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Kaustik

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Rätselfoto des Monats August 2017

hoehenlinien_im_sand__4_17_rWie könnte dieses Muster in einer Dünenlandschaft entstanden sein?

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Rätselfoto des Monats Juli 2017

Frage: Wo und wie entstehen diese farbigen Netzwerke?

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Erklärung des Ratselfotos des Monats Juni 2017

Frage: Wie kommt es zu dem Berghang im Pool?

Antwort: Der Anblick des Swimmingpools erscheint auf des ersten Blick so, als habe man es hier mit einer ungewöhnlichen Topologie des Bodens zu tun. Der Boden des Pools sieht am Rande relativ flach aus und scheint zum Vordergrund hin in die Tiefe zu stürzen. Man ahnt vielleicht, dass es sich hier nicht um reale Deformationen handelt – welchen Sinn sollten sie auch haben? – sondern um eine optische Täuschung.
Trotz der Auffälligkeit des Phänomens wird es kaum als solches wahrgenommen. Dafür gibt es gute Gründe: Neben der typischen Blindheit für das Spektakuläre im Alltäglichen, wird man einen Swimmingpool normalerweise nicht durch eingehende Betrachtung, sondern durch Schwimmen oder Planschen in Beschlag nehmen wollen. Hinzu kommt, dass die damit einhergehende Zerstörung der glatten Wasseroberfläche die Sichtbarkeit des Phänomens stark einschränkt.
Daher ist es auch hier wie so oft bei ungewöhnlichen Ansichten des Alltäglichen, dass es sich erst aus einer nicht alltäglichen Perspektive erschließt: Entweder man geht ins Wasser und blickt (ruhig schwimmend oder stehend) flach über die Wasseroberfläche ins Wasser oder – wenn man nicht nass werden möchte – kann man den Blick auch flach auf dem Bauch liegend vom Rand des Beckens her tun. Der Aufwand lohnt sich allemal. Zwar sind für jemanden der weiß, was er sehen will, die Deformationen auch aus einem normalen Blickwinkel andeutungsweise erkennbar. Ungewöhnlich wird der Anblick aber erst aus der ungewöhnlichen Perspektive.
Wie kommt es zu diesen optischen Deformationen?
Blickt man in ein Gefäß mit Wasser so stellt man manchmal – erstaunt oder nicht – fest, dass der Boden angehoben erscheint. Das Licht vom Boden des Gefäßes wird beim Übergang vom optisch dichteren ins optisch dünnere Medium vom Einfallslot weg gebrochen, so dass der Beobachter den Boden höher sieht, als er in „Wirklichkeit“ ist. Bei einer Tasse, in die man eine Münze legt, kann man dieses Phänomen eindrucksvoll demonstrieren (mittleres Foto). Blickt man so in die Tasse, dass man die Münze gerade nicht sieht und behält diesen Blickwinkel bei, so gerät sie plötzlich in den Blick, wenn die Tasse mit Wasser gefüllt wird. Der Boden wird samt der Münze optisch angehoben.
Die optische Hebung kennt man. Was man jedoch kaum kennt, ist die Tatsache, dass der optisch gehobene Gegenstand im allgemeinen nicht senkrecht über dem realen Gegenstand zu sehen ist, sondern je nach Blickrichtung auch mehr oder weniger stark horizontal verschoben erscheint. Wie der Blick ins Schwimmbecken zeigt, variieren diese Verschiebungen mit dem Blickwinkel.
Bei der Tasse ist man auf einen sehr kleinen Sehwinkel aus einer ganz bestimmten Höhe beschränkt. Bei größeren Wasserkörpern wie etwa einem Swimmingpool überblickt man gleichzeitig Gebiete aus stark unterschiedlichen Blickwinkeln insbesondere dann, wenn man sich der Wasseroberfläche stark annähert. Die Variation des Blickwinkels geht mit einer kontinuierlichen Variation der Stärke der Hebung einher und bringt die Deformationen hervor, die im obigen Foto zu sehen sind.
Die Deformationen sind außerdem deshalb so gut zu erkennen, weil Boden und Wände des Beckens mit Fließen belegt sind, die wie „Millimeterpapier“ selbst kleine Verzerrungen zu erkennen geben.
Solche brechungsbedingten Deformationen treten natürlich auch bei anderen Gewässern oder Teichen auf. Weil bei ihnen jedoch meist das rechteckige Bezugssystem fehlt, wird man brechungsbedingte Abweichungen von der unbekannten und unverzerrten „wahren“ Topologie des Bodens kaum feststellen können.

