Die Welt physikalisch gesehen
Oberfläche
Die Macht der Bilder
Wenn man die Augen aufmacht, entdeckt man, dass die natürliche und wissenschaftlich-technische Welt keine Gelegenheit auslässt, sich schöner Ansichten zu bemächtigen, indem diese einfach abgebildet bzw. kopiert werden. In der Natur tun das Seen und Pfützen, in der Stadt sind es eher Glasflächen und wie im Falle des Fotos so ungewöhnliche Orte wie der Kotflügel (sic!) eines Autos. Ich bin immer wieder erstaunt, wo überall Bilder der Umgebung anzutreffen sind.
Muss man sich da noch über die Macht der Bilder wundern und darüber in wie starkem Maße sie unser Denken und Handeln beeinflussen und machmal sogar bestimmen?
Übrigens: Weiß jemand, in welcher Stadt dieser Kotflügel gesehen wurde?
Das geheime Innenleben einer alten Tür
Ich bin immer wieder fasziniert von verblüffend einfachen aber wirkungsvollen und oft intelligenten Erfindungen und Praktiken im alltäglichen Bereich, die kaum zur Kenntnis genommen werden und deren Urheber meist namenlos bleiben. Fortan werde ich hier in lockerer Folge an die dahinter stehenden naturwissenschaftlichen und/oder technischen Zusammenhänge erinnern.
Ich beginne mit einer Entdeckung, die ich kürzlich beim Zerlegen einer alten Holztür gemacht habe.
Viele ältere Holztüren aus der Nachkriegszeit (50er bis 80er Jahre) sind relativ leicht. Das merkt man allerdings meist erst dann, wenn man sie ein- oder ausbaut. Obwohl sie massiv aussehen, ist das Innenleben oft ziemlich hohl. Das hilft nicht nur Material zu sparen, sondern vermindert auch die Last die die Tür auf die Scharniere ausübt. Natürlich kann das Innenleben einer solchen Tür nicht völlig hohl sein, weil sie ansonsten ziemlich flexibel und instabil wäre. Das Innere muss also in irgendeiner Weise ausgefüllt werden. Heute werden oft Füllungen aus Spanplatten mit röhrenförmigen Hohlräumen benutzt.
Beim Ausbauen und Entsorgen der älteren leichten Türen entdeckte ich eine interessante Füllungsvariante (siehe Foto). Zwischen den beiden Oberflächen aus relativ dünnem Sperrholz wurden merkwürdige Holzringel als Abstandshalter benutzt. Solche Ringel erinnern an die Späne, die beim Hobeln eines Brettes aus dem Hobel quellen. Vermutlich sind sie auch auf ähnliche Weise entstanden, nämlich durch Abtragen eines Holzspans durch ein hobelartiges Werkzeug.
Wenn die Klinge beim Hobeln eine mehr oder weniger dünne Holzschicht abschneidet, wird diese nach oben aus dem Werkzeug heraus gedrückt und dabei Stück für Stück eingeknickt. In gleichem Maße entstehen dadurch dünne Querrisse auf der Unterseite des Spans, der infolgedessen auf dieser Seite länger wird als die weitgehend rissfreie Oberseite. Um diesen Längenunterschied auszugleichen rollt sich der Span spiralförmig ein.
Diese gerollten Späne werden zwischen die beiden Flächen des Türblatts eingefügt. Durch die Aufrollung werden sie mit ihrer Breitseite nach oben und unten orientiert und können nicht umkippen und nur schwer zusammengedrückt werden. Dadurch wird dem Hohlraum zwischen den beiden Oberflächen bei geringer Masse optimale Stabilität verliehen.
Und damit das Ganze nicht allzu trocken endet, hier noch ein Gedicht zur nichtmateriellen Bedeutung von Türen:
Rote Rosen
Du hast Deine Hand noch nicht auf die Türklinke gelegt,
Als Dir durchs Türbrett der Rosen Brand schon entgegenschlägt.
Die Rosen sind Deinem Herzen näher als manches Wort,
Sie geben ihr Glück in die Luft und halten doch vornehm das Prahlen zurück.
Der Rose Seele will sich sanft zu Dir setzen,
Deine Augen haben und Deinem Blut von Seligkeit schwätzen.
Wer sie vor seinen Türen in kleinen menschengroßen Bäumen pflegt,
Dem hat sich das Glück quer über die Schwelle gelegt;
Denn die roten Rosen, die können für Dich küren,
Sie locken Dir die Liebste durch verschlossene Türen.
Max Dauthendey (1867 – 1918)
Anhängliche Seifenblase
Seifenblasen bestehen aus einem kugelförmigen Film aus Seifenwasser, der innen mit Luft oder einem anderen Gas gefüllt und außen von Luft umgeben ist. Wenn man Seifenblasen auf die Reise schickt, so kommen sie meist nicht sehr weit, weil sie vorher platzen. Ihre Lebensdauer ist vor allem aus zwei Gründen stark begrenzt. Der Wasserfilm wird zum einen durch Verdunstung von Wasser und zum anderen durch das schwerkraftbedingte Abfließen von Wasser immer dünner. Wenn man genau hinschaut, sieht man unten an der Blase einen entsprechend wachsenden Wassertropfen hängen.
Da die Natur dazu tendiert unter den gegebenen Umständen so viel Energie wie möglich an die Umgebung abzugeben (2. Hauptsatz der Thermodynamik), wird die Oberfläche des Seifenfilms so klein wie möglich. Denn die Oberflächenenergie ist proportional zur Oberfläche. Das erklärt zum einen, warum die Seifenblase Kugelgestalt hat, zum anderen, dass die Luft im Innern des Seifenfilms zusammengepresst wird, bis der dadurch entstehende Innendruck einer Verkleinerung der Blase Einhalt gebietet.
Sobald die Dicke der Seifenhaut ein kritisches Maß unterschreitet, führt der Innendruck zum Platzen der Blase. Die Blase platzt manchmal auch schon vorher, wenn sie beispielsweise mit bestimmten Hindernissen kollidiert und zerrissen wird. Denn sobald ein Loch in der Seifenhaut entsteht, entweicht das Gas aus dem Innern und der Wasserfilm schnurrt zu Wassertropfen zusammen. Jeder kennt den enttäuschenden Versuch von Kindern, Seifenblasen aufzufangen. Sobald die Blase berührt wird, zerplatzt der schöne Traum. Weil die Haut der Hände wasserliebend (hydrophil) ist, sich also benetzen „möchte“ saugt diese bei Berührung gewissermaßen das Wasser aus der Blase.
Ähnliches gilt für viele weitere Gegenstände. Interessanterweise gehören manche Blätter nicht dazu. Im Gegenteil, die Seifenblase integriert manchmal eine Blattoberfläche in ihre eigene mit ein und bleibt an dem Blatt hängen (siehe Foto). Dies ist vor allem dann der Fall, wenn das Blatt feucht ist. Auf diese Weise – bis auf kleine windbedingte Schwankungen immobil geworden – überlebt die Blase in vielen Fällen erstaunlich lange. Man kann die Blase von allen Seiten betrachten und dabei die Spiegelungen von Gegenständen im Zusammenspiel mit den Gegenständen selbst genießen, sowie das farbliche Irisieren der Seifenhaut bewundern.
Ein Wechselspiel zwischen Tropfen und Blasen
Dieser Zufallstreffer einen Fotos hält die äußerst kurze Situation fest, in der ein Wassertropfen in eine Regentonne fällt und der Beobachter gerade so steht, dass das Licht im Regenbogenwinkel in seine Augen gelangt. Einige Farbtupfer werden im Foto festgehalten. Weiterlesen
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
Zugleich diffus und spiegelnd
Schlichting, H. Joachim. Spektrum der Wissenschaft 8 (2017), S. 64 – 65
Wer bei Reflexionen nur an Spiegelbilder denkt, übersieht leicht das Licht, das raue Oberflächen ungerichtet zurückwerfen. Meist treten beide Erscheinungen gemeinsam auf.
In dem, was sich mir so als Raum des Lichts darstellt,
bedeutet Blick immer ein Spiel
von Licht und Undurchdringlichkeit.
Es geht stets um ein Spiegeln
Jacques Lacan (1901–1981) Weiterlesen
Unlöschbare Spuren auf der Fensterscheibe
Eine Glasscheibe im Wintergarten. Sie tut dort seit vielen Jahren ihren Dienst, einfach nur transparent zu sein und die Witterung abzuhalten. Immer dann, wenn es draußen kalt ist und die Scheibe von innen beschlägt, kommt ein kreisrundes Muster zum Vorschein. Die Perfektion des Kreises und die Tatsache, dass er immer wieder an derselben Stelle erscheint, haben mich davon überzeugt, dass es sich hier nicht um eine Hervorbringung des Zufalls handeln kann. Besonders irritierend fand ich die Beobachtung, dass der Kreis bei trockener Scheibe weder zu sehen ist noch sichtbar gemacht werden kann und er alle bisherigen Reinigungsaktionen überstand. Weiterlesen
Rätselfoto des Monats Mai
Auf diesem sind einige interessante physikalische Phänomene zu sehen. Welche?
Erklärung des Rätselfotos vom Vormonat: Halo und Kondensstreifen
Rätselfoto des Monats August 2013
Frage: Warum bildet Wasser Flächen aus, und warum zerreißen sie schließlich?
Erklärung des Rätselfotos vom Vormonat: Beugungsmuster im Spinnennetz
Gleich und gleich gesellt sich gern
Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 43/8 (2012), S. 49-51
Objekte, die auf Wasseroberflächen schwimmen, verhalten sich oft unerwartet. Verantwortlich dafür sind die beteiligten Grenzflächenenergien.
Vielleicht ist viel mehr an der Oberfläche –
vielleicht ist alles falsch, was nicht Oberfläche ist?
Elias Canetti (1905 – 1994)
http://www.spektrum.de/alias/schlichting/gleich-und-gleich-gesellt-sich-gern/1155296
Tropfen säubern Blätter
Schlichting, H. Joachim. In: Physik in unserer Zeit 38/2 (2007) 80 – 81
Nach einem Regenschauer kann man beobachten, dass die Blätter mancher Pflanzen nicht nur trocken, sondern auch auffällig sauber erscheinen. Warum das so ist, verraten Tropfen, die sich auf den Blättern gehalten haben.
Nach einem Regenguss erscheint uns die Natur wieder farbig und frisch. Das ist nicht nur eine subjektive Empfindung,sondern hat mit der reinigenden Wirkung des Regenwassers auf Boden und Pflanzen zu tun. Zum einen werden Farben von Steinen und der Erde intensiver (Physik in unserer Zeit 2005, 36 (1), 47), zum anderen entledigen sich die Blätter zahlreicher Pflanzen ihres Staubbelages. Insbesondere in der Zeit des Pollenfluges kann dieser beträchtlich sein.
Wie das auf die Blattoberfläche auftreffende Regenwasser die Blätter reinigt, verraten uns Tropfen, die in stabilen Lagen auf dem Blatt liegen geblieben sind (Abbildung 1 links). Auf der höchsten Stelle der Tropfen sieht man deutlich eine kleine, zu einer kreisförmigen Fläche zusammengezogene Staubschicht (Abbildung 1 rechts). Ein Schatten des Staubkreises auf der Blattoberfläche zeigt, dass es sich nicht etwa um eine Spiegelung der Sonne handelt. Diese ist an der linken Seite des Tropfens zu sehen. Wenn Wassertropfen vom Blatt herabrollen, nehmen sie den Staub mit und säubern die Oberfläche. Wie aber kommt es zu diesen kompakten Ansammlungen von Staubpartikeln auf den Wassertropfen?
Ohne auf mikroskopische Mechanismen einzugehen, kann man rein thermodynamisch folgendermaßen argumentieren: Viele Blätter sind zumindest teilweise Wasser abweisend. Das heißt,die Grenzflächenenergie zwischen Wasser und Luft ist geringer als die zwischen Blattoberfläche und Wasser. Da aufgrund des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik irreversible Vorgänge unter Dissipation von Energie (Entropieerzeugung) ablaufen, zieht sich das Wasser zu einzelnen Tropfen zusammen. Durch die damit einhergehende Verkleinerung von Grenzflächenenergie kann nämlich Energie dissipiert werden.
Mit der Tropfengröße wächst auch die Gewichtskraft, so dass die meisten der so entstehenden Tropfen vom Blatt herunterrollen. Die maximale Dissipation bei diesem Vorgang würde bei kugelförmigen Tropfen erreicht: Dann wären die Grenzfläche und damit die Grenzflächenenergie so klein wie möglich und die infolgedessen dissipierte Energie so groß wie möglich. Kleinere Tropfen nähern sich dieser Idealform weitgehend an … (weiterlesen? PDF anfordern!)
PDF: kann beim Autor angefordert werden (schlichting@uni-muenster.de)
Oberflächliche Attraktionen. Naturphänomene, die sich der Minimierung der Oberfläche verdanken.
Schlichting, H. Joachim. In: Praxis der Naturwissenschaften. Physik in der Schule 55/3 (2006) 2 – 6
Wenn Tannennadeln in eine Pfütze oder einen Teich fallen, wird man sie über kurz oder lang fein säuberlich gepackt in mehr oder weniger großen Flößen auf dem Wasser driften sehen. Kaum jemals trifft man einzelne Nadeln an, es sei denn, sie sind gerade hineingefallen und hatten noch keine Gelegenheit, sich einem Nadelfloß anzuschließen.
Auch Blasen, die zum Beispiel entstehen, wenn aus einem Rohr Wasser in ein Becken strömt, vereinigen sich stets zu mehr oder weniger großen Blasenflößen…
Der „bergsteigende“ Korken
Schlichting, H. Joachim. Praxis der Naturwissenschaften – Physik 41/3, 45 (1992).
Ein auf einer Wasseroberfläche schwimmender Korken bewegt sich stets zum Rand des Gefäßes. Dieses Verhalten wird in Analogie zum Rollen einer Kugel auf einem konkaven Uhrglas diskutiert und physikalisch erklärt.
Die Welt physikalisch gesehen 