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Glanz

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Rätselfoto des Monats April 2022

Wie kommt es zu solchen winderzeugten Strukturen?

Ich hatte mir für diesen Tag vorgenommen, die vom Wind verwehten Weidenkätzchen zusammenzufegen. Als ich morgens ans Werk gehen wollte, fand ich diesen Anblick vor. Der Wind hatte volle Arbeit getan. Recht so, denn er hatte vorher ja auch die Unordnung erzeugt.


Erklärung des Rätselfotos des Monats März 2022

Frage: Geht hier alles mit rechten Dingen zu?

Antwort: Ja. Aber es ist nicht leicht einzusehen, weil hier die reale und die Spiegelwelt einander „überlagern“. Und es ist noch schwieriger, es zu beschreiben.
Die Situation ist die Folgende: Es handelt sich um die Empfangshalle eines Hotels, die mit dunklen spiegelglatten Steinfliesen ausgelegt ist. Diese spiegeln die Umwelt bei schräger Ansicht nahezu perfekt. Bei steiler Aufsicht wie man sie normalerweise erfährt, wenn man sich auf dem Fliesenboden fortbewegt, merkt man kaum etwas von der irritierenden Spiegelung. Denn je kleiner der Reflexionswinkel, desto geringer ist die Intensität des reflektierten im Vergleich zum absorbierten Licht. Bei großem Reflexionswinkel ist der Anteil der reflektierten Lichtintensität oft so groß, dass die sich dadurch auftuende Spiegelwelt in der  Wahrnehmung dominiert.
Um Ordnung in die auf dem Foto dargestellte Situation zu bringen ist es hilfreich, die goldenen Ringe der Säulen zu betrachten. Dort hat die Säule Kontakt mit dem Fliesenboden. „Darunter“ befinden sich die gespiegelten Säulen. Man sollte versuchen, sie zunächst aus der Betrachtung heraus zu halten. Auf diese Weise kann es dann gelingen, die räumliche Tiefe realistisch einzuschätzen und insbesondere zu erkennen, dass sich die rechte Säule wesentlich weiter im Hintergrund der Szenerie befindet als die Person.           

Reflexionen in und über eine gewöhnliche Wasserpfütze

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

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

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

Literatur

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

Dies ist die Einreichversion der Publikation.

PDF: Reflexionen in und über eine gewöhnliche Wasserpfütze.

Nachlese eines herbstlichen Lagerfeuers

Bei einem Lagerfeuer ist durch partiellen Luftabschluss des ansonsten verbrannten Holzes Holzkohle entstanden. Jedenfalls war sie zum Grillen geeignet. Besonders auffällig sind der Glanz und die Erhaltung der ehemaligen Holzstruktur – beides Merkmale für qualitativ hochwertige Holzkohle. Aufmerksam wurde ich allerdings durch die ästhetisch ansprechende und am nächsten Tag in der Sonne glänzende Struktur der Kohle. Wie Holzkohle hergestellt wird und wie sie zusammengesetzt ist, kann man zum Beispiel hier nachlesen. Der Glanz, d.h. die Stellen an denen das Sonnenlicht reflektiert wird, weist auf Bestandteile hin, die ähnlich wie bei glänzendem Metall zahlreich leicht anregbare Elektronen enthalten. Sie sind allerdings nicht wie ein Metall elektrisch leitend.
Das Aussehen erinnert stark an die als Ash bezeichneten Teile, die kürzlich von“Kopf und Gestalt“ präsentiert wurden.

Wandelnde Zerrspiegel

Der auf Hochglanz polierte rote Lack der Karosserie und das gleißende Chrom der Stoßstangen, wirkten wie Zerrspiegel im Irrgarten auf dem Ostermarkt, stauchten mich zu einem feisten Zwerg oder streckten mich spindeldürr. Die Zierleisten auf der Kühlerhaube und an den Seiten – Blitze. Das in der Sonne funkelnde Rund der Radkappen, umrahmt von weißen und schwarzen Ringen der Weißwandreifen – unbekannte Planeten, zu denen Amis und Sowjets sich ein Wettrennen durch Weltall lieferten*.

Klaus Modick (*1951) erinnert sich in seinem Roman „Klack“ anhand einer Fotografie an die hochglänzenden  Autokarosserien der 50er und 60er Jahre. An dem Anblick hat sich heute kaum etwas geändert. Doch heute ist das kaum noch ein bemerkenswertes Phänomen. Ich habe es mehrfach erlebt, dass sich Menschen – darauf aufmerksam gemacht – wunderten, im Glanz nichts anderes als Spiegelungen der Umgebung zu entdecken und in Karosserien so etwas wie Zerrspiegel zu erkennen, die zu den beliebtesten Phänobjekten von Science-Centern gehören.


* Klaus Modick. Klack. Köln 2013

Glänzender Schmutz

Sediment_WasserpfützeDer Schmutz ist glänzend,
wenn die Sonne scheinen mag.

Johann Wolfgang von Goethe

Wenn eine Wasserpfütze durch Verdunstung und Versickern trockenfällt, hat sich auf dem freiwerdenden Boden einiges getan. Die im Wasser suspendierten Schmutzteilchen und Sandkörner haben sich gesetzt und zwar in einer an einen Siebevorgang erinnernden Weise. Zuerst sedimentiern die gröberen und schwereren Teilchen, dann die mittelgroßen und schließlich die kleinen, ganz feinen – in nahezu kontinuierlicher Abfolge. Das hat zur Folge, dass der oberste Belag des Boden aus feinsten Teilchen besteht, die die Oberfläche nahezu wie ein Lack versiegeln. Die Schicht ist so glatt, dass sie auch im bereits wasserfreien Zustand auf Hochglanz poliert erscheint. Erst wenn diese Schicht völlig ausgetrocknet ist, entsteht eine matte und hellere Färbung.
Auf dem Foto haben auf der noch nicht ganz verfestigten Oberfläche einige Käfer und andere Insekten ihre Spuren hinterlassen, die für einen diesbezüglichen Spurensucher einige Informationen über die Tierchen und ihr Verhalten bieten.

Ich reflektiere, also bin ich

Ich_spiegele_also_bin_ichIst es nicht faszinierend, dass die Natur nichts Eiligeres zu tun hat, als sich die in sie eingedrungenen Fremdkörper sofort bis zur Unkenntlichkeit letzterer anzuähneln, auch wenn diese Maßnahme nur solange anhält wie die Sonne scheint. Weiterlesen

Steine: Ein hübscher Stein

Stein„Ein Stein ist in jeder Beziehung etwas Hübsches: Gestalt, Struktur, Glanz, Härte, er hat so viel Eigenschaften, die unsere Sinne beschäftigen und befriedigen und unser Nachdenken anregen. Wir könnten solch einen Gegenstand zu tausend spekulativen oder praktischen Zwecken benutzen. Die Könige der Welt werden wir sein, wenn wir kühn versichern, daß wir in seiner Verwendung und in unserer zweckmäßigen Freude den ureigensten Sinn des Steines selbst finden. Wir werden elender als Sklaven sein, wenn wir den Stein dazu nehmen, um die anderen damit zu treffen“.
Georges Duhamel (1884 – 1966): Der Besitz der Welt. Zürich 1922.

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Steine: Glänzende Ansichten feuchter Steine

Schlichting, H. Joachim. In: Physik in unserer Zeit 36/1, 47 (2005).

Feuchtigkeit auf Steinen führt zu kräftigen, dunklen und glänzenden Farben. Der Wasserfilm wirkt wie eine vorübergehende Lackschicht und verändert dadurch das optische Verhalten der Oberfläche.

PDF: Glänzende Ansichten feuchter Steine

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