Eine kleine Lichtexplosion zum 2. Advent

LichtexplosionEs müssen nicht immer Kerzenflammen sein. Licht, das durch strukturierte Medien geht, kann Phänomene auslösen, die nicht minder eindrucksvoll  sind. Im vorliegenden Fall wird eine Lichtquelle durch ein unförmiges Glasgefäß hindurch betrachtet, das früher einmal sein Dasein als Aschenbecher fristete. Es war kurz davor, im  Glascontainer zu enden. Zum Glück sah ich es mir noch mal bei Licht an und wurde unversehens versöhnt durch die wunderschönen, filigranen Flammen, die mir aus dem Glas entgegenschossen.
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Das leuchtende Innenleben eines Fingerrings

Kaustik_RingWenn die Innenfläche eines spiegelnden Rings durch flach einfallendes Licht getroffen und das Licht auf die Unterlage im Innern des Rings reflektiert wird, entstehen Brennlinien (Kaustiken), die vor allem Physiker und Mathematiker seit langem faszinieren. Bereits Christiaan Huygens (1629 – 1695) befasste sich mit ihnen und Johann Bernoulli (1667 – 1748) legte eine weitgehende mathematische Beschreibung vor. Wie die Kaustiken entstehen, kann auf verständliche Weise in Spiel, Physik und Spaß (Seite 117 ff) nachgelesen werden. Weiterlesen

Rätselfoto des Monats August 2015

115_Oppositionseffekt

Wie kommt es zu den Auhellungen im welligen Wasser?

Erklärung zum Rätselfoto des Vormonats: Drehender-Wasserstrahl

Rätselfoto des Monats Juni 2015

112_Blauer-SternenhimmelWie kommt es zu diesem blauen Sternenhimmel?

Erklärung des Rätselfotos vom Vormonat: Blatt_mit_Tropfen

Wasserläufer und Leonardokreuz

Leonardokreuz am Rande eines schwimmenden HolzstücksAuf diesem Foto sieht man unter anderem den Schatten eines Wasserläufers. Dieses Abbild ist auffälliger als das Urbild. Merkwürdig ist, dass dort, wo man die feinen Schatten der filigranen Füße erwartet, verhältnismäßig große Schattenovale auftauchen. Es sind auch gar nicht die Schatten der Füße, vielmehr rühren sie von den schüsselartigen Vertiefungen her, die der Wasserläufer mit seinen hydrophoben Füßen auf der Wasseroberfläche hervorruft. Die Oberflächenspannung des Wassers verhält sich bei nichtbenetzbaren (hydrophoben) Gegenständen wie eine elastische Haut. An der konkaven Wölbung dieser Vertiefungen im Wasser wird das einfallende Licht gebrochen und daher zu den Seiten abgelenkt. Dadurch gelangt an diesen Stellen weniger Licht auf den Boden des Gewässers und lässt den Bereich als Schatten erscheinen. Weiterlesen

Der weiße Streifen im Regenbogen

Roter RegenbogenSchlichting, H. Joachim. Physik in unserer Zeit 45/6 (2014) 308

Regenbögen weisen bei Sonnenuntergang manchmal einen weißen Streifen auf. Additive Farbmischung ist hier im Spiel.

Der Mangel an Farben und die dadurch  für den Einen oder Anderen eingeschränkte Ästhetik des abendlichen Regenbogens wird für die eher an dem physikalischen Hingergrund interessierten LeserInnen vielleicht durch die weitgehenden Schlüsse, die aus dem weißen Streifen gezogen werden können, ausgeglichen.

Unterhalb des Regenbogens ist es meist hell

Regenbogen-mit-heller-ScheiMan spricht immer über den Bogen, wenn man vom Regenbogen spricht, also über den Rand einer hellen Kreisscheibe, von der auf der Erde je nach Sonnenstand aber immer nur ein Ausschnitt zu sehen ist. In dem vorliegenden Foto ist dieser Ausschnitt näherungsweise so wie er der Theorie nach sein sollte: weiß. Warum weiß? Die Antwort hängt mit der Tatsache zusammen, dass für die Sichtbarkeit des Regenbogens die Kaustik entscheidend ist, die Brennlinie, die dadurch entsteht, dass der Ablenkungswinkel der reflektierten Lichtstrahlen mit dem Einfallswinkel nur bis zu einem Maximalwinkel wächst und danach wieder abnimmt. Im Bereich dieses Richtungswechsels ist folglich die Lichtintensität besonders groß. Weiterlesen

Farbige Lichtschirme über Straßenlaternen

Borkum_Kaustiken_rvViele Städte und Gemeinden haben Webcams eingerichtet, die Fotos oder Videos eines typischen Anblicks liefern, den man sich über das Internet in Echtzeit anschauen kann. Manchmal kommen dabei Bilder heraus, die auf den ersten Blick nicht so recht zu deuten sind. Die obere Abbildung ist ein Foto einer Webcam auf der Nordseeinsel Borkum. Wer den Anblick vom Tage her kennt, weiß, dass sich im dunklen Hintergrund das Meer verbirgt und im Vordergrund vier Straßenlampen für Licht sorgen. Nichts Aufregendes eigentlich, wenn die Lampen nicht mit kunstvollen Lichtschirmen ornamentiert wären und das auch noch in zwei verschiedenen Farben.
Wer sich die Aufnahmen von Zeit zu Zeit anschaut weiß, dass hier kaum künstlerische Absichten im Spiel sein können und dem Phänomen eine natürliche Ursache zugrunde liegt. Weiterlesen

Holistisches Verhalten von Lichtstrahlen

Regenbogen-KaustikLicht wird von den Menschen normalerweise als kontinuierliche raumerfüllende Erscheinung erfahren. Jedenfalls hat das Licht die Eigenschaft der Strahlenförmigkeit nicht gleichsam ablesbar an sich. Das Konzept des Lichtstrahls lässt sich nur theoretisch bilden, wenn man eine Vorstellung von Geradlinigkeit und Licht hat. Eine solche Vorstellung kann zum Beispiel durch Situationen herbeigeführt werden, in denen das Licht sich „strahlenförmig“ verhält. Dies tritt in günstigen Fällen natürlicherweise auf, wenn das Licht durch die Öffnungen im Blätterdach von Bäumen auf ähnliche Weise hindurch „schießt“, wie Wasser durch feine Löcher in einem Gefäß. Weiterlesen

Paradoxe Schatten

paradoxe SchattenUcke, Christian; Schlichting, H. Joachim. In: Physik in unserer Zeit 44/6 (2013), S. 272-273

Das Licht der Sonne erzeugt von einem in Wasser schwimmenden Ball unter gewissen Bedingungen mehrere Schatten. Dieser scheinbar paradoxe Effekt lässt sich ganz klassisch mit dem Brechungsgesetz erklären.
Lebte man auf einem Planeten, der um ein Doppelsternsystem kreist, würde man sich nicht wundern, wenn man hinter einem Gegenstand zwei Schatten sieht. Es gibt tatsächlich derartige, in Wirklichkeit ziemlich unwirtliche Planeten, beispielsweise Kepler-16b und Kepler-34b. In der Science-Fiction-Saga Star Wars mit Luke Skywalker wurde ein entsprechender, allerdings lebensfreundlicher Planet namens Tatooine vorweggenommen. Sieht man jedoch auf der Erde in einem flachen Kinderswimmingpool bei einem schwimmenden, steil von einer Sonne beleuchteten Ball sogar drei Schatten, so erzeugt das Irritationen und Neugierde zugleich.

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

Leonardos Kreuz in der Teetasse

Schlichting, H. Joachim; Suhr, Wilfried. In: Physik in unserer Zeit 43/ (2012) 244 – 245.

Schon Leonardo da Vinci bemerkte, dass eine Blase auf der Oberfläche eines mit Wasser gefüllten Gefäßes an dessen Boden unerwartete Lichtmuster erzeugt. Verantwortlich dafür sind komplexe Lichtbrechungen in der Blase.

PDF: Leonardos Kreuz in der Teetasse

Wellenringe auf der Wasseroberfläche lassen tief blicken

Schlichting, H. Joachim. In: Physik in unserer Zeit 39/1 (2008) 46 -47

Ob ein Stein oder ein Tropfen auf eine Wasseroberfläche fällt, macht insofern keinen Unterschied, als in beiden Fällen Systeme von Ringwellen entstehen. Und doch „erzählen“ die Ringe in beiden Fällen eine etwas andere physikalische Geschichte.

PDF: Wellenringe auf der Wasseroberfläche lassen tief blicken

Fensterkreuze mit Licht gemalt

Schlichting, H. JoachimLichtkreuz; Nordmeier, Volkhard. In: Physik in unserer Zeit 31/3, 129-130 (2000).

Spiegelungen des Sonnenlichts an Fensterscheiben hat jeder schon einmal gesehen. In manchen Fällen entwirft die Sonne ein mehr oder weniger getreues Abbild eines Fensters auf dem Pflaster oder einer gegenüber liegenden Häuserwand (Abbildung 1, links). Hin und wieder kann man aber auch neben den erwarteten Reflexen merkwürdig strukturierte Lichtflecke entdecken, die eine
ovale oder kreisrunde Form annehmen können (Abbildung). In diesen Fällen lässt sich nicht so einfach erklären, wie sie zustande kommen.

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

Der anamorphotische Kerzenleuchter

Ucke, Christian; Schlichting, H. Joachim. In: Physik in unserer Zeit 27/1,6-8 (1996).

Ein Kerzenleuchter des bekannten dänischen Designhauses Georg Jensen weist einige bemerkenswerte optische Eigenschaften auf. Dieses ästhetisch ansprechende Objekt stellt ein Beispiel dafür dar, unter welch unterschiedlichen Aspekten Designer und Physiker denselben Gegenstand betrachten können.

PDF: Der anamorphotische Kerzenleuchter