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Physiologie

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Weinende Pflanzen

Mich beeindruckt immer wieder, wenn an einem trockenen Morgen, die Blätter einer Pflanze nichts besseres zu tun haben, als Flüssigkeit an die Umgebung abzugeben. Dieser als Guttation bezeichnete physiologische Vorgang ist eine Art Notfallprogramm der Pflanzen, seinen Säftehaushalt zu regulieren.
Weil ich mich immer wieder von diesen weinenden Pflanzen auch ästhetisch angesprochen fühle, möchte ich hier einmal mehr auf dieses Naturphänomen aufmerksam machen.

Kann man die Lichtausbreitung sehen?

Wir sitzen auf einer Brücke über dem Arno in Florenz. Die Zeit verstreicht wie im Fluge, wie leider so oft, wenn die Umstände besonders schön sind. In dieser Einschätzung sind wir uns alle einig, auch wenn sie der gleichmäßig ablaufenden „physikalischen“ Zeit, wie sie unsere Uhren anzeigen widerspricht. Als es zu dämmern beginnt, leuchten plötzlich die Laternen entlang des Ufers auf. Wir sind uns einig, dass sie nicht auf einmal angehen, sondern nacheinander mit der nächsten Lampe beginnend bis zum entfernten Ende hin. Die Lichtreflexionen im Wasser tun es ihnen gleich.
Dieses Phänomen hatte ich schon vorher in meiner Heimatstadt erlebt und mir nichts weiter dabei gedacht. Aber als wir jetzt in dieser Runde darüber sprechen, erscheint es doch etwas mysteriös. Wie sollten denn die Lampen geschaltet sein, um dieses Nacheinander zu realisieren? Welchen Sinn könnte es haben. Und warum verläuft die Sequenz immer vom Beobachter weg?
Kurzum, was tut sich hier? Als erstes wurde der Gedanke geäußert, dass das Licht von den entfernteren Lampen mehr Zeit benötige zu unseren Augen zu kommen, als der von den näheren. Aber sofort wird klar, dass die Lichtgeschwindigkeit so groß und unsere Wahrnehmung so grob sind, dass der Gedanke nun wirklich abwegig ist. Auch die Idee, dass der Schaltimpuls vielleicht eine gewisse Zeit benötigt, um von einer Lampe zur nächsten zu gelangen, erweist sich als wenig hilfreich.
Ähnlich wie bei unserer Einschätzung der „Geschwindigkeit“ des Zeitverlaufs zeigt sich, dass die Physik hier nicht weiterhilft. Vielmehr hat man es mit einem wahrnehmungsphysiologischen Phänomen zu tun. Man könnte auch von einer optischen Täuschung sprechen: Ursache dafür ist die Tatsache, dass unser visuelles System auf einen schwachen Lichtreiz bis zu einer Zehntel Sekunde später reagiert als auf einen starken: Wenn zwei entfernte Lichtsignale zur selben Zeit ausgelöst werden, sehen wir das schwächere Signal zeitlich verzögert.
Dieser visual delay* kommt auch in diesem Phänomen zum Tragen. Obwohl die Lampen weitgehend identisch sind und zur gleichen Zeit aufleuchten, ist ihre scheinbare Helligkeit aufgrund der unterschiedlichen Entfernung entsprechend verschieden. Die Intensität des Lichts nimmt mit dem Quadrat der Entfernung ab. Daher wird das Lichtsignal deutlich später wahrgenommen, je weiter die entsprechende Lampe entfernt ist.
Ich vermute, dass das Aufleuchten der hellen orangefarbenen Warnlampen an Autobahnbaustellen nicht wie es scheint, immer vom Beobachter weg läuft, sondern die Lampen einfach nur rhythmisch an und ausgehen.


* J. A. Wilson, S. M. Anstis, The American J. of Psychology 1969, 82, 350.

Von den blauen Bergen kommen wir

Der Nachkriegsschlager „Von den blauen Bergen kommen wir“ klingt mir noch heute in den Ohren. Als Kinder sangen wir zu der eingängigen Melodie den folgenden „Protestsong“:

Von den blauen Bergen kommen wir,
Unser Lehrer ist genauso dumm wie wir,
Mit der Brille auf der Nase sieht er aus wie’n Osterhase,
Von den blauen Bergen kommen wir.
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Beugung zwischen zwei Fingern?

In letzter Zeit hatte ich mehrere Anfragen zu einem Phänomen, das ich bereits aus dem Physikunterricht meiner eigenen Schulzeit kannte. Dabei geht es darum, dass man beim Blick durch  einen möglichst kleinen Spalt zwischen zwei Fingern dunkle Streifen sehen kann. Nähert man beispielsweise Daumen und Zeigefinger einander bis auf einen winzigen Spalt an (Foto) und blickt hindurch, so sieht man dazwischen dunkle Streifen. Weiterlesen

Einzugsbereich von Weinblättern

Ähnliche Blätter hatte kürzlich Gerda Kazakou gezeigt. Inzwischen sehe ich, dass viele Weinblätter (jedenfalls in meinem Garten) ähnlich deutlich den Abtransport und damit die Sicherung der in den Blättern lagernden Nährstoffe im Stamm der Pflanze zu erkennen geben. Da mit diesem Vorgang die Pigmente des ehemals für die Fotosynthese wichtigen Blattgrüns (Chlorophyll) in dem Maße verschwinden, wie der Abtransport der Nährstoffe durch das fraktale Adersystem voranschreitet, gewinnen die bislang vom Grün überdeckten Pigmente zunächst in den bereits bereinigten Außenbereichen und ganz zum Schluss in den Hauptadern die Überhand.
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Ein blutender Baum

Der Walnussbaum wuchs schnell. Er breitete seine Äste auch dort aus, wo sie nicht zu gebrauchen waren. Also sägte ich einen störenden Ast ab. Was ich dann erlebte war für mich erstaunlich. Der Baum gab durch die Wunde Säfte in einem Maße ab, dass ich Angst bekam er könnte „verbluten“. Ich verband den Aststumpf mit einer festen Gummimembran und hoffte, dadurch den Saftstrom aufzuhalten. Doch was passierte, sieht man auf dem Foto. Die Membran wurde wie ein Ballon aufgeblasen. Schon nach etwa einer Stunde hatte der Ballon einen Durchmesser von 8 Zentimetern. Am nächsten Morgen war der Ballon geplatzt und der Baum saftete unentwegt weiter. Er tat es etwa eine Woche lang, bis die Wunde schließlich trocknete und sich mit den Baumeigenen Mechanismen zu verschließen begann. Der Baum hat es gut überstanden. Im Herbst gab es keine Einschränkungen in der Nussernte und die Wunde war bereits teilweise mit frischem Gewebe vom Rande her überwulst.
Ich kann mir gut vorstellen, dass nicht jede Pflanze derartige Flüssigkeitsverluste übersteht. Erstaunlich, mit welcher Stärke der Saftstrom durch das bei vordergründiger Betrachtung dichte Holzgewebe fließt! Man muss wohl davon ausgehen, dass dieser Flüssigkeitsstrom ohne meinen Eingriff für die neuen Triebe und andere Funktionen benötigt worden wäre. Oder weicht hier nur der Wurzeldruck auf die schwächste Stelle aus?

¿Por qué se arrugan los dedos mojados?

Alles-im-GriffSchlichting, H. Joachim. Investigación y Ciencia 7 (2016)

Física y evolución del refinado mecanismo que emplea nuestro cuerpo para impedir que las cosas se nos resbalen de las manos en ambientes húmedos.

Algunas expresiones del lenguaje cotidiano tienen su origen en el pasado remoto. «Cuando manejamos una situación, tratamos de que las cosas no se nos vayan de las manos y no permitimos que nadie nos manipule»; en frases como esta, nuestra forma de hablar refleja una función ancestral y clave para la supervivencia del ser humano: la de asir y utilizar objetos con las manos.
Entre las circunstancias aprovechadas por la selección natural para dotarnos de un agarre firme se encuentran las fuerzas de rozamiento entre la mano y el objeto en cuestión. Aun así, en ocasiones necesitamos una pequeña ayuda. Por ejemplo, si mientras cavamos nos escupimos de vez en cuando en las manos, aumentaremos la fricción entre ellas y el mango de la pala. Sin embargo, que las manos húmedas proporcionen un mejor agarre es más bien una excepción. Los gimnastas espolvorean en sus manos carbonato de magnesio, también conocido como magnesita, con el fin de absorber la transpiración y aumentar así el rozamiento.
¿En qué casos son el rozamiento y el agarre mayores y cuándo menores? De preguntas como esta se ocupa la tribología de la piel, que en los últimos años se ha convertido en una disciplina por derecho propio que, de hecho, ya nos ha ofrecido algunas ventajas prácticas. Hasta hace poco, ponerse crema en las manos significaba estar dispuesto a que se nos escurriese cualquier objeto de ellas. Hoy, sin embargo, ya hay cremas para la piel que garantizan un buen agarre inmediatamente después de su aplicación.

¿Adaptación evolutiva?
El grado de rozamiento entre dos objetos no solo depende de los respectivos materiales, sino también de la morfología de las superficies en contacto. Un ejemplo lo hallamos en las arrugas que aparecen en las manos y los pies después de un largo baño. Normalmente contemplamos este fenómeno con mayor o menor disgusto, pero ¿se trata realmente de un defecto? ¿O acaso nos beneficiamos de él, como cuando lavamos los platos y estos no se nos resbalan? Justamente por esa razón, las pinzas de sujeción de numerosas herramientas presentan superficies estriadas, ya que así su agarre resulta más firme. Así pues, ¿se debe la aparición de estas arrugas a las ventajas evolutivas que conlleva? … Weiter

 

Alles im Griff

SchrumpelSchlichting, H. Joachim. Spektrum der Wissenschaft 11 (2014), 54 – 55

Dass uns Dinge in feuchter Umgebung einfach aus der Hand rutschen, weiß der menschliche Organismus raffiniert zu verhindern.

Ich kann es wohl begreifen
aber nicht anfassen und umgekehrt
Georg Christoph Lichtenberg (1742 – 1799)

Schrumpelige Haut erhöht die Reibung zwischen einer Hand und einem von ihr ergriffenen Objekt, während Füße mit »Profil« besseren Halt auf dem Boden finden. Besonders wichtig ist dieser Umstand bei Nässe. Ist der Schrumpeleffekt Ergebnis einer evolutionären Anpassung?

PDF: Alles im Griff

Der Mond übertreibt

Luna-cornuta-1Wenn man den jungen Mond betrachtet und auch noch das Glück hat, das aschfahle Licht zu sehen, hat man oft den Eindruck, dass die schmale Sichel, also der direkt von der Sonne beschienene Teil des Monds mit sehr grobem Strich gezeichnet ist und über den Rand eines runden Gebildes hinwegreicht. Dieser Eindruck ist eine optische Täuschung, der nicht nur unser visuelles Wahrnehmungssystem, sondern auch die fotografische Technik erliegt.
Normalerweise werden die gesehenen Gegenstände den Gesetzen der geometrischen Optik entsprechend auf der Netzhaut des Auges farb- und helligkeitsgetreu abgebildet. Bei sehr hellen Objekten werden die Rezeptoren aber gegebenenfalls über die Sättigung hinaus angesprochen und dadurch so stark erregt, dass auch noch einige der benachbarten Rezeptoren reagieren. Dadurch entsteht der Eindruck, dass es auch dort noch hell ist, obwohl es „in Wirklichkeit“ nicht der Fall ist. Dieser physiologische Effekt wird auch als Überstrahlung oder Irradiation (Hermann von Helmholtz) bezeichnet. Weiterlesen

Von wegen 3D

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 43/7 (2012), S. 54-55

Ein verdunkeltes Auge genügt, damit unser visuelles System zweidimensionale Bilder als räumlich wahrnimmt. Das macht sich bei bewegten Bildern als 3D-Effekt bemerkbar.

Unsere Sinne hintergehen
fortwährend den Verstand.
Michel de Montaigne (1533 – 1592)

http://www.spektrum.de/alias/schlichting/von-wegen-3-d/1152347

Eine schöne Visualisierung des 3D-Effekts (auch Pulfrich-Effekt genannt) gelingt zum Beispiel durch einen Film eines Kettenkarussells, das durch eine Brille mit einem abgedunkelten Glas betrachtet wird.

Schau nicht so genau hin

PicassoSchlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 43/5 (2012), S. 50 -51

Grob verpixelte Gesichter sind kaum zu erkennen – es sei denn, man vernichtet noch mehr Information.

Manche Dinge lassen sich nur aus der Ferne gesehen ausfinden,
und auch das Verkleinerungsglas kann auf Entdeckungen leiten.
Das Detail versteckt die großen Züge des Ganzen.
Georg Christoph Lichtenberg (1742 – 1799)

http://www.spektrum.de/alias/schlichting/schau-nicht-so-genau-hin/1149238

Hoch hinaus

Hochspannung_P1050771Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 41/10 (2010), S. 30-31

Vögel sind auch nur Menschen

Konrad Lorenz (1903 – 1989)

Vögeln, die auf Hochspannungsleitungen rasten, sollte eigentlich nichts geschehen. Doch das ist nur die halbe Wahrheit.

Natürlich gibt es eine einfache Erklärung dafür, dass Vögel unbeschadet auf Hochspannungsleitungen sitzen können. Die meisten von uns werden sie auch kennen. Warum aber sitzen die Tiere auf manchen Leitungen lieber als auf anderen? Warum scheint es eine Obergrenze der Spannung von 60-Kilovolt zu geben, welche die Vögel gerade noch tolerieren? Und warum achten sie auf einen Mindestabstand, wenn sich ein dritter Ankömmling zwischen zwei Sitzende drängt?
Während in Deutschland meist Erdkabel die Oberleitungen verdrängt haben, wurde die elektrische Energie in früheren Zeiten noch durch Freileitungen in die Häuser transportiert. Sie bestanden aus Strom führenden, nicht isolierten Drähten, und zum gewohnten Bild einer ländlichen Idylle gehörte es, dass die Vögel darauf wie Noten auf Notenlinien saßen. (Diese ergaben allerdings keine nennenswerte Melodie; Ausnahmen wie die unten angegebene bestätigen die Regel.). Dass den Vögeln ihr Sitzplatz nichts anhaben kann, war also Teil der Alltagserfahrung und darum wenig überraschend.
Sollte man sich aber nicht vielleicht doch darüber wundern, dass die Vögel keinen elektrischen Schlag bekommen?Wer im Haushalt eine stromführende Leitung berührt, wird Teil eines Stromkreises. Denn seine Füße sind mit dem Fußboden und dieser wiederum ist mit der Erde verbunden, die als Neutralleiter zum Kraftwerk fungiert. Dann kommt es unter anderem auf den Widerstand zwischen Erde und Füßen an: Ist er zu klein, kann der durch den Körper fließende Strom lebensgefährlich werden.
Vögel auf Freileitungen stehen indessen nicht in Kontakt mit der Erde. Damit ihnen ein Stromschlag droht, müssten sie schon zwei stromführende Leitungen, zwischen denen eine Spannung besteht, gleichzeitig berühren oder auch zwischen die Leitung und den erdverbundenen Strommast geraten. Kleinen Vögeln passiert dies selten, große jedoch erleiden vor allem aufgrund ihrer Flügelspannweite immer wieder tödliche Stromschläge. Die häufigste Todesursache für Weißstörche, so der Naturschutzbund Deutschland, sind Unfälle an Mittelspannungs-Freileitungen.
Im Großen und Ganzen aber dürften die Tiere nicht wählerisch bei ihrem Sitzplatz sein. Begeben wir uns also, auch wenn dies heutzutage einige Geduld erfordert, auf Ausschau nach Vögeln, die auf Hochspannungsleitungen rasten. Was sehen wir? Die fernen schwarzen Punkte haben keineswegs auf einer x-beliebigen Leitung Platz genommen.
Hochspannungsleitungen nutzen nicht nur die Erde als ″Rückleitung″ zum Kraftwerk, sondern außerdem einen zusätzlich mit der Erde verbundenen Neutralleiter. Dieser ist meist auf der Spitze der Hochspannungsmasten angebracht und, anders als die stromführenden Leiter, nicht durch Isolatoren von den Masten getrennt (siehe Abb. 2). Und tatsächlich: Genau hier, also auf dem Neutralleiter oder den Streben des eisernen Fachwerks der Masten, scheinen die Vögel mit Vorliebe zu sitzen. Haben sie mit den stromführenden Leitungen vielleicht doch unangenehme Erfahrungen gemacht?
Wenn sie die Leitungen im ″Sitzen″ mit beiden Füßen berühren, befindet sich zwischen diesen ein kurzes Leitungsstück. Könnte der Spannungsabfall bereits hier so groß sein, dass der über die Beine durch den Körper geleitete Strom zumindest zu unangenehmen Empfindungen führt? Nein, denn um Energieverluste gering zu halten, werden die Leitungen meist aus einer Eisenseele und darum gewickeltem Aluminiumdraht hergestellt. Der elektrische Widerstand dieser Leitungen ist so gering, dass zumindest auf sehr kurzen Strecken so gut wie keine Spannung abfällt. Es muss also andere Gründe geben, weshalb die Vögel den stromführenden Leitungen aus dem Wege gehen.
In der ornithologischen Literatur finden sich dazu sehr differenzierte Aussagen. Axel Donges von der Naturwissenschaftlich-Technischen Akademie in Isny berichtet, dass sich Vögel oberhalb einer durch die Kabel übertragenen Maximalleistung von etwa sechzig Kilowatt  nicht mehr auf Leitungsseilen aufhalten. Experimente mit Tieren in Gefangenschaft zeigten zwar, dass sie je nach Art auch höhere Spannungen akzeptieren. Die höhere Toleranz etwa von Brieftauben oder Staren dürfte sich allerdings auf ihre im Vergleich zur freien Natur geringeren Wahlmöglichkeiten zurückführen lassen.
Tatsächlich ist der durch die Leitungen fließende Wechselstrom von starken elektromagnetischen Wechselfeldern umgeben. So misst man an der Oberfläche der Leiter elektrische Feldstärken von bis zu 1500 Kilovolt pro Meter (kV/m) und magnetische Feldstärken von acht Millitesla. Nach heutigem Kenntnisstand gehen von magnetischen Feldern zwar keine nennenswerten Wirkungen auf den Organismus der Vögel aus. Das elektrische Wechselfeld jedoch macht sich durch gleich zwei Effekte bemerkbar. Zum einen lassen bereits Felder ab einer Stärke von fünf Kilovolt pro Meter die Behaarung von Säugetieren und die Federn von Vögeln vibrieren. Zum anderen wirkt der elektrisch leitfähige Vogelkörper, selbst wenn es nicht zum Kontakt mit dem Leiter kommt, wie eine Antenne. Durch kapazitive Ankopplung gerät er also unter Spannung, sodass elektrische Ströme fließen. Je nach Größe des Vogels erreichen sie einige hundert Mikroampère, auf die dann auch dessen Sinnesrezeptoren ansprechen. Mindestens einer der beiden Effekte wird von den Vögeln offenbar als unangenehm empfunden.
Vögel sind ″auch nur Menschen″, hatte einst der Verhaltensforscher Konrad Lorenz formuliert. Da stellt sich natürlich die Frage, ob Menschen auch Vögel sind, zumindest in der Hinsicht, dass sie ebenfalls ein Sensorium für elektrische Wechselfelder besitzen. Tatsächlich scheint es Menschen zu geben, die sich durch die Wirkungen von Wechselfeldern beeinträchtigt fühlen, weshalb nicht nur die Hochspannungsleitungen in der Nähe von Häusern, sondern auch die Stromleitungen in den Häusern selbst unter dem Stichwort Elektrosmog kontrovers diskutiert werden.
Eine weitere interessante Beobachtung kann gelingen, wenn man die Vögel bei ihrem Kommen und Gehen auf den Leitungen beobachtet: Sie nähern sich einander nur bis zu einem bestimmten Mindestabstand. Lässt sich eines der Tiere zwischen zwei bereits sitzenden Artgenossen nieder, so rückt meist derjenige zur Seite, dem der Neuankömmling zu nahe zu kommen droht. Versucht ein Vogel sich zwischen zwei andere zu drängen, die schon so dicht sitzen, dass der Mindestabstand in jedem Fall überschritten wird, werden manchmal sogar die übernächsten Nachbarn aktiv, um die Situation bereits präventiv zu normalisieren. Die hirnphysiologischen Mechanismen der Abschätzung des für sichere Starts und Landungen nötigen Sicherheitsabstands sind im einzelnen noch nicht geklärt. Da fallen einem natürlich eine ganze Menge Parallelen ein. Eine davon hat Petr Seba untersucht: Statistisch gesehen erzeugen Vögel beim Hinsetzen und Menschen beim Parken ihrer Autos dasselbe Lückenmuster. Menschen, so darf man schließen, sind also auch in dieser Hinsicht nur Vögel.

Literatur:

Sitzende Vögel als Melodiegeber: http://www.basicthinking.de/blog/2009/09/09/netzkunst-wenn-voegel-den-ton-angeben
Unfallgefahren durch Freileitungen: http://www.storchennest.de/de/index_storchenwelt_gefahren.html
Donges, Axel: Setzen sich Vögel wirklich auf Hochspannungsleitungen. MNU 53(6), S. 354, 2000. (dort weitere Literatur)
Seba, Petr: Parking and the visual perception of space. J. Stat. Mech., L10002, 2009.

 

Handgemachte Hologramme

Schlichting, H. Joachim; Ucke, Christian. In: Physik in unserer Zeit 40/6 (2009), 309 – 314

Wenn man die Reflexe einer Lichtquelle auf einer CD beidäugig betrachtet, kann man einen virtuellen, räumlich aus der CD herausragenden Lichtbalken sehen. Dieses an ein Hologramm einer zweidimensionalen Lichtspur erinnernde Phänomen lässt sich gezielt nutzen, um mit einfachen Mitteln räumliche
Bilder von einfachen Punktzeichnungen herzustellen.

PDF: Handgemachte Hologramme

Kinetische Farben

Schlichting, H. Joachim; Suhr, Wilfried. In: Physik in unserer Zeit 38/4 (2007) 198-200

Wer seine Hand mit gespreizten Fingern vor den Augen hin und herbewegt und dabei prächtige Farberscheinungen beobachtet, könnte geneigt sein, den symbolischen Sinn einer solchen Bewegung auf sich selbst zu beziehen. Woher sollten die Farben kommen, wenn weit und breit kein farbiges Licht zu sehen ist?

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

Energiehaushalt und Körperbau

Schlichting, H. Joachim; Rodewald, Bernd. In: Unterricht Biologie 10/12, 20-24 (1986).

Auch Lebewesen unterliegen physikalischen Gesetzmäßigkeiten. In diese gehen physikalische Größen ein, die sehr oft vom Volumen oder von einer Fläche (Oberfläche, Querschnittsfläche) des Lebewesens abhängen. Das Volumen V wächst mit der dritten Potenz der Körpergröße bzw. -länge, eine Fläche A jedoch nur mit dem Quadrat der Körpergröße. V nimmt daher mit wachsender Körpergröße schneller zu als A . Dieser einfache geometrische Sachverhalt hat zur Folge, daß alle physikalischen Größen, die durch das Volumen bestimmt sind, ebenfalls schneller mit L wachsen als die Größen, die durch eine Fläche bestimmt sind. Hieraus ergeben sich für Lebewesen weitreichende Konsequenzen.

PDF: Energiehaushalt und Körperbau

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