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Linse

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Gebrochenes und dadurch gekrümmtes Licht

Wasser ist transparent. Glas ist transparent. Durch beides kann man fast ungestört hindurchblicken. Und dennoch passiert etwas mit dem durchgehenden Licht. Es wird gebrochen und obwohl alles mit rechten (physikalischen) Dingen zugeht, kommt man manchmal nicht umhin, über das Ergebnis zu staunen: Aus einer geraden Linie wird eine geschwungene Linie, wobei der „Schwung“ davon abhängt, von wo und wie man durch das Glas Wasser hindurch auf die Linie blickt.
Aufgefallen ist mir dieses Phänomen in einer geselligen Runde in einer Kneipe. Ich wagte es nicht, meinen Fotoapparat zu zücken und das Bild festzuhalten. Ich stellte es zu Hause so gut wie möglich nach. Und dies ist das Ergebnis (siehe Foto).

Multiphänomenal

Ein Blatt, das im stürmischen Regenschauer vom Baum heruntergerissen kommt rücklings auf dem Boden zu liegen. Einige versprengte Wassertropfen sind in muldenförmigen Vertiefungen des Blatts zur Ruhe gekommen, malerisch inszeniert durch die inzwischen wieder dominierende Sonne. Das zeigt sich nicht nur in den Schattierungen des Blattes, sondern auch in den hellen Lichtflecken. Diese kommen dadurch zustande, dass die Wassertropfen wie Sammellinsen wirken und das Licht auf einen Lichtfleck fokussieren. Dieser ist im Vergleich zur Umgebung so hell, dass die grüne Farbe des Blattes überstrahlt wird (Irradiation bzw. Blooming). Außerdem wirkt die Tropfenlinse als Lupe und zeigt die Struktur des Blattes in leicht vergrößerter Form.
Dass der aufprallende Regen sich in Tropfen sammelt ist der Minimierung der Grenzflächenenergie zwischen Wasser, Blatt und Luft zu verdanken. Um die Grenzflächenenergie zu minimieren strebt das Wasser die Form an, die unter den gegebenen Bedingungen die kleinste Grenzfläche hat – das ist die Kugel. Sie wird allerdings näherungsweise nur von den kleinen Tropfen erreicht, weil einerseits der Einfluss der Schwerkraft umso geringer ist, je kleiner die Masse der Tropfen ist und andererseits für die Ausbildung einer Grenzfläche mit dem Blatt verhältnismäßig viel Energie nötig ist. Man sagt auch, das Blatt sei hydrophob. Die Hydrophobie wird hauptsächlich durch winzige Härchen auf den Blättern hervorgerufen, auf denen die Tropfen gewissermaßen ruhen und daher nur winzige Berührflächen mit dem Blatt haben.
Trotzdem oder vielleicht gerade deshalb ein naturschöner Anblick.

Rätselfoto des Monats Mai 2022

Wie kommt es zu der Miniaturabbildung?


Erklärung des Rätselfotos des Monats April 2022
Frage: Wie kommt es zu solchen winderzeugten Strukturen?

Antwort: Die Häufchen bestehen hauptsächlich aus Weidenkätzchen, die in der letzten Zeit abgefallen sind und sich auf dem Boden zerstreut haben. Sie wurden durch wirbelnde Luftströme zusammengetragen. Diese kommen dadurch zustande, dass heftiger Wind zwischen einer Hauswand und einer hohen Hecke weht. Stellt man sich den Luftstrom aus einzelnen Schichten bestehend vor, so wird die an der Hauswand angrenzende Schicht durch Reibung gebremst und bleibt hinter den angrenzenden Schichten zurück. Die gebremste Schicht bremst ihrerseits die angrenzende Schicht und diese wieder die nächste Schicht. Die schichtweise verminderte Geschwindigkeit führt zu einer Rotation der Luft und damit zu Wirbeln. Etwas Ähnliches gilt für die an den Boden angrenzenden Schichten.
Die von der rotierenden Luft mit einer gewissen reibungsbedingten Verzögerung mitgerissenen Teilchen sammeln sich schließlich im Zentrum der Luftwirbel. Im Prinzip entstehen auf diese Weise auch Windhosen, Tornados und andere Wirbelwinde. Bei letzteren spielen Temperaturgradienten eine wesentliche Rolle.

Die Umgebung tropfenweise

Wassertropfen sind transparent. Trotzdem scheint es manchmal so zu sein, als würden sie sich ihre Umgebung jedenfalls teilweise formgerecht einverleiben. Sieht es nicht so aus, als würden die Grasstrukturen des Hintergrunds sehr viel schärfer im Innern der Tropfen auftreten? Es sieht so aus, aber bedeutet nur, dass Tropfen wie optische Linsen ihre Umwelt kopfstehend abbilden, jedenfalls wenn diese weiter als die Brennweite der Linse entfernt sind. Und das sind sie unter diesen Größenverhältnissen fast immer.
Abgesehen von dieser kleinen physikalischen Spielerei, fand ich dieses vom Morgentau geschaffene Szenario einfach naturschön.

