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Sand

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Züngelnde Wasserflammen am Strand

wasserflammen_rvWie jeden Tag hatten ihn seine Schritte zum offenen Meer geführt. Sein Blick war vor ihm auf den Boden gerichtet, wo das abfließende Wasser züngelnde Flammen in den Sand gezeichnet hatte. Die Rinnsale, am Ende fadendünn, mündeten in immer beitere Verästelungen, in den weiten, lodernden Flächenbrand des Ozeans…
Lass die Wasserflammen brennen, lass die Wasserflammen brennen. Einmal sagt das Feuer: Es ist gut.*
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Sandstrukturen zwischen Physik und Poesie

Dünenlandschaften mit ihren vielfältigen Sandstrukturen haben trotz ihrer Lebensfeindlichkeit die Menschen immer wieder angezogen und verzaubert. Ralph Bagnold (1896 – 1990), einer der Pioniere der modernen Wüstenforschung, erinnern die virtuosen Gestaltbildungsvorgänge des Sandes sogar an Lebensvorgänge: Weiterlesen

Windbewegte Strukturen

sandstrukturen_dsc01544a_rv„Anstatt Chaos und Unordnung vorzufinden, wird der Beobachter nicht umhin können zu staunen über eine Einfachheit der Form, eine Genauigkeit der Wiederholung und eine geometrische Ordnung, die in der Natur jenseits der Größenordnung der Kristallstruktur unbekannt ist. An bestimmten Stellen bewegen sich enorme, millionen Tonnen schwere Anhäufungen von Sand unaufhaltsam in geordneten Formationen über die Oberfläche des Landes, indem sie wachsen, dabei ihre Gestalt bewahren und sich sogar in einer Weise fortpflanzen, die in ihrer grotesken Nachahmung des Lebens auf einen fantasievollen Menschen leicht verstörend wirken könnten (Übs. HJS)“. Mit diesen geradezu poetischen Worten beschreibt der wohl erste „Dünen-“ und „Sandwissenschaftler“ Ralph Bagnold (1896 – 1990) in seinem Buch „The Physics of Blown Sand and Desert Dunes. London: Methuen 1954“ seine Begegnung mit den Sandstrukturen in der Wüste.
Wissenschaftler und Poeten scheinen gleichermaßen von den vielfältigen, ästhetisch ansprechenden Strukturen im Sand fasziniert zu sein. So berschreibt der Schriftsteller Raoul Schrott (*1964) – offenbar von Bagnolds Ausführungen inspiriert – seine Begegnung mit den gemeinsamen Werken von Wind und Sand mit den folgenden Worten.
Die Springfracht desWindes bläst die Körner über Luv, kaum höher als ein oder zwei Fuß, bis sie am Kamm festgepreßt werden und schließlich wieder abgleiten; es ist wie mit den Wellen. Der Wind schiebt sie vor sich her. Manche stauen sich auf und werden so rund wie Walrücken.Einige kollidieren miteinander, rollen dann weiter und lassen hinter sich eine kleine, noch junge Düne zurück; solche grotesken Imitationen des Lebens wirken auf jemanden, der zu viel Phantasie hat, sehr leicht verstörend.“ (Raoul Schrott: Die Wüste Lop Nor. 2000).

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Eine Uhr im Sand

Im Gilf Kebir habe ich einmal die Zeit gesehen. Sie war ein Rispengras, das sich an seiner Ähre herabbog. Morgens kam der Wind von der aufgehenden Sonne und abends von dort, wo sie unterging. In ihm zeichnete das Gras einen vollkommenen Kreis in den Sand, wie eine Uhr, die keine Stunden kennt.

Raoul Schrott (*1964). Die Wüste Lop Nor. Frankfurt 2003

Auch wenn unsere Uhr nicht ganz komplett ist und die Zeit nicht durch die Sonne, sondern durch die Windrichtung bestimmt wird, so haben wir es doch mit einer geometrischen Form zu tun, die dem Sand das zeitliche Wirken des Windes einprägt – beides – wie die Zeit – keine haltbaren und reproduzierbaren Dinge. Eindrucksvoll ist trotzdem die geometrische Gestalt, die man in der Wüste so wohl kaum erwartet hätte. Sie hat den Spuren des Tieres eines voraus. Während diese beim nächsten Wind verschwinden, wird die „Sanduhr“ unablässlich aufgezogen. Solange der vertrocknete Grashalm seine Aufgabe als Zirkel zu erfüllen vermag, wird er windbewegt mit der Gestaltung und Erhaltung des Kreises befasst sein.

Der Ameisenlöwe oder: Wer andern eine Grube gräbt

ameisenloewe_rv-jpgWenn man einen Sandhaufen aufwirft und genügend lange daran arbeitet, wird man feststellen, dass der  Haufen zwar größer, ab einem bestimmten Winkel aber nicht steiler wird. Es stellt sich ein kritischer Schüttwinkel ein, der sich bei weiterem Aufwurf von Sand selbstorganisiert einreguliert. Sobald nämlich in einem solchen kritischen Zustand weiterer Sand auf den Haufen niedergeht, werden mehr oder weniger kleine Lawinen ausgelöst, sodass wieder Sandkörner liegenbleiben, bis abermals Lawinen abgehen usw. Der kritische Zustand bleibt auf diese Weise erhalten. Weiterlesen

Wie Sand am Strand

Schlichting, H. Joachim. Naturwissenschaften im Unterricht Physik 159/160 (2017) S. 56 – 57

Trockener Sand rinnt wie eine Flüssigkeit durch die Finger. Vom Wind verweht, bildet es jedoch teilweise sehr komplexe wellenartige Muster aus, die sich als Sandrippel und Sanddünen fortbewegen. Am Strand sinkt man tief in den trockenen Sand ein. Es ist anstrengend darüber zu laufen. Lässt man den Sand in Gefäße fließen, so nimmt er nahezu wie eine Flüssigkeit die Gefäßform an. Weiterlesen

Ton in Ton

Beobachterbeobachter

„Ringsum nichts als Sand, die rötlichen Gebirge in der Ferne, ferner als man vorher geschätzt hat, vor allem Sand und nochmals Sand, gelblich, das Flimmern der heißen Luft darüber, Luft wie flüssiges Gas“ (Max Frisch. Homo  Faber). Und mittendrin eine, die ihr Outfit der überwiegenden Farbe angepasst und nun gefangen im überbordenden Gelbton die Rückwirkung auf sich zu spüren scheint. Jedenfalls stand sie sehr lange bewegungslos an diesem Schnittpunkt zweier Grenzlinien.

 

 

Elektrisierender Sand

In: H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 5 (2017), S. 64 – 65

Ist etwa die Luft so elektrisch,
wie die See salzig ist?
Georg Christoph Lichtenberg (1742–1799)

Sandkörner in einem Sturm können sich bei Zusammenstößen gegenseitig aufladen und starke elektrische Felder erzeugen. Weiterlesen

Dekorative Sandbilder

sandbilder001Eine Frau sitzt in ihrer Kammer, das Gebetbuch in der Hand. Es ist sonntäglich aufgeputzt, der Sand gestreut, so heimlich rein und warm.

Georg Büchner. Lenz. Frankfurt 1988

Als wir bei der Renovierung eines alten Arbeiterhauses (Baujahr 1840) in Ostfriesland auch den in neueren Zeiten gefertigten Steinfußboden erneuerten, fanden wir darunter auf dem festgestampften Kleiuntergrund eine Sandschicht, die wir hier nicht erwartet hätten. Ein Handwerker erklärte uns, dass dieser Sand vermutlich daher rühre, dass sonntags der Boden mit Ornamenten aus Sand geschmückt wurde (siehe Foto) und dies die Überreste derartiger wiederholter Aktionen sei.
Später erfuhr ich auf einem Handwerksmarkt, auf dem auch die alte Praxis der Sandbilder demonstriert wurde (daher stammt das Foto), dass das künstlerische Sandstreuen meist auf Holzböden praktiziert wurde, bei ärmeren Haushalten, die sich keinen Holzfußboden leisten konnten – wie offenbar im vorliegenden Fall – schmückte man auch den nackten Boden. Der Handwerker hatte also wohl richtig gelegen mit seiner Interpretation der Herkunft der Sandschicht.

Sanddünen – das reinste morphologische Paradies

Wüste-bei-Sonnenaufgang„Die Wüstenlandschaft ist immer am schönsten im Zwielicht der Morgen- oder Abenddämmerung. Das Gefühl für Entfernung fehlt dann: Ein naher Hügel kann wie ein weitentfernter Höhenzug wirken, jedes kleine Detail kann zu einer Größe erster Ordnung im monotonen Thema der Landschaft werden.
…es schien ihr, daß sich die Landschaft überhaupt nicht veränderte, daß sie sich überhaupt nicht fortbewegten und daß die Düne, an deren scharfem Rand sie jetzt entlang ritten, die gleiche war, die sie vor langer Zeit hinter sich gelassen hatten, und daß es unmöglich war, daß sie irgendwo hingelangten, da sie sich ja nirgends befanden“
(Paul Bowles: Himmel über der Wüste). Weiterlesen

Spuren am Strand

Spuren_am_StrandBei der Erschließung der Vergangenheit und der Welt schlechthin sind wir oft darauf angewiesen, uns mit Spuren auseinanderzusetzen, um sie zu deuten und daraus Erkenntnisse zu gewinnen, die auf andere Weise nicht zu erlangen wären. Diese Spurensuche kann insbesondere in den Naturwissenschaften zu Ergebnissen führen, die man so vielleicht nicht erwartet hätte: „Wir haben an den Gestaden des Unbekannten eine sonderbare Fußspur entdeckt. Wir haben tiefgründige Theorien, eine nach der anderen ersonnen, um ihren Ursprung aufzuklären. Weiterlesen

Sanddünen und Emergenz

SanddünenK Weiterlesen

Verwehte Spuren im Sand

Spuren-im-Sand-2Die vom Vortag zeugenden Fußspuren sind durch den Sandsturm in der Nacht nicht verschwunden, sondern wurden nur modifiziert bzw. harmonisch in das übrige Netzwerk der Sandrippel integriert. Umgekehrt sind sie nicht ohne Wirkung auf die übrige Rippelbildung geblieben. Man hat den Eindruck, dass auch sie sich der Störung durch die Fußspuren angepasst und ganz anders strukturiert worden sind als es bei ungestörter Sandfläche der Fall gewesen wäre.

Die physikalischen Gesetze, die zu dieser Strukturbildung führen, sind weitgehend bekannt (Strukturen im Sand). Die komplexen Randbedingungen, die dem vorliegenden Muster zugrunde liegen, legen allerdings eher einen ästhetischen als einen physikalischen Zugang nahe. Das Muster angemessen zu beschreiben ist schwierig, weil man sich keiner Vergleichsbilder bedienen kann. „Denn man ist in einem abstrakten Universum das keine Beziehung mit einem andern Universum hat. Für die meisten übrigen Formen der Natur, wie etwa für die Bäume und für die Berge kann man vergleichbare Bilder finden, aber nicht für die Formen welche durch den Sand entstehen“ (Italo Calvino)

Zur Lesbarkeit von Sanddünen

SanddünenSandwüsten haben trotz ihrer Lebensfeindlichkeit etwas Faszinierendes. Das Erscheinungsbild der Dünen ist ihrem windgeborenen Ursprung entsprechend von einem stromlinienförmigen Profil geprägt und erinnert an organische Gestalten. Italo Calvino sieht es folgendermaßen: „Ich geriet in eine Sandwüste. Meine Füße versanken beim Weitergehen in Dünen, die irgendwie alle verschieden und doch alle fast gleich waren. Je nachdem, von wo aus man sie betrachtete, sahen sie aus wie liegende Körper. Dort schien sich ein Arm abzuzeichnen, der auf einem zarten Busen ruhte, die geöffnete Hand unter eine liegende Wange geschmiegt, hier schien ein junger Fuß mit schlanker Zehe hervorzuragen. Ich hielt inne, um diese möglichen Analogien zu betrachten…(Italo Calvino (1923 – 1985). Weiterlesen

Sand im Getriebe der Welt

Sand-1Wie Sand am Meer
Moses

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Gemalte Gebirgslandschaften am Strand

SandliniengebirgeAm Strand, dem Saum zwischen Wasser und Land, sollte man sich eine Zeitlang auf das ewige Hin- und Her des auflaufenden und ablaufenden Wassers einlassen. Dann bemerkt man vielleicht, dass die sich wiederholenden Vorgänge ähnlich aber nicht identisch sind. Jede neue Welle nimmt eine geringfügig andere Richtung ein als die vorhergehende und läuft unterschiedlich weit auf den Strand auf. Weiterlesen

Spuren im Sand

Sandspuren042„Was das hier wäre?: „Na, ein Traktoren-Tanzplatz; unverkennbar.“ Denn die grobgeperlten, geriffelten, profilierten, conti-gesohlten Spuren überschnitten, kreuzten, ringelwurmten, walzten, derart um- & durcheinander, daß es rational-rationell schwerlich mehr zu erklären war: „Gleich hinter Mitternacht, wenn sich der träge Nordbär umgekehret, mach sie sich los: brummldieknubbldiebrapp“ (Arno Schmidt: Die Wasserstraße).

Weit gefehlt: Es sind Spuren von Käfern in einer Sandwüste. Sie wurden des Nachts hinterlassen, am sonnigen Tage findet man von den Käfern keine Spur – nur ihre Spuren.

Hart wie ein Brett

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 43/6 (2012), S. 48-49

Verpackt man körnige Lebensmittel unter Luftabschluss, leisten sie erbitterten Widerstand gegen jegliche Verformung.

Schließlich ist das Einzige, was wir uns dem
unbegrenzten Raum zum Trotz ausdenken können,
die Kunst der Konzentration, der Sammlung,
der Einnahme einer möglichst geringen Oberfläche.
Andrzej Stasiuk (*1960)

http://www.spektrum.de/alias/schlichting/hart-wie-ein-brett/1149969

Einfache Experimente zur Selbstorganisation – Strukturbildung bei Sand und anderen Granulaten

Sandruettelstruktur004arvNordmeier, Volkhard; Schlichting, H. Joachim. In: Unterricht Physik_17_2006_Nr. 94, S. 28 – 31 (geringfügig geänderte Version)

Natur organisiert sich selbst. Dies zeigt sich in den vielfältigen Mustern und Strukturen der unbelebten wie auch der belebten Natur, Selbstorganisationsphänomene sind jedoch komplex. und ihre Erklärung ist anspruchsvoll. Dennoch ist es möglich, wesentliche Ideen der Selbstorganisation – insbesondere der Strukturbildung – auch Schülerinnen und Schülern in der Sekundarstufe I zugänglich zu machen.

Freihandexperimente mit granularer Materie bieten einen intuitiven Zugang zu Phänomenen der Selbstorganisation. Wir zeigen hier einige der besonderen Eigenschaften von Sandkörnern und an- deren Granulaten. wie sie durch Zufuhr von mechanischer Energie zu kollektivem Verhalten angeregt werden und wie dabei vielfältige, auch ästhetisch ansprechende Muster entstehen können.

PDF: Einfache Experimente zur Selbstorganisation

Ein Sandhaufen mit Erinnerung – Experimentelle Untersuchungen zur Selbstorganisierten Kritikalität

Nordmeier, Volkhard; Schlichting, H. Joachim. In: Physik in der Schule 35/5, 192-195 (1997).

Als ein Paradigma für sich selbst organisierende kritische Phänomene hat sich seit einigen Jahren die Theorie der selbstorganisierten Kritikalität (SOK) (vgl. [1], [2]) in der nichtlinearen Physik etabliert.
Nach dieser Theorie entwickeln sich viele Systeme unabhängig von ihrem Anfangszustand ‚von selbst‘ zu einem kritischen stationären Zustand hin. Obwohl  sich hier schon kleinste Störungen über alle Größenordnungen hinweg  bemerkbar machen können, finden diese Systeme stets von selbst in den kritischen Zustand zurück. Ein bekanntes, auch mit Mitteln der Schulphysik erforschbares System stellt beispielsweise der Sandhaufen dar: Je größer er wird, um so steiler werden seine Seiten, jedoch nur so lange, bis die Neigung einen kritischen Wert annimmt, der trotz weiterer Sandzufuhr beibehalten wird.

Im folgenden werden experimentelle Arbeiten zu diesem Themengebiet  vorgestellt, die die typische Dynamik eines Sandhaufens beschreiben und zudem Aufschlüsse über die zugrundeliegenden Gesetzmäßigkeiten der SOK geben.

PDF: Ein Sandhaufen mit Erinnerung – Experimentelle Untersuchungen zur Selbstorganisierten Kritikalität

Strukturen im Sand – Kollektives Verhalten und Selbstorganisation bei Granulaten

Schlichting, H. Joachim; Nordmeier, Volkhard. In: Der Mathematische und Naturwissenschaftliche Unterricht 49/6, 323-332 (1996).

Sand und andere Granulate eignen sich als Modellsubstanzen zur Untersuchung wesentlicher Aspekte von Phänomenen und Mechanismen der  Selbstorganisation in Vielteilchensystemen. Es wird anhand einfacher, mit schulischen Mitteln durchführbarer Experimente gezeigt, daß Sand- und andere Granulatkörner, die in der Schlichtheit ihrer Gestalt und Wechselwirkungen untereinander kaum zu unterbieten sind, durch relativ unspezifische Zufuhr von  mechanischer Energie zu einem kollektiven Verhalten angeregt werden können,  das in äußerst reichhaltigen und auch ästhetisch ansprechenden (dissipativen) Strukturen einen sichtbaren Ausdruck findet.

PDF: Strukturen im Sand – Kollektives Verhalten und Selbstorganisation bei Granulaten