Die Welt physikalisch gesehen
Schwert der Sonne
Falsche Reflexionen?
Schaut man sich diese Szenerie genauer an, so könnte man den Eindruck gewinnen, dass bei der Spiegelung der Baumgruppe im Wasser irgendetwas nicht stimmt: Sowohl die hellen Lücken zwischen den Bäumen als auch die Bäume selbst werden auf dem Wasser nicht wie von einem ordentlichen Spiegel erwartet abgebildet; die Spiegelung wird gewissermaßen in die Länge gezogen.
Nun, der Spiegel ist nicht ordentlich. Er besteht aus einer welligen Oberfläche. Und die hat die Eigenschaft, das eintreffende Licht von mehreren Stellen aus in unsere Augen zu reflektieren. Wir kennen das Phänomen vom Schwert der Sonne, jener Lichtbahn auf dem welligen Wasser bei tiefstehender Sonne oder die Lichtbahnen von Straßenlaternen am Rande eines Gewässers. In diesen Fällen wird die Lichtquelle auch nicht an einer bestimmten Stelle gespiegelt, sondern an vielen jeweils passend geneigten Flanken der Wasserwellen, sodass in der Summe ein ganzer Wasserstreifen zu sehen ist.
Genau das ist auch hier der Fall: Das von den Punkten der Baumgruppe ausgehende Licht wird ebenfalls an zahlreichen Stellen des welligen Wassers gespiegelt und entsprechend in die Länge gezogen.
Ein Baum mit runden Zweigen?
Es sieht jedenfalls so aus, als würde der Baum im Gegenlicht einer Lichtquelle (hinter dem Baum versteckt) seine Zweige ringförmig um diese gruppieren. Das Faszinierende an dem Phänomen ist, dass das Ringsystem gewissermaßen mitläuft, wenn wir aus einer anderen Perspektive auf die Sonne blicken – das allerdings in Grenzen.
Wir haben es hier mit einem Phänomen zu tun, das in diesem Blog bereits in mehreren Varianten angesprochen wurde. Eine Variante tritt beim Blick durch eine zerkratzte Kunststoffscheibe auf, durch die man auf eine Lichtquelle blickt. Die Lichtquelle scheint von abschnittsweise konzentrischen Ringen umgeben. Das Phänomen lässt sich oft bei Flugzeugfenstern beobachten. Eine weitere Variante ist eine Autokarosserie, bei der die gespiegelte Sonnenscheibe im Zentrum von leuchtenden Kreisen umgeben erscheint.
Die leuchtenden, scheinbar konzentrischen Äste kommen dadurch zustande, dass das an passenden Astabschnitten (Einfallswinkel = Reflexionswinkel) reflektierte Licht einer vom Baum verdeckten Lichtquelle sich zu kompletten leuchtenden Ringen zu ergänzen scheint.
Da der Baum eine Trauerweide ist, kommen die langen, gebogenen Zweige zumindest im oberen Bereich der vermeintlichen Kreisförmigkeit bereits ein stückweit entgegen. Der Effekt geht mittlerweise jahreszeitlich bedingt im Zuge der zunehmenden Belaubung verloren. Im nächsten Winter wird man das Schauspiel dann erneut bewundern können.
Das eindrucksvolle Foto hat mir freundlicherweise Hans-Holger Wache zur Verfügung gestellt, der diese Aufnahme in Berlin machte.
Das Licht im Wasser
Kurz nach der Ankunft in der fremden Stadt erlebe ich die hereinbrechende Dunkelheit als passenden Abschluss der hinter mir liegenden langen Reise. Der Himmel ist mit einem dunklen Wolkenband zugezogen. Die ersten Lichter der Straßenbeleuchtung und der Autos blinken wie kleine Nadelstiche auf. Dann plötzlich flammt der bis dahin kaum noch zu erkennende Fluss über die gesamte überschaubare Länge leuchtend hell auf, so als würde er innerlich zu glühen beginnen.