Es verrieselt, es verraucht,
Mählich aus der Wolke taucht
Neu hervor der Sonnenadel.
In den feinen Dunst die Fichte
Ihre grünen Dornen streckt,
Wie ein schönes Weib die Nadel
In den Spitzenschleier steckt;
Und die Heide steht im Lichte
Zahllos blanker Tropfen, die
Am Wacholder zittern, wie
Glasgehänge an dem Lüster.*


 * Aus: Annette von Droste-Hülshoff. Die Vogelhütte. Sämtliche Gedichte. Frankfurt 1998, S. 44

Abbildung einer Linse aus Wasser

Wenn Wasser sich zum Beispiel an/auf dem Teil einer wasserliebenden Pflanze sammelt, bildet es einen Tropfen, um die Oberfläche so klein wie möglich zu machen. Der Tropfen wird von den meisten Blättern bis zu einer bestimmten Größe „gehalten“, weil die Grenzfläche mit dem Blatt weniger Energie erfordert als mit der Luft. Doch die Schwerkraft ist allenthalben wirksam. Je größer der Tropfen und damit seine Masse werden, desto stärker macht sich diese bemerkbar. Der Tropfen wird in die Länge gezogen bis die Schwerkraft größer ist als die Adhäsionskraft mit der Pflanze. Der Tropfen fällt.
Soweit zur Vorgeschichte dieses Fotos. Denn hier hat sich ein sehr großer Tropfen zwischen den Früchten (?) einer Pflanze gebildet. Weil der Tropfen gleich von mehreren Seiten gehalten wird, nimmt er eine eindrucksvolle Größe an.
Das wiederum qualifiziert den Tropfen zu einer entsprechend großen Sammellinse, durch die die Umgebung verkleinert und kopfstehend abgebildet wird. Die Verkleinerung hat den Vorteil, dass wir durch die Wasserlinse blickend einen größeren Bereich der dahinter befindlichen Pflanzenteile überblicken können.
Soweit zur Physik. Aufgefallen ist mir dieses Detail allerdings aus anderen Gründen. Es sah einfach schön aus – das Zusammenspiel der filigranen verkleinerten Strukturen mit den Strukturen normaler Größe.

Rätselfoto des Monats April 2021

Wie kommt es zu den Feuchtigkeitsstrukturen?


Erklärung des Rätselfotos des Monats März 2021

Frage: Wie kommt es zu diesem Phänomen?

Antwort:
Bei einer Teepause, in der ich ein Stück Kandis in den Tee fallen ließ, entstand eine Blase und eröffnete mir einen kurzen Linsenblick auf das Stück Kandis. Dieses erschien nämlich deutlich verkleinert, so als ob man durch eine Zerstreuungslinse blickte. Wie kann das sein?
Da der Blase ohnehin nur eine kurze Lebensdauer beschieden war und die geselligen Umstände es unmöglich machten, der Sache vor Ort auf den Grund zu gehen, rekonstruierte ich die Situation später in einer Tasse mit Wasser und einem Tropfen Spülmittel und nahm einen Strohhalm zu Hilfe, mit dem ich auch noch die Größe der Blasen bestimmen konnte. Und anstelle des Kandis, legte ich eine Cent- Münze auf den Grund der Tasse.
Mit einer solchen Anordnung lässt sich schön verfolgen, dass die Münze wie ehemals der Kandis durch die Blase hindurch betrachtet tatsächlich verkleinert erscheint und zwar umso mehr je kleiner die Blase ist.
Zur Erklärung muss man sich zunächst klarmachen, dass es sich bei der Blase um eine Halbblase handelt und selbst das stimmt nur ungefähr. Damit eine Blase überhaupt als solche existieren kann, muss der Innendruck größer sein als der Außendruck. Denn die Tendenz der Seifenhaut, sich zu einem kugelförmigen Tropfen zusammenzuziehen muss durch einen höheren Innendruck kompensiert werden. Dadurch wird nicht nur die Seifenhaut straff gehalten, sondern im Falle der auf dem Wasser driftenden Halbblase auch die Wasseroberfläche ein wenig wie eine konkave Linse eingedellt. Blickt man durch eine solche Zerstreuungslinse, so erscheinen die durch sie betrachteten Gegenstände, also hier die 1-Cent-Münze verkleinert. Die verkleinernde Wirkung ist umso größer, je kleiner die die Blase und damit die Brennweite der von ihr geformten Linse ist .
In der obigen Abbildung ist die Blase wegen ihrer Transparenz nur indirekt zu erkennen – durch die tassenfarbene Spiegelung auf dem konkaven Rand der Blase und durch Interferenzfarben im Bereich des Spiegelbilds des lichtspendenden Fensters.

