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Lichtkreuz

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Zur Ästhetik von Druckunterschieden

Ausschnitt aus der Fensterfront eines Hochhauses in New York (siehe untere Abbildung)
Ansicht eines der Buildings of the Brookfield Place Complex (New York). Das obige Foto ist ein Ausschnitt daraus.

Doppelglasscheiben haben wir einige schöne Anblicke in Form von Lichtkreuzen in Lichtkreisen zu verdanken. Schaut man sich die deformierten Scheiben an, wenn sie von Licht beleuchtet werden, das von einfach strukturierten Objekten ausgeht, kann es zu interessanten Mustern kommen. Diese lassen Rückschlüsse auf die Art der Verformung der Fensterscheiben zu.
Wird eine ganze Fensterfront auf diese Weise beleuchtet, so werden oft ästhetisch ansprechende Reflexionsmuster in den Scheiben hervorgerufen, die als Ganzes wie eine überdimensionale Kunstinstallation wirken (siehe Fotos). Im vorliegenden Fall liegt der wie von künstlerischer Hand gestalteten Fensterfront eine gleichartige von der Sonne angestrahlte Fensterfront als „Mustergeber“ gegenüber.
Aufgrund der Deformationen der Doppelglasfenster und damit der Spiegelbilder kommt es zu den charakteristischen Verformungen der gespiegelten Elemente. Ihre Wirkung geht vor allem aus der einfachen quadratischen Form und der Vielzahl ähnlich strukturierter Spiegelbilder hervor. Die Variationen eines nicht festgelegten, aber festlegbaren Urmusters zwingen gewissermaßen den Blick, sich in das Labyrinth zu begeben, das hier vom manipulierten Licht gezeichnet wird. Als Ariadnefaden kann – wer möchte – die zugrundeliegenden physikalischen Mechanismen aufnehmen, um damit zum Urphänomen zu gelangen.
Letztlich landet man dann bei so etwas Profanem wie den individuellen Abweichungen bei der Fertigung der Doppelscheiben. Die große Ähnlichkeit in Gruppen benachbarter Scheiben deutet zudem darauf hin, dass diese Scheiben jeweils aus derselben Produktion stammen und unter gleichen Bedingungen entstanden sind.

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Lichtsterne – dreieckige Lichtkreuze

Lichtkreuze im Lichtkreis oder –rechteck sind wegen der inzwischen großen Verbreitung von Doppelglasscheiben sehr häufig im Alltag der wissenschaftlich technischen Welt zu sehen. Dabei handelt es sich um Projektionen von Licht (meist Sonnenlicht), das von Doppelglasfensterscheiben reflektiert wird.
Der luftdicht verschlossene Innenraum dieser Scheiben steht unter dem Luftdruck, der bei ihrer Herstellung herrschte. Da der äußere Luftdruck, dem sie beim Einbau in Fenstern an unterschiedlich hoch gelegenen Häusern und bei unterschiedlichen Wetterbedingungen ausgesetzt sind, sich im Allgemeinen vom Luftdruck bei der Herstellung unterscheidet, wölben sich die Scheiben dieser Druckdifferenz entsprechend nach innen und nach außen – eine Scheibe nach innen, die andere nach außen. An ihnen reflektiertes Sonnenlicht wird demnach der Verformung entsprechend fokussiert bzw defokussiert und führt bei rechteckigen Scheiben zu den genannten Lichtkreuzen im Lichtkreis.
Aber nicht alle Doppelglasscheiben sind rechteckig. Daher erwartet man von anders geformten Scheiben auch andere Reflexionsformen an gegenüberliegenden Häuserwänden oder anderen Projektionsflächen. Einer dieser seltenen Fensterformen ist das Dreieck. Meist sind solche Dreieckfenster im oberen Giebelbereich zu finden. Wenn diese vom Sonnenlicht getroffen werden, liefern sie der Dreiecksform entsprechende Reflexe. Abbildung 1 zeigt einen solchen Reflex, der von einem Fenster hervorgerufen wurde, das in Abbildung 2 zu sehen ist. Die Fotos wurden mir freundlicherweise von Sylvia Zinser zur Verfügung gestellt, die offenbar einen wachen Blick für Naturphänomene hat.
Die Dreiecksform der projizierten Brennlinie erinnert stark an den Stern einer bekannten Automarke. Mathematiker würden darin vielleicht einen isotoxalen Dreieckstern sehen.

Fenster als Fenster im Fenster

Ursprünglich war das Fenster ein praktisches Bauelement, das eine semitransparente Kommunikation mit der Außenwelt ermöglicht. Durch das Fensterglas wurde es möglich, Räume materiell von der Außenwelt zu trennen ohne wesentliche optische Einschränkungen hinnehmen zu müssen. Doch die Glasscheiben führen darüber hinaus ein multivisuelles Eigenleben, dass oft zu verblüffenden, manchmal sogar künstlerisch anmutenden Effekten führt. Im vorliegenden Foto erleben wir Fenster von außen, wobei ihre Wirkung als Lichtfalle und Spiegel dominiert. Obwohl dies ursprünglich kaum beabsichtigt war, kann ihne eine gewisse Ästhetik nicht abegesprochen werden. Auch spielen Fenster in der Kunst eine wichtige Rolle.

Rasende Lichtkreuze bei langsam steigender Sonne

Auf einer morgendlichen Eisenbahnfahrt scheint mir die allmählich aufsteigende Sonne gelegentlich ins Gesicht. Ich lasse es geschehen, weil die Sonnenstrahlen eine Verheißung von Frühling in sich bergen. Von Zeit zu Zeit wird meine Aufmerksamkeit auf ein Lichtphänomen gelenkt, das direkt mit der Sonne zu tun hat. Über Häuserwände, Böschungen und andere zufällig vorhandene Gegenstände läuft der stets gleiche Film einer Abfolge von Aufhellungen, der allerdings durch die stets wechselnde Beschaffenheit der Projektionsflächen immer neue Eindrücke vermittelt. Jedenfalls werde ich allmählich aus meinem dem frühen Aufstehen geschuldeten Dämmerzustand herausgeholt und finde den Film zunehmend spannender (siehe Fotos).
Worum geht es: Das Licht der noch tief stehenden Sonne dringt nicht nur durch die Scheiben ins Innere des fahrenden Zuges, sondern wird auch zu einem gewissen Anteil an ihnen spiegelnd reflektiert. Das reflektierte Licht wird dann von geeignet orientierten Projektionsflächen aufgefangen und wie auf einer Kinoleinwand zur Schau gebracht. Man sieht die Reflexe einen ganzen Abschnitts von Fenstern auf diesen Leinwänden entlanglaufen und stellt fest, dass keine der rechteckigen Gestalt der Fenster entsprechende Aufhellungen zu sehen sind, sondern Lichtkreuze, die bei der Wechselwirkung der parallelen Sonnenstrahlen mit den Fenstern entstehen. Entscheidend für das Zustandekommen dieser Lichtfiguren ist die Doppelverglasung der Zugfenster. Aufgrund von Luftdruckunterschieden zwischen dem gasgefüllten Innenraum zwischen den beiden Scheiben und der Außenwelt werden die Scheiben deformiert, also entweder nach innen oder nach außer gewölbt, und wirken daher bezüglich des auftreffenden Sonnenlichts jeweils wie ein Paar aus Hohl- und Wölbspiegel.
Das Neue an diesem Phänomen, ist nicht das Lichtkreuz an sich, das an anderen Stellen in diesem Blog bereits beschrieben wurde, sondern seine Inszenierung in immer wieder überraschenden neuen Situationen. So werden selbst parkende Autos und auf den Bahnhöfen wartende Menschen kurzfristig zu einer originellen Projektionsfläche. Hinzu kommt die Dynamik des Geschehens aufgrund der oft hohen Geschwindigkeit des Zuges, die den Lichtkreuzfilm in fliegenden Wechseln auf nahen und weiter entfernten Flächen ablaufen lässt. Da ich mehrere Stunden im Zuge von Norden nach Süden fahre, erlebe ich auch noch kosmische Einflüsse auf die Vorgänge: Mit zunehmender Höhe der Sonne sinken die rasenden Lichtkreuze immer tiefer und sind zum Schluss nur noch an manchen Bahnsteigkanten und auf benachbarten Gleisbetten zu sehen. Ich halte diese unfreiwilligen, aus einem Zusammenspiel von Natur und Technik hervorgebrachten Lichtinstallationen für äußerst originell und spannend.
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Der Wind der Veränderung

Erntezeit-in-der-Krummhörn_Wenn der Wind der Veränderung stärker wird,
bauen die einen Mauern, die anderen Windmühlen.

Altes Sprichwort Weiterlesen

Umkränztes Lichtkreuz im Quadrat

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 8 (2017), S. 64 – 65

Noch viel wunderbarer als der einfache Spiegel
ist der durchsichtige Spiegel, zum Beispiel ein Fenster,
das auf eine Landschaft hinausgeht

Christian Morgenstern (1871–1914) Weiterlesen

Lichtkreuze im Rechteck

Lichtkreuze sind normalerweise von einem Lichtkreis umgeben. Darüber ist in diesem Blog an mehreren Stellen berichtet worden (z.B. hier und hier ). In den letzten Jahren leuchten mir aber mit zunehmender Häufigkeit auch Lichtkreuze entgegen, die in einem allenfalls leicht abgerundeten Rechteck erscheinen. Das bedeutet, dass die konvexe Scheibe fehlt bzw. ihrem „Dienst“ nur unvollkommen nachkommt. Weiterlesen

Das Neue im Alten

Alt_und_neu_rvMan muß darauf achten,
daß die auch dem Neuen innewohnende Veränderlichkeit
uns nicht zu weit von dem entferne,
worin wir wurzeln

Michel de Montaigne (1533 – 1592)

Woran erkennt man das Neue? Direkt erkennt man es an neuen Baumaterialien. Indirekt an den Lichtkreuzen, die kaum zu erkennen auf das Tor projiziert werden. Ihre Entstehung wird hier beschrieben.

Ene mene tekel – Lichtzeichen auf dem Pflaster

HieroglyphenIn Lichtfiguren, deren Herkunft sich nicht sofort erschließt, sieht man gerne Zeichen göttlicher oder übersinnlicher Herkunft. Man möchte sie als solche sehen, auch wenn viele Anzeichen dagegen sprechen.
Mich erinnern diese Lichtzeichen, die ich auf dem Pflaster vor dem Kölner Dom sah, an ein Detail des Gemäldes von Rembrandt van Rijn (1606 – 1669), in dem das Gastmahl des Belsazar (1635) dargestellt ist. Auch wenn die Zahl der Zeichen hier kleiner ist als auf dem Gemälde, erscheinen sie auf den ersten Blick nicht weniger geheimnisvoll.
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Natur und Sprayer im Wettstreit

sprayer_versus_natur_img_31Ich stand mit einem Kollegen vor dieser Wand und jeder von uns sah etwas anderes. Er versuchte dem gesprayten Kunstwerk etwas abzugewinnen, ich dem von der Sonne entfalteten Display. Wir merkten erst nach eine Weile, dass wir bei der Kommentierung aneinander vorbeiredeten.
Wer sich für das Zustandekommen der Lichtphänomene interessiert sei auf frühere Beiträge dieses Blogs verwiesen, z.B. hier und hier und hier.

Im Jahr des Lichts (15) – Das Sonnenkreuz am Berliner Fernsehturm

SonnenkreuzEin Blick durch ein Fenster auf die spiegelnde Kugel des Berliner Fernsehturms. Sie wird bei Sonnenschein von einem weithin sichtbaren Lichtkreuz veredelt. Man kann es fast aus allen Richtungen sehen, außer wenn die Sonne hinter dem Turm steht. Warum reflektiert diese Kugel das Licht kreuzförmig? Weiterlesen

Im Jahr des Lichts (6) – Lichtkreuze zwischen Physik und Esoterik

IMG_0480brvDie hier zu sehenden Lichtkreuze umkreist von einem hellen Ring sind eigentlich nicht zu übersehen, weil sie sehr auffällig in Erscheinung treten.  Und hat man sie erst einmal gesehen, so sieht man sie anschließend immer wieder. Sie sind an jedem beliebigen Sonnentag besonders in der Morgen- und Abendzeit zu sehen, wenn die Sonne tiefsteht, und das von den Fenstern eines Gebäudes reflektierte Licht vornehmlich auf den Wänden der gegenüberliegenden Häuser landet. Denn genau darum handelt es sich: um Sonnenlicht, das von leicht gewölbten Doppelglasscheiben reflektiert und an  Häuserwänden oder anderen beschatteten Flächen projiziert wird. Weiterlesen

Hieroglyphen aus Licht

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Schlichting, H. Joachim. In: Tipler, Paul A.; Mosca Gene: Physik. 7. Auflage. Berlin, Heidelbert: Springer 2015,  S.1076 f

Wer an einem sonnigen Tag mit offenen Augen durch die Stadt geht, kann in den Genuss eines Lichtphänomens kommen, dessen Ursprung sich vermutlich nicht sofort erschließen lässt: Lichtkreuze in Lichtkreisen.
Der Ursprung der Lichtkreuze ist in den spiegelnden Reflexionen der Sonne in den Fensterscheiben von Gebäuden zu sehen. Das Licht wird je nach der Höhe der Sonne auf die gegenüberliegende Häuserfront oder die Straße projiziert. Man muss nur zwei Minuten warten, um festzustellen, dass sich der Reflex um seinen eigenen Durchmesser verschoben hat. Weiterlesen

Sonnentaler durch Reflexion

Lichtkreuz-meets-SonnentaleAls Kind besaß ich eine rechteckige Armbanduhr. Im Religionsunterricht – woanders hätte ich mir das nicht erlaubt – hielt ich die Uhr so in die Sonne, dass ich den Reflex an den Wänden verfolgen konnte. Manchmal ließ ich ihn auch in die Augen der einen oder anderen Mitschülerin fallen. Bei diesen Spielereien fiel mir auf, dass der Reflex trotz des rechteckigen Glases, durch das das Sonnenlicht reflektiert wurde, stets kreisrund oder – wenn es schräg auf die Wand auftraf – oval war. Obwohl mich dieser Befund sehr interessierte, kam ich nicht auf die Idee, einen Lehrer zu fragen. Ich konnte mir nicht vorstellen, dass auch nur irgendeiner von ihnen diese Spielerei gutgeheißen, geschweige denn ernst genommen hätte. Das Phänomen geriet in Vergessenheit, nachdem die Uhr das Zeitliche gesegnet hatte. Später waren meine Armbanduhren rund. Weiterlesen

Double pane windows—elastic deformations, gas thermodynamics, thermal and optical phenomena

LichtkreuzeVollmer, Michael; Möllmann, Klaus-Peter, Schlichting, H. Joachim. In: Eur. J. Phys. 35 (2014) 045023 (29pp)

Abstract
Double pane windows are common objects which can enrich physics teaching at undergraduate level at least in five different fields. First, having sealed inner spaces filled with gas, one can discuss gas law problems upon changes of pressure and/or temperature. Second, when discussing temperature differences between inside and outside, one needs to take into account the associated heat transfer mechanisms which define the pane temperatures, enclosing the gas. Third, using elastic properties of the glass, one may treat deformations of the window panes upon those changes or additional manually applied external  pressure. Fourth, the reflective properties of glass combined with the pane deformations result in concave or convex mirrors, which when illuminated by the Sun, may lead to focal points on projection areas such as facing houses. Fifth, such areas receive an increased irradiance which leads to associated thermal effects. Starting from the most obvious daily life phenomenon, the fascinating caustics of reflected sunlight on streets or walls, all of these double pane window phenomena are investigated experimentally as well as theoretically.
S Online supplementary data available from stacks.iop.org/EJP/35/
045023/mmedia

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

Rätselfoto des Monats November 2013

094_PackeistümpelBlautöne im arktischen Eismeer

Dunkelblaues und türkisblaues Wasser zwischen und auf dem Packeis sind charakteristisch für das arktische Eismeer. Wie kommt es zu diesen Farbunterschieden?

Erklärung des Rätselfotos vom Vormonat: Lichtkreuze in Komplementärfarben auf der Straße.

Rätselfoto des Monats Oktober 2013

Farbige LichtkreuzeLichtkreuze in Komplementärfarben auf der Straße
Frage: Mal blau mal gelb, was verbirgt sich hinter diesen Bildern?

Erklärung des Rätselfotos vom Vormonat: Platzende Blasen auf dem Gartenteich

Lichtkreuze in Lichtkreisen

Schlichting, H. Joachim. In: MNU 57/8, 467-474 (2004).

Fenster mit Doppel- bzw. Isolierglasscheiben rufen oft ring- und kreuzförmige Reflexe auf gegenüberliegenden Häuserwänden hervor. Dieses Phänomen wird durch Fotografien dokumentiert und auf der Grundlage der Theorie elastisch verformter Platten anhand von Computersimulationen physikalisch  beschrieben. Anschließend werden mithilfe eines leicht herzustellenden Plexiglasmodells einer Doppelglasscheibe einfache Experimente dargestellt, dokumentiert und mit den Ergebnissen von Simulationen verglichen. Es ergibt sich eine gute Übereinstimmung zwischen den realen und berechneten Reflexen.

PDF: Lichtkreuze in Lichtkreisen

Alltägliche Reflexionen

Schlichting, H. Joachim; Nordmeier, Volkhard. In: Physik in der Schule 35/11, 399-401 (1997).

Die geometrische Optik gehört seit Kepler zu den abgeschlossenen Bereichen der klassischen Physik und kann vom intellektuellen Anspruch her gesehen eher zu den einfach zugänglichen Theorien gerechnet werden.
Phänomene der geometrischen Optik sind daher in besonderer Weise geeignet, auf Lernschwierigkeiten und Probleme des Lernens und Lehrens aufmerksam zu machen, die nicht auf der Kompliziertheit des physikalischen Stoffes, sondern auf einer unzureichenden Einübung in die physikalische Sehweise beruhen.

PDF: Alltägliche Reflexionen

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