Erst durch einen Blick nach oben komme ich in die Wirklichkeit zurück. Die Wolkenwand ist an einer Stelle aufgebrochen und die tief stehende Sonne zeigt sich noch einmal auf diese spektakuläre Weise. Diese Szene hat sich tief in meine Erinnerung eingeschrieben.
Das Foto ist nur der sichtbare Ausdruck des Geschehens, das sich aus der physikalischen Perspektive folgendermaßen darstellt: Wenn Licht auf eine Wasserfläche trifft, dringt ein Teil in das Wasser hinein. Ein anderer Teil wird gemäß Einfallswinkel gleich Reflexionswinkel vom Wasser reflektiert und zwar mit einer umso größeren Intensität, je flacher das Licht auf die Wasserfläche auftrifft. Wäre der Fluss spiegelglatt (sic!) würde man die Sonne an einer bestimmten Stelle im Wasser spiegelnd reflektiert sehen, nämlich dort wo der Reflexionswinkel gerade mit meiner Beobachtungsposition übereinstimmt. Da die Oberfläche des Wassers aber eine gewisse Welligkeit aufweist, wird das Licht den unterschiedlichen Wellenneigungen entsprechend in verschiedene Richtungen reflektiert. Das kennen wir beispielsweise von der Lichtbahn auf dem Wasser des Meeres, den die tiefstehende Sonne zum Beobachter hin auf dem Wasser entstehen lässt. Genau das ist auch hier der Fall. Die Lichtbahn (auch Schwert der Sonne genannt) ist offenbar breiter als der Fluss, sodass so gut wie keine dunklen Bereiche übrig bleiben und der Fluss in der überschaubaren Länge im Licht erstrahlt.
Leuchtende Lampions in den winterlichen Bäumen
Die ansonsten nicht gerade zimperliche Waldrebe überrascht durch ihre filigranen, silberfarbenen Samenstände, die besonders in der farbarmen Winterzeit auffallen. Jedes Früchtchen ist mit einem Federschweif ausgestattet, der als Flugorgan zur Ausbreitung durch den Wind dient.
Wenn sich wie in den vergangenen Tagen, die tiefstehende Sonne in den Schweifen verfängt, leuchtet der ganze Samenstand wie ein Lampion, indem das Licht an den zahlreichen feinen Filamenten gestreut wird (Fotos). Weiterlesen
Doppelreflexe der Sonne auf dem Wasser
Die Wasseroberfläche besteht aus einem fast spiegelglatten und einem etwas welligen Teil. Auf dem glatten Teil im Vordergrund ist ein Spiegelbild der Sonne zu sehen, das an einer durch den Beobachter und der Höhe der Sonne gegebenen Stelle (Einfallswinkel = Ausfallswinkel) zu sehen ist. Die Spiegelglätte dieses Teils der Wasseroberfläche ist außerdem gut zu erkennen an den Spiegelbildern der Spitzen zweier Bäume vom gegenüberliegenden Ufer. Außerdem wird die Blaufärbung des Himmels mit ihrer Verblassung zum Horizont hin gut wiedergegeben.
Im welligen Abschnitt des Gewässers (es handelt sich um einen Fluss mit von der Strömung weitgehend ausgenommenen Randbereichen) sieht man einen Teil des Schwerts der Sonne. In diesem Bereich wird die Sonne an den passenden Neigungen der räumlich und zeitlich variierenden kleinen Wellen in unsere Augen bzw. die Kamera reflektiert. Weiterlesen
Rätselfoto des Monats Februar 2021
Wie kommt es zu der Stabilität der Eisbrücken?
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Erklärung des Rätselfotos der Monats Januar 2021
Frage: Wie kommt es zu Form und Farbe des Sonnenreflexes?
Antwort: Dieses Foto wurde in etwa 10 km Höhe aus einem Flugzeugfenster gemacht.
Nach längerem Flug über einer dichten Wolkendecke bricht diese schließlich auf und gibt den Blick auf das Nordpolarmeer mit seinen teils schneebedeckten Eisschollen frei (Foto). Das Sonnenlicht wird in einem eindrucksvollