist in allen Formen und allen Wesen ein und derselbe Geist, eine einzige Flamme.«

http://www.spektrum.de/alias/schlichting/was-das-feuer-am-leben-haelt/1124690

Antibubbles – Experimentelle Zugänge

Suhr, Wilfried; Schlichting, H. Joachim. In: PhyDid B – Didaktik der Physik – Beiträge zur DPG-Frühjahrstagung 2011 (ISSN 2191-379 X)

So als hätte man bei einer gewöhnlichen Seifenblase die Materialien Luft und Wasser vertauscht, bestehen Antibubbles aus einer Wasserkugel, die durch eine dünne Luftschicht vom umgebenden Wasser getrennt ist. Diese fragilen, schillernden ”Perlen”, die jeder mit etwas Übung herstellen kann, werfen eine Reihe physikalischer Fragen auf, von denen sich einige mit schulischen Mitteln beantworten lassen. Weil die Totalreflexion den Einblick in das Innere der Antibubbles einschränkt, bleibt ihre genaue Beschaffenheit im Verborgenen. Dennoch verschaffen mechanische und optische Methoden gewissermaßen einen Blick durchs Schlüsselloch, der Aufschlüsse über ihren Aufbau und ihre Dynamik liefert.

PDF: Antibubbles

Spiegelwelt mit Fehlern

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 42/9 (2011), S.40-41

Manche vermeintlichen Rätsel lassen sich erst lösen, wenn wir stillschweigend Vorausgesetztes auf den Prüfstand stellen.

»Eine komische Stadt, senkrecht zu ihrer Spiegelung. Es gibt Stunden, in denen das Wasser sich beruhigt und plötzlich der Schein sich bildet. Das harte, trockene Venedig steigt aus einer platten Spiegelung, eine auf einen Spiegel gestellte Stadt …
Die Architektur ist nicht wahnsinnig, sie hat alle Sinne beisammen, ihre Vernunft ist die Schwerkraft, ihre Einsicht die G erade, die man zieht, die G erade, der kürzeste Weg von einem Punkt zum andern. Ihre L eichtheit ist die besiegte Schwerkraft. Die Mauer steht, weil sie vernünftig ist. B eschränktes, beschränktes Denken, Reize geometrischer Denkweise.«
Jean-Paul Sartre (1905 – 1980)

http://www.spektrum.de/alias/schlichting/spiegelwelt-mit-fehlern/1116468

Spaziergang am Meer

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 42/8 (2011), S. 54-55

Fußspur_StrandrvWeil sich Wasser gern um Sandkörner legt, läuft man am Strand zuweilen wie auf einem befestigten Weg.

Ich meine nicht den Wüstensand,
Den Tummelplatz des wilden Hirschen;
Die Körner mein’ ich, die am Strand
Des Meeres unter mir erknirschen.
Ferdinand Freiligrath (1810 – 1876) Weiterlesen

Der schwingende Weihrauchkessel

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 42/7 (2011), S. 58-59

Wird ein pendelnder Körper periodisch angehoben und abgesenkt, gewinnt er Energie. Warum?

http://www.spektrum.de/alias/schlichting/der-schwingende-weihrauchkessel/1072103

Wenn Shampoo Sprünge macht

Kaye_IMG_2489Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 42/6 (2011), S. 48-49

Sobald bestimmte zähe Substanzen Scherkräften unterliegen beginnen sie plötzlich, sich zu verflüssigen.

… etwas, das trotz aller Flüssigkeit
in der Substanz eine Solidität in
der Form erreicht.
Italo Calvino (1923 – 1985)

Shampoo ist zum Haare waschen da – denkt man zumindest. Doch kaum betrachtet man die Substanz mit ein wenig Neugier, beschert sie uns ein eindrucksvolles Phänomen, das sogar schon die physikalische Forschung auf den Plan gerufen hat.
Ich selbst stieß zufällig darauf. Eines Tages drückte ich wieder einmal die zähflüssige Masse aus der Shampooflasche und ließ sie in einem dünnen Flüssigkeitsfaden auf meinen Handteller fließen. Plötzlich schoss der Strahl in weitem Bogen von der Hand weg, obwohl es schien, dass er sich bereits mit dem entstandenen kleinen Flüssigkeitshaufen vereinigt hatte (Foto oben).
Zuvor hatte ich Shampoo für eine träge und zähe Substanz gehalten – ein solch agiles Verhalten hätte ich ihr nie zugetraut. Und doch lässt sich das Phänomen mit vielen Shampoos und flüssigen Seifen reproduzieren. Sorgen wir zuerst dafür, dass wir es in Ruhe beobachten können. Wir nehmen eine große Schale mit ebenem Boden und fixieren den Shampoospender etwa 20 Zentimeter darüber. Zu Beginn lässt das Haarwaschmittel ähnlich wie andere zähe Flüssigkeiten, Honig etwa oder Sirup, einen kleinen Flüssigkeits-„Berg“ entstehen.
Trifft der Strahl nicht genau die Spitze des Bergs, sondern seine Flanken, kommt es vor, dass der Shampoostrahl einen mehr oder weniger großen Sprung zur Seite macht und sich dabei sogar zu enormen Höhen aufzusteilen vermag. Offenbar bildet sich durch die Wucht des auftreffenden Strahls zunächst eine kleine Mulde in der vergleichsweise „festen“ Substanz des ruhenden Shampoos. Mit dem fallenden Shampoo geht indessen Seltsames vor sich: Es lässt sich von den Muldenwänden umlenken und schießt als Flüssigkeitsjet scheinbar mühelos wieder in die Höhe. Dieser weist umso steiler nach oben, je tiefer die Mulde ist. Das Ergebnis erinnert an die unerwarteten Wasserfontänen beim Geschirrspülen, wenn ein fester Strahl aus dem Wasserhahn zufällig auf einen flachen Löffel oder auch in eine tiefe Kelle trifft.
Das Phänomen des Shampoojets ist indessen nur von kurzer Dauer. Denn der viskose Haufen und damit die Rampe, von welcher der Jet abhebt, laufen binnen weniger Sekunden auseinander. Doch kaum ist der Jet unterbrochen, lässt das von oben nachfließende Shampoo einen neuen Haufen anwachsen, der wiederum als Abschussrampe fungieren kann und so weiter.
Ein genauer Blick zeigt, dass der Shampoostrahl beim Gang durch die Mulde dicker wird (Abbildung Mitte). Weil er keine Substanz verloren hat, kann das nur bedeuten, dass er an GeschwKaye_effektrvindigkeit eingebüßt hat: Offenbar gibt er einen Teil seiner Bewegungsenergie als Reibungsenergie an die Muldenwand ab. Diese so genannte Energiedissipation ist auch der Grund dafür, dass Jets erst ab einer minimalen Fallhöhe auftreten. Ist die Höhe indessen geringer, wird die Bewegungsenergie vollständig dissipiert – für den Jet bleibt dann nichts übrig.
Aus diesem Sachverhalt könnte man umgekehrt schließen, dass die Shampoojets umso höher werden, aus je größerer Höhe die Flüssigkeit fällt. Doch stimmt das? Weil mit der Fallhöhe die Bewegungsenergie des Strahls zunimmt, vertieft er die Mulde entsprechend. Damit wächst aber auch die dissipierte Energie, denn schließlich verlängert sich die Strecke, entlang welcher der Strahl in Kontakt mit der Muldenwand tritt.
Die Dissipation nimmt dabei offensichtlich schneller zu als die Bewegungsenergie. Schließlich gehört es zu den Grundprinzipien unserer physikalischen Welt, dass bremsende Kräfte immer mit höherer Potenz als beschleunigende Kräfte wachsen – sonst würden die Dinge stets weiter beschleunigt und kämen nie zur Ruhe. Aus diesem Grund kann auch der Jet eine (von den jeweiligen Umständen abhängige) maximale Höhe nicht überschreiten.
Über kurz oder lang, so zeigen die Beobachtungen ebenfalls, kommt der immer steiler aus der Mulde herausschießende Jet dem fallenden Flüssigkeitsstrahl ins Gehege. Das kann man aber verhindern. Neigt man die flache Unterlage und damit die Oberfläche des – wegen seiner großen Viskosität nur langsam hinabrutschenden – Shampoos ein wenig, verkleinert sich der Abschusswinkel gegenüber der Horizontalen. Weil der Jet nun mehr zur Seite als in die Höhe schießt und auch flacher wieder auf der Flüssigkeit auftrifft, entsteht eine entsprechend flachere Mulde, so dass die Energie zu einem weiteren Start ausreicht. Im günstigsten Fall entstehen sogar ganze Kaskaden von Jetbögen schnell abnehmender Höhe.
Beim Auftreffen auf einem ebenen Boden bestimmt der Zufall die Flugrichtung der Jets. Bei geneigter Schale ist die Symmetrie jedoch gebrochen. Die entstehende Mulde ist nun asymmetrisch und besitzt auf ihrer „talwärts“ gerichteten Seite geringere Höhe. Auf dieser Seite ist daher auch die Kontaktstrecke zwischen Flüssigkeitsstrahl und Wand minimal und damit die dissipierte Energie. Genau dies strebt die Natur an: die Rate zu minimieren, mit der Energie dissipiert wird. Und genau darum bewegen sich die Jets nun vorzugsweise talwärts.
Diese wie ein schönes Spiel erscheinenden Vorgänge sind auch Gegenstand ernsthafter physikalischer Forschung. Der britische Physiker Arthur Kaye war 1963 der erste, der das nun nach ihm als Kayeeffekt benannte Phänomen beschrieb. 2006 klärte dann ein Team um Michel Versluis von der niederländischen University of Twente die physikalischen Zusammenhänge genau auf.
Ursache des Kayeeffekts ist eine merkwürdige Eigenschaft des Shampoos: Anders als im Fall Newtonscher Flüssigkeiten, welche konstante Viskosität besitzen, ändert sich die Viskosität nicht-Newtonscher Flüssigkeiten, sobald sie geschert werden, also eine seitliche Kraftwirkung erfahren. Im Fall des Shampoos wird die Viskosität durch die Scherung verringert. Die Flanken des Flüssigkeitsbergs verflüssigen den senkrecht fallenden Shampoostrahl also gewissermaßen, indem sie ihn seitlich beschleunigen. Der Haufen und damit die Muldenwandung behalten hingegen ihre „Härte“, sprich Viskosität und können den flüssigen Strahl darum wirkungsvoll ablenken.
Dieses scherverdünnende Verhalten wird vielen Flüssigkeiten des Alltags wie auch der wissenschaftlich-technischen Welt bei ihrer synthetischen Herstellung in die Wiege gelegt. Die Flüssigkeiten sollen hohe Viskosität besitzen, solange man sie in Ruhe lässt, aber bei Scherung niedrige Viskosität annehmen. So soll Shampoo nicht von der Hand laufen, bevor man es in die Haare transportiert hat – sich aber dort leicht verteilen lassen. Farben sollen zunächst auf dem Pinsel haften –   sich dann aber leicht auf der Wand verstreichen lassen (und trotzdem nicht gleich wieder herunterlaufen). Ähnliches gilt für Zahnpasta: Auf der Bürste soll sie fest sein, auf den Zähnen dann eher sirupartig (siehe Foto unten).
Kaye_effekt_schiefrvNatürlich kann man all dies schlicht mit Blick auf die Nützlichkeit des Phänomens betrachten. Oder aber man sieht es in einem umfassenderen Kontext wie der Strömungsforscher Theodor Schwenk (1910 – 1986), der „das Flüssige“ erlebt „als das Universelle, das noch nicht festgelegte Element, das aber fähig ist, sich von außen bestimmen zu lassen, als das Unbestimmte, aber Bestimmbare, als das ’sensible Chaos'“.

Literatur
Kaye, A.: A bouncing liquid stream. Nature, Bd. 197, S. 1001 – 1002, 1963.
Versluis, M. et al.: Leaping shampoo and the stable Kaye effect. Journal of Statistical Mechanics, S. 07007, 20. Juli 2006.
Videos: (1) https://www.youtube.com/watch?v=eKryTuRNdqA
(2) https://www.youtube.com/watch?v=Ifnx3XaySwk

http://www.spektrum.de/alias/schlichting/wenn-shampoo-spruenge-macht/1069970

Verwirrende Beugung

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 42/5 (2011), S. 54-55

Dank altbekannter Interferenzeffekte lassen sich mit einer simplen CD rätselhafte Lichtmuster erzeugen.

Den schönsten Farbenschmuck erzielt die Natur durch Interferenzfarben…;
man denke an die Flügel der Schmetterlinge, das Gefieder derKolibris, an Opal oder Perlmutter.
Welche Aussichten würden sich der Malerei eröffnen, wenn es gelänge, eine handliche InterferenzfarbenTechnik auszubilden!
Arnold Sommerfeld (1868 – 1951)

http://www.spektrum.de/alias/schlichting/verwirrende-beugung/1067487

Spurenlesen in der Regentonne

Regentonne-TropfenrvSchlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 42/4 (2011), S. 60-61

Der Aufprall von Wassertropfen auf eine Wasseroberfläche ist folgenreich. Doch das zeigt erst eine Fotografie.

»Eine Bewegung (in Einzelvorgänge) auflösen heißt nicht sie erklären, sondern ihren Sinn zerstören, indem man ihren Rhythmus fälscht. Es gibt eine Verlangsamung, in der der Sinn der Bewegung völlig verloren geht, besonders für den Ungeduldigen.«
Arthur Schnitzler (1862 – 1931)

http://www.spektrum.de/alias/schlichting/spurenlesen-in-der-regentonne/1064594

Virtuelle Welten unter dem Fußboden

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 42/2 (2011), S.53-54

Das Phänomen der spiegelnden Reflexion ist uns weniger vertraut, als wir denken. Gelegentlich tritt es sogar mit Schattenbildern in Konkurrenz

http://www.spektrum.de/alias/schlichting/virtuelle-welten-unter-dem-fussboden/1057466

Schneemuster auf Pflastersteinen

Schlichting, H. Joachim. In: Physik in unserer Zeit 42/1 (2011), S. 47

Fällt Schnee auf ein Steinpflaster, so zeichnet er die Fugen und Steine nach. Doch während er in einem Fall auf den Steinen schmilzt, bleibt er im anderen Fall auf ihnen liegen. Welcher physikalische Mechanismus sorgt für dieses unterschiedliche Verhalten?

Tunken für Fortgeschrittene

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 41/12 (2010), S.32-33

Sind beim Tunken von Keksen physikalische Vorgebildete gegenüber reinen Empirikern im Vorteil?

Abbé Montret tauchte zwei Kekse auf einmal in sein Glas und schnappte sie gierig auf, bevor sie sich in der Flüssigkeit auflösten und im Glas verschwinden konnten.
Pascal Quignard (*1948)

http://www.spektrum.de/alias/schlichting/tunken-fuer-fortgeschrittene/1050043

Hinter Gittern

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 41/11 (2010), S. 42-43

Ein benetztes Sieb trübt kurz den Durchblick – wer sich beeilt, kann trotzdem allerhand entdecken.