Kleine Wassertropfen ganz groß

Wassertropfen umgeben uns allenthalben im Alltag. Auf dem Foto sieht man einige, an Spinnfäden hängende Tropfen im Vergleich zu einem etwa 2 Millimeter dicken Draht, der als Maßstab für die Einschätzung der Größe der anderen Tropfen dienen kann (zur Vergrößerung auf Bild klicken). Es zeigt sich, dass die Tropfen, die einen kleineren Durchmesser als der Draht haben, so gut wie kugelrund sind, wenn man einmal von kleinen Spitzen absieht, die durch teilweise unsichtbare Spinnfäden bedingt sind, an denen die Tropfen hängen. Weiterlesen

Tautropfen als optische Linsen

Einige Tautropfen auf dem Schilfblatt werden von der tiefstehenden Sonne unter großem Einfallswinkel getroffen. Das Licht wird durch diese flüssigen Linsen auf einen Brennfleck fokussiert. Dort wo das Licht infolgedessen fehlt, verhält sich der Tropfen wie ein undurchsichtiges Gebilde und ruft einen Schatten hervor. Dieser bietet dem Brennfleck einen idealen Hintergrund, indem er den Helligkeitskontrast steigert und den Brennfleck noch prägnanter erscheinen lässt.
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Eine Tablette als Kugellinse

Als ich gestern Morgen die Vitamin-D-Tablette auf den Tisch legte, drang der helle Tag bereits durch das Fenster und breitete das was mir offenbar fehlt in konzentrierter Form vor mir aus – Licht. Des Kontrastes wegen wurde es auch noch malerisch von einem dunklen Schatten umgeben. Das durch das Fenster fallende Licht, das man auch noch auf der winzigen 6 mm großen transparenten kugelförmigen Tablette gespiegelt sieht, wird von ihr gebrochen und auf einen Brennfleck fokussiert. Zumindest schemenhaft kann man darin auch noch Reste der roten Morgendämmerung erkennen.
Vielleicht wird die Wirkung der Tablette ja auch dadurch erzielt, dass man sie auf die Hand oder einen andere Hautstelle legt, um in den konzentrierten Lichtgenuss zu kommen 😉

Fenster im leichten Schneegestöber

Wenn Schnee oder Graupel ans Fenster schlagen kann man oft einen interessanten Wachstums- und Strukturbildungsvorgang beobachten, insbesondere dann, wenn die Außentemperaturen nicht zu niedrig und die Raumtemperatur einigermaßen hoch ist. Der Schnee haftet zunächst an der Scheibe, beginnt durch die Scheibe erwärmt zu schmelzen und auf dem dadurch entstandenen „Schmierfilm“ durch die Gravitationskraft beflügelt abzugleiten. Der Vorgang vorläuft manchmal sehr langsam, weil die Adhäsionskraft zwischen Wasserfilm und Scheibe am oberen Ende überwunden und am unteren Ende neu gebildet werden muss. Weiterlesen

Eine einfache Methode einen luftleeren Raum herzustellen

Ich fragte ihn, ob er das leichteste Verfahren kenne, ein Glas ohne Luftpumpe luftleer zu machen. Als er sagte: Nein, so nahm ich ein Weinglas, das voll Luft war wie alle leeren Weingläser, und goss es voll ein. Er gestund nun ein, das es luftleer sei, und dann zeigte ich ihm das beste Verfahren, die Luft ohne Gewalt wieder zuzulassen, und trank es aus. Der Versuch misslingt selten, wenn er gut angestellt wird. Er freute ihn nicht wenig, und er wurde von uns allen mehrmals angestellt*. Weiterlesen

Tiefer Blick ins Glas

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 11 (2019) S. 62 – 63

Der gerade Stecken
erscheint im Wasser krumm
Michel de Montaigne (1533–1592)

Eingeschenkte Flüssigkeiten rufen oft erstaunliche Wahrnehmungstäuschungen hervor – selbst wenn es sich nur um Wasser handelt.

In einem Glas mit Sprudelwasser macht sich ein Trinkhalm manchmal selbstständig, steigt auf und kippt möglicherweise sogar heraus (»Fällt er oder fällt er nicht?«, Spektrum Juli 2009, S. 38). In stillem Wasser hingegen steht er ruhig, und die Situation erscheint vergleichsweise reizlos – doch das ändert sich, sobald man genauer hinsieht. Weiterlesen

Aus Tau geformte Kugellinsen

Dieses Foto ist auf einem Spaziergang am frühen Morgen entstanden, als das Gras noch mit leuchtenden Wassertröpfchen übersät war. Diese sind das Ergebnis von Kondensationsvorgängen in der vergangenen kühlen Nacht, in der sich überschüssiger Wasserdampf in der Atmosphäre besonders an feingliedrigen Gräsern niedergeschlagen hat und nun dem Vernichtungswerk der aufsteigenden Sonne überlassen wird. Keine zwei Stunden später waren kaum noch Tropfen zu finden: Mit zunehmenden Temperaturen verdunstet die prachtvolle Glitzerwelt wieder zu unsichtbarem Wasserdampf. Weiterlesen

Rätselfoto des Monats Mai 2019

Warum dominiert die Kreisförmigkeit?


Erklärung des Rätselfotos des Monat April 2019

Frage: Was schwant uns hier?
Antwort: Die Frage ist zugegebenermaßen nicht ganz präzise und eines physikalischen Phänomens unwürdig gestellt. Die Rechtfertigung besteht darin, dass das Foto auch nicht ganz ernst zu nehmen ist, weil es absichtlich auf den Kopf gestellt wurde. Das haben einige der Kommentaroren auch bemerkt. Dieser Gag wird zum einen dadurch gerechtfertigt, dass das Foto am 1. April gezeigt wurde und zum anderen dadurch, dass man auf diese Weise vielleicht auf eine Diskrepanz stößt: Denn mit der Farbsättigung des weißen Gefieders des Schwans stimmt etwas nicht. Es kann nicht sein, dass die Spiegelung im Wasser eine größere Lichtintensität aufweist als der reale Schwan. Schließlich wird nur ein Teil des auf dem Wasser auftreffenden Lichts in Abhängigkeit vom Einfallswinkel reflektiert; der Rest wird vom Wasser absorbiert.
Die Intensität des weißen Lichts, das direkt vom Gefieder diffus reflektiert wird, ist sogar so groß, dass wir es mit einer Irradiation (Überstrahlung) zu tun haben. Auf diese Weise verschwinden Konturen, die durch Schattierungen hervorgerufen werden. Daher sind in der wesentlich geringeren Lichtintensität, die vom gespiegelten Schwan ausgeht, die Strukturen zu erkennen, die beim realen Schwan überstrahlt wurden.
Eine weitere Konsequenz der Bildverkehrung ist in dem unnatürlich wirkenden Wasserberg zu sehen, der in Wirklichkeit aus der durch den schwimmenden Schwan erzeugten Bugwelle besteht.
Wer sich davon überzeugen möchte, wie das korrekt gedrehte Foto wirkt, sollte vor dem Bildschirm einen Hand- oder Kopfstand machen :-). Aber irgendwie habe ich auf dem Kopf stehend dass Gefühl, dass es noch eine einfachere Möglichkeit geben müsste; wenn es mir gelänge in dieser ungewöhnlichen Lage einen klaren Gedanken zu fassen. Naja, immerhin hat man als Nebeneffekt eine kleine sportliche Übung als Ausgleich für das ungesunde Vor-dem-Bildschirm-hocken.
Ich habe mich darüber gefreut, dass mehrere Blogfreunde*innen das Problem im Prinzip und weniger wortreich gelöst haben oder der Lösung sehr nahe waren.

Rätselfoto des Monats April 2019

Mir schwant da was


Erklärung des Rätselfotos des Monats März 2019

Was ist an physikalisch interessanten Phänomenen auf diesem (nicht manipulierten) Foto zu sehen?

Das Interessante an diesem Foto ist, dass das Gesicht einer Person mosaikartig aus kleinen Abbildern eben dieser Person zusammengesetzt erscheint. Um das zu erreichen war keine Manipulation nötig. Es ergab sich gewissermaßen von selbst, als ich spielerisch durch ein aus der Teetasse gehobenes und daher benetztes Teesieb zunächst rein spielerisch auf eine Person blickte. Indem anschließend mein Blick durch eine Fotografie ersetzt wurde, entstand dieses Bild der Bilder.
In zahlreichen Kommentaren wurde eine Antwort versucht. In der Antwort von Karl wurde das Problem nicht nur im Prinzip gelöst, sondern sogar mit Hilfe eines Nudelsiebs experimentell untermauert.
Andere waren der Lösung sehr nahe, was ich ihnen zu der Zeit aber nicht sagen konnte, um das „Spiel“ nicht vorzeitig zu beeinden. So waren die Ideen, dass es sich um Glasbausteine, Maschenzaun u.ä. handeln könnte, gar nicht so verkehrt. Nur die Größenordnung stimmte nicht. Denn die Bildchen kommen dadurch zustande, dass sich winzige Flüssigkeitsfilme zwischen den Maschen des Siebs gehalten haben, die nunmehr als winzige Linsen wirkend Ausschnitte des Gesichts der Person abbilden. Da die Bildchen alle aufrecht stehen, muss es sich um Zerstreuungslinsen handeln; bei Sammellinsen wären auf dem Kopf stehende Bildchen zu erwarten gewesen. Die Miniwasserlinsen müssen also an den Rändern dicker sein als in der Mitte, was sich schon aus der Dicke der Metallmaschen erklärt.
Da die kleinen Bildchen die ganze Fläche bedecken ist trotz der Transparenz der Wasserfilme das Originalbild nicht zu erkennen. Jede kleine Linse zeigt jedoch den Ausschnitt der Person, der ihr in Blickrichtung gegenüberliegt, sodass in der Summe, in Farbe und Struktur schemenhaft das Original sichtbar wird, insbesondere dann wenn man aus einiger Entfernung schaut und sich durch den individuellen Inhalt der kleinen Bildchen nicht ablenken lässt.

 

 

 

Rätselfoto des Monats März 2019

Wie kommt es zu den Abbildungen?


Erklärung des Rätselfotos des Monats Februar 2019

Frage: Ist die Schneeschicht elastisch?

Antwort: Wenn Kinder einen Schneemann bauen, rollen Sie einen Schneeball über den feuchten Schnee. Durch den Druck, der auf den Schnee ausgeübt wird, kommt es zu Sinterungsvorgängen, in denen der Schnee des anfänglichen Schneeballs mit der Schneeschicht zusammenfriert. Da dieser Prozess fortlaufend stattfindet, wird der Schnee zu einer im Durchmesser und durch seitliche Überhänge auch in der Breite wachsenden festen Schneewalze aufgerollt, bis diese groß genug ist.
Dass dieser Vorgang unter bestimmten Bedingungen von selbst auftreten könnte, kann man sich kaum vorstellen. Aber genau das macht uns die Natur im vorliegenden Beispiel vor. Die verhältnismäßig dünne Schneeschicht auf der Windschutzscheibe eines Autos gefriert zunächst zu einer Art Brett. Als es dann am nächsten Morgen wärmer wird und der Schnee im feinen Regen zu schmelzen beginnt, rutscht tauender Schnee von oben her wie ein Keil unter das noch relativ feste Schneebrett, so dass dieses von der Windschutzscheibe weggedrückt wird. Sobald sich der abgehobene obere Teil des Schneebretts über die Senkrechte hinaus  neigt, kommt zusätzlich die Schwerkraft ins Spiel und das Brett krümmt sich von der Scheibe weg. Dass der obere Teil nicht einfach abbricht, zeugt von einer gewissen „Elastizität“, die dadurch hervorgerufen wird, dass an der gestauchten Seite der so entstehenden Schneerolle feinste Verästelungen im porösen Schnee zusammengedrückt werden und dabei wie beim gepressten Schneeball zusammenfrieren. Man kennt das von Eiswürfel aus dem Gefrierfach, die miteinander „verschmelzen“ sobald sie sich berühren. Dieser Vorgang setzt sich solange fort, wie die  Bedingungen dazu erhalten bleiben.

 

Fundstück 2 – Qualle als Unfreiwillige optische Linse

Nachdem ich vor Jahren schmerzhafte Verbrennungen bei der Begegnung mit einer Qualle hinnehmen musste, habe ich ein emotional gespaltenes Verhältnis zu diesen Tieren. Die Begegnung war insofern besonders dramatisch, als ich im Meer schwimmend den „Angreifer“ gar nicht zu Gesicht bekam, denn die transparenten Quallen sind im Wasser nahezu unsichtbar. Die neuerliche Begegnung war wesentlich entspannter, weil sie außerhalb des Wassers am Strand stattfand und einige vermutlich bereits tote Quallen betraf. Weiterlesen

Naturschöne Abstraktion

Nicht nur die Fensterscheiben in einem ausgekühlten Haus überziehen sich mit einer Gänsehaut aus Tröpfchen, auch das Glasdach des Wintergartens zeigte sich von seiner künstlerischen Seite.
Manchmal sind die Tropfen an Fensterscheiben regelmäßig, manchmal unregelmäßig geformt. Eine frisch geputzte Scheibe schmückt sich meist mit eher regelmäßig angeordneten Tröpfchen, die bei geeigneten Sichtverhältnissen wie eine natürliche Vervielfältigung des vom Blickpunkt der einzelnen Tropfen Gesehenen wirkt. Bei verschmutzten Scheiben entstehen meist unregelmäßig berandete Tropfen mit der Folge, dass diese kleinen Minilinsen zu entsprechend verformten Abbildungen führen. Weiterlesen

Kalte Fenster – Geburtsstätte für Wassertröpfchen

Als wir in das ausgekühlte Ferienhaus ankommen, können wir uns während des Bemühens die Zimmer warm zu bekommen, zwischenzeitlich schon einmal über ein Kunstwerk freuen (siehe Foto), das in dem Maße auf den Fensterscheiben Gestalt annimmt, wie im Zimmer die Temperatur steigt.
Durch die Tröpfchen hindurch schimmert die Struktur einer aus einzelnen Holundersträuchern bestehenden Hecke, die ihre Blätter verloren haben.
Die Gesamtstruktur dieser Büsche lächelt uns tausendfach kopfstehend in den einzelnen Tropfen entgegen. Denn diese verhalten sich wie kleine Sammellinsen. Sie bilden die Büsche auf unsere Netzhäute ab – kopfstehend. Weiterlesen

Retinaler Hohlspiegel

Beim Flanieren in einer Fußgängerzone wurde in einem Modegeschäft meine Aufmerksamkeit von einer Schaufensterpuppe erregt, die – wie mir durch den Kopf schoss – „ganz Auge“ war. Jedenfalls konnte ich mich selbst davon überzeugen, dass ich von ihr sichtbar „wahrgenommen“ wurde und zwar vom ganzen Gesicht. Kopfstehend wurden ich und die übrige Umgebung reflektiert. Und da Reflexionen oft auch ihre kognitiven Verwandten animieren, schoss mir durch den Kopf, dass das Gesicht der Puppe wie eine überdimensionale Retina das „Gesehene“ kopfstehend abbildet.
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Informationsflut in Tropfenform

Wenn nach einem Regenschauer die Fensterscheiben mit kleinen Tröpfchen besetzt sind, hat man den Eindruck, dass der Durchblick getrübt wird. Besonders störend wäre das beim Autofahren, wenn der Scheibenwischer nicht dafür sorgte, dass die Tropfen immer wieder weggewischt werden. Schaut man sich die Tropfen aus der Nähe an, so entdeckt man, dass sie ihrer Transparenz gehorchend mitnichten den Blick auf den Gegenstand, in diesem Fall ein Haus, verhindern, sondern ihn sogar vervielfältigen. Denn jeder Tropfen wirkt wie eine Sammellinse. Sie vernichten also keine Information, sondern erzeugen sie (jedenfalls im mathematischen Sinne). Ginge ein Bild verloren, so wären noch viele weitere Bilder vorhanden.
Aber so einfach ist es nun auch wieder nicht. Zum einen steht das abgebildete Haus auf dem Kopf und ist sphärisch verzerrt. Gut, daran könnte man sich sogar gewöhnen, zumal die sichtbare Welt ohnehin überkopf auf die Netzhaut abgebildet wird. Durch die Tropfen betrachtet würde man die Welt sogar richtig herum auf der Netzhaut haben, obwohl das der Wahrnehmung nicht zugute kommt.
Zum anderen – und das ist das eigentliche Problem – bewirkt zu viel Information das Gegenteil: Desinformation. Man sieht das Haus vor lauter Häusern nicht mehr. Der Durchblick wird getrübt. Aber immerhin haben die Tröpfchenbildchen zu dieser Erkenntnis geführt, sodass auch eine getrübte Durchsicht dennoch zur Einsicht führen kann.

Opfer stillschweigender Voraussetzungen

Vor ein paar Tagen habe ich ein Phänomen  beschrieben, bei dem eine mit Wasser gefüllte Flasche wie eine Lupe wirkt. Etwas ganz Ähnliches war mir vor Jahren schon einmal aufgefallen und ich hatte es während eines Essens sehr zum Ärger meiner Begleitung auch fotografisch festgehalten (siehe Foto). Mir schien die Situation klar: Die Schrift wird durch die Zylinderlinse (jedenfalls näherungweise), die hier als Zylinderlupe wirkt, in der Horizontalen vergrößert. Weiterlesen

Physikalischer Flaschengeist

Als der Zug durch den Bahnhof fuhr und ich in Gedanken versunken durch meine halb geleerte Wasserflasche auf den gegenüberliegenden Zug blickte, schreckte ich ein wenig ob seiner Verzerrungen auf, obwohl mir fast im selben Augenblick klar war, dass er diese durch die Flasche erfuhr. Was mich allerdings etwas länger beunruhigte, war dass der Schriftzug auf der Flasche im wasserfreien oberen Teil starke Schrumpfungserscheinungen zeigte. Wie das? Oder war es doch ganz anders?
Am besten ihr probiert es selbst einmal aus.
Tipp: Wenn ihr keine Flasche mit einem Schriftzug zur Hand habt. Ein solcher lässt sich auch mit einem Filzstift  anbringen.

Dreimal im Auge des Betrachters

Sieh zu den Fenstern meiner Augen hinein.

Georg Büchner (1813 – 1837)

Im Auge des Betrachters ist man auf mehrere Weisen präsent; als Linsenabbildung auf der Netzhaut, als Spiegelbild auf der Hornhaut und als Wahrnehmungsinhalt im Gehirn. Letzteres vermutlich aber nur, wenn den beiden Bildern die dafür nötige Aufmerksamkeit geschenkt wird. Diese Einsicht kann man zwar auch ohne Anschauungshilfe erlangen. Als ich mich aber eines Tages im Auge unseres Hundes gespiegelt sah, war sie aufeinmal ohne bewusste Bemühungen da.
Interessanterweise spielt die Tatsache, dass ich mich im Auge meines Gegenüber gespiegelt sehe, für dessen Wahrnehmung überhaupt keine Rolle, denn dieser Anteil des auftreffenden Lichts und die damit verbundene Information wird ja gerade vom Auge reflektiert, also postwendend zurückgeschickt.

Aktivitäten im Bierglas

weinglasphysik_img_8466a_rvIch saß in einem Straßencafe direkt am Hafen von Greetsiel und trank ein Glas Bier. Plötzlich sah ich, dass Leben in meinem Glas aufkam. Winzige Abbilder der vorbeigehenden Spaziergänger liefen in umgekehrter Richtung auf Spielzeuggröße verkleinert durch das Glas, wobei sie der Rundung des Glases entsprechend zur Mitte hin dicker und anschließend wieder dünner wurden. Im Bierglas lief das Geschehen sogar auf dem Kopf stehend ab; eine artistische Glanzleistung!  Hier zeigte sich, dass Biertrinken verkehrt ist. Aber nicht deshalb zögerte ich, mein Glas zu leeren. Ich hatte Gefallen an dem Miniaturgeschehen gefunden, das mit jedem Zug  dem Verschwinden ein wenig näher gebracht wurde. Weiterlesen

Durchleuchtung

Am Rande einer Silvesterfeier ist die Rede von der Durchleuchtung, jener vor allem auf die Diagnose der Tuberkulose und Herzerkrankungen ausgerichteten Röntgenuntersuchung, die noch vor wenigen Jahrzehnten ein Jeder über sich ergehen lassen musste. Als Kind war ich fasziniert von dieser Möglichkeit, das Knochengerüst des Menschen sichtbar zu machen. Später erfuhr ich, dass dies mit einer kurzwelligen Strahlung gelingt, die durch den menschlichen Körper mehr oder weniger ungehindert hindurchgeht und eine dahinter aufgestellte Fotoplatte je nach der Stärke der Absorption durch das unterschiedliche Material  (Gewebe, Knochen) mehr oder weniger stark belichtet wird. Ein typisches Bild, das man vor Augen hat ist die Knochenhand. Weiterlesen

Physik und Kunst im Alltag

physik_und_kunstDas Schönste, was wir erleben können,
ist das Geheimnisvolle.
Es ist das Grundgefühl, das an der Wiege
von wahrer Kunst und Wissenschaft steht

Albert Einstein (1879 – 1955) Weiterlesen

Die Welt jenseits der geschliffenen Gläser (Lichtenberg 4)

linse_img_9674_rvDie Verbindung von Anschauung und Denken, von Wahrnehmen und Begreifen machen die Welt in der Metaphorik der Physik des 17. und 18. Jahrhunderts zu einem Buch mit Zeichen, die gelesen und verstanden werden können und wollen. Beim Lesen der Welt zeichnen sich die neuzeitlichen Physiker dadurch aus, dass sie es erstmalig verstehen, mit Hilfe der optischen Linse das wissenschaftliche Sehvermögen über die Möglichkeiten des bloßen Auges hinaus zu steigern. Mit der Linse gelingt es die Lesbarkeit der Welt auf vorher nicht zu erahnende Dimensionen auszuweiten  (siehe ausführliche Darstellung). Weiterlesen

Der Kopf ist mehr als ein Kürbis (Lichtenberg 6)

oberflaeche_img_2068rvDie physikalische Metaphorik die Welt als lesbares Buch anzusehen, teilt mit dem Lesen das Problem, ein Oberflächenphänomen darzustellen. Daran ändert auch die Steigerung des Sehens mit der Linse in ihren unterschiedlichen Varianten nichts. Georg Christoph Lichtenberg (1742 – 1799) sieht als einer der ersten Wissenschaftler die Gefahr, dass kritiklos von der äußeren Ansicht auf das innere Wesen geschlossen wird; das gilt für die unbelebte Natur ebenso wie für den Menschen selbst. Weiterlesen

Blicken und Überblicken (Lichtenberg 5)

blicken_img_2167Georg Christoph Lichtenberg ist einer der ersten, der die Tragweite der Entdeckung der Linse für die Naturwissenschaften und für die Menschheit ganz allgemein erkennt und ausdrucksstark beschreibt. Dabei bringt er aber auch die metaphorische Potenz der Linse als „tubis heuristicus“ gegen die Möglichkeiten der realen Linse in Stellung. Weiterlesen

Im Brennpunkt der Seife

In: H. Joachim Schlichting. Physik in unserer Zeit 48/2, (2017, S. 101

Manche Seifen haben nicht nur die Form einer Sammellinse, sie verhalten sich auch so, wenngleich ihre Form alles andere als optimal ist.

Als ich neulich unter der Dusche die neue Seife ausprobierte, war ich weniger durch deren Waschkraft und Duft beeindruckt als vielmehr durch einen Lichtfleck, der den Wamdschatten der Seife aufhellte. Weiterlesen

Der Blick in die Kugel

Doppelter_Kopfstand_rvWenn man ein Seher ist,
braucht man kein Beobachter zu sein
Georg Christoph Lichtenberg (1742 – 1799)

Wer im Sinne von Lichtenberg zum Seher nicht taugt, sollte es dennoch wagen zu sehen, was es in einer  transparenten Kugel zu beobachten gibt. Auch wenn man durch eine Glaskugel wie bei einer Fensterscheibe durch transparentes Glas blickt, scheint das, was man sieht, in der Kugel eingeschlossen zu sein. Möglicherweise hat dieser Effekt ursprüngliche Beobachter zu Sehern werden lassen. Im Unterschied zu dem, was ein Hellseher in seiner Kugel sieht, können wir durch den unmittelbaren Vergleich mit dem realen Gegenstand jedoch feststellen, dass wir es mit dem Bild eines hinter der Kugel befindlichen Originals zu tun haben. Zumindest glauben wir  diese Ansicht unserer vielbeschworenen Aufklärung zu schulden. Weiterlesen

Der blamierte Skeptiker, oder: Ein Weinglas als Lupe

weinglas_als_lupe_img_0007aNach einer längeren Autorensitzung saßen wir endlich beim wohlverdienten Abendessen. Jemand hatte ein neues Buch über den Regenbogen dabei und zitierte eine Stelle, die einem Kollegen suspekt erschien. Physiker sind von Natur aus skeptisch. Daher wollte er die Textstelle selbst lesen; dazu war ihm allerdings die Schrift zu klein. Jedenfalls gab er es vor. Physiker sind aber auch (manchmal) einfallsreich: Die Buchseite wurde direkt hinter ein Glas mit Wasser gehalten, wodurch die Schrift so stark vergrößert wurde, dass er sein Argument nicht mehr aufrecht erhalten konnte. Zwar war der Text nur in der Mitte (achsennahe Lichtstrahlen) unverzerrt zu lesen, aber auf Perfektion kam es in dieser Situation nicht an, auch wenn Physiker oft zur Perfektion neigen. Der Kollege las und musste sich geschlagen geben. Weiterlesen

Rätselfoto des Monats November 2016

130_tropfen_rvFrage: Wie kommt es zu dieser künstlerisch anmutenden Struktur?

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Erklärung des Rätselfotos des Monats Oktober 2016

Frage eines Kindes: Warum hebt er nicht ab?

Antwort: Keine dumme Frage, denn das Kind weiß, dass wenn es seinen Ballon loslässt, dieser sich unwiederbringlich in die Luft erhebt. Aber eine kleine, sehr grobe Überschlagsrechnung zeigt, dass die Befürchtung des Kindes völlig unberechtigt ist.
Man kann leicht abschätzen, ob die Bedenken des Kindes berechtigt sind. Ein Latexballon mit 30 cm Durchmesser hat ein Volumen von etwa 14 Liter. Ein Liter Luft wiegt 1,2 g. Ersetzt man die Luft durch Helium, das 0,18 g pro Liter wiegt, so ist der Ballon pro Liter ungefähr 1 g, also insgesamt 14 g leichter. Da die Latexhülle etwa 4 g wiegt, so ergibt sich eine Tragkraft von 10 g. Wenn man also 1/10 einer Tafel Schokolade (100 g) dranhängt, würde der Ballon in etwa schwerelos sein. Um genügend schnell aufsteigen zu können, darf man nur einige Gramm (vielleicht 3 Gramm) weniger dranhängen. Es bliebe eine Tragkraft von 7 g. Ein Mensch mit einer Masse von 70 kg würde erst aufsteigen, wenn er an einer Traube von 10000 Ballons hinge.
Das ist viel, wie man sich an der Größe der Traube klarmachen kann, die sich ergäbe, wenn man die kugelförmigen Latexballons kugelförmig zusammenbände, was natürlich nur näherungsweise gelänge, hier aber angenommen wird, um eine einfache Abschätzung machen zu können.
Das Volumen der großen Kugel wäre 10000 mal so groß wie das eines einzelnen Ballons, wenn man davon ausginge, dass die Kugeln ohne Zwischenraum aneinander lägen. Aber das ist nicht realisierbar. Man schafft es höchstens, die Kugeln bei kleinstmöglichen Zwischenräumen aneinanderzupacken. Das wäre – wenn ich mich nicht verrechnet habe – bei einer „unendlichen“ Kugelpackung des Raumes mit einem Füllgrad von 74% möglich. So käme man auf einen Kugeldurchmesser von 7,14 m; in Wirklichkeit wäre es also noch mehr.
Bei Folienballons – mit solchen haben wir es auf dem Foto zu tun – ist die Situation noch ungünstiger. Da der Ballon bei etwa gleichem Volumen ca. 10 g wiegt, würde der Rest kaum noch für eine Nutzlast reichen. Daher reicht ein relativ kleine Masse, um die Ballontraube am Abheben zu hindern. Man gibt meist noch etwas Masse hinzu, um auch gegen normale Windböen gewappnet zu sein.

 

 

Ein Glas Wasser mit optischem Potenzial

strahlenoptik_p1020556_rvIn der Jugendherberge gab es nur jene an Zahnputzbecher erinnernden Wassergläser mit vertikalen Riffeln, die mir auf eine unerklärliche Weise nicht besonders geschmackvoll vorkamen. Als ich dann auf der Terrasse, die einen herrlichen Blick auf eine schöne Landschaft bot, in eben diesem Glas ein erfrischendes stilles Wasser zu mir nahm, war es als wollte dieses Glas mich eines anderen belehren. Weiterlesen

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