Die alte biologische Verwandtschaft
zwischen dem Erkenntnistrieb und dem Spieltrieb …
Hans Blumenberg (1920 – 1996)
Doch jetzt höre, wie leicht und wie rasch sich die Bilder entwickeln
Und wie beständig ihr Strom von den Dingen her fließt und sich ablöst …
Durs Grünbein (* 1962)

http://www.spektrum.de/alias/schlichting/hinter-gittern/1044863

Freihandexperimente zwischen Schulexperimenten und Alltagsphänomenen.

Schlichting, H. Joachim. In: Köster, Hilde; Hellmich, Frank; Nordmeier, Volkhard (Hrsg.): Handbuch Experimentieren. Hohengehren: Schneider Verlag 2010; S, 131 – 153

Freihandversuche ermöglichen einen spielerischen und explorativen Zugang zu Gegenständen und Phänomenen. Auf der motorisch-affektiven Ebene können auf diese Weise die physischen Eigenheiten des Materiellen insbesondere seine Widerständigkeit erfahren werden, was als eine wesentliche Voraussetzung für die Entwicklung experimentellen Geschicks und eines Gefühls für das Machbare anzusehen ist.

Hoch hinaus

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 41/10 (2010), S. 30-31

Vögeln, die auf Hochspannungsleitungen rasten, sollte eigentlich
nichts geschehen. Doch das ist nur die halbe Wahrheit.

http://www.spektrum.de/alias/schlichting/hoch-hinaus/1044193

Die Energie der platzenden Kirsche

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 41/7 (2010), S.32 – 33

Was einer reifen Frucht den Kragen platzen lässt, könnte bald zu unserer Energieversorgung beitragen.

Kirschen haben es nicht leicht. Selbst wenn die Blüten des Kirschbaums nicht erfroren sind und bestäubt wurden, kann ihnen noch in der Endphase langanhaltender Regen zu schaffen machen. Wenn die Wassertropfen zu lange an der Haut der Kirschen anhaften, platzt ihnen schließlich „der Kragen“ (siehe oberes Foto). Die so entstehenden Einschnitte ins Fruchtfleisch sind ein Einfallstor für Schädlinge, insbesondere Pilze, die in den meisten Fällen dafür sorgen, dass die Kirsche ungenießbar wird. Weiterlesen

Nur kurz ist der Blick in die Ferne

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 41/6 (2010), S.33

Der Horizont ist dort, wo sich die von einem Schiff hinterlassene Bläschenspur im Unendlichen verliert? Von wegen.

http://www.spektrum.de/alias/schlichting/nur-kurz-ist-der-blick-in-die-ferne/1030797

Sphärische Irrwege

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 41/5 (2010), S.35

Zu Kreisen mutierende Linien, sich bewegende Muster und aufscheinende Farben ein Parfümflakon
stellt die Gesetze der geometrischen Optik zur Schau.

http://www.spektrum.de/alias/schlichting/sphaerische-irrwege/1026696

Optische Marginalien – Phänomene im Trinkglas

Schlichting, H. Joachim. In: Erb, Roger; Grebe-Ellis, Johannes (Hg.): Alles, was der Mensch ernstlich unternimmt, ist ein Unendliches. Physikalische Miniaturen. Berlin: Logos Verlag 2011, S. 157- 166

Auch wenn Georg Christoph Lichtenberg zu bedenken gibt, »wie oft ein Glas Wein ein System erzeugt« und damit auf die kreativen Möglichkeiten anspielt, die vom Genuss gewisser Getränke ausgehen können, interessierten uns hier die eher nüchternen Möglichkeiten eines physikalischen Blicks ins Glas. Es sollte deutlich werden, dass oft gerade die Randphänomene, die man meist als
»Dreckeffekte« übersieht oder beiseite lässt, zu interessanten physikalischen Untersuchungen und Einsichten führen und Physik und Alltag in eine kreative Verbindung bringen können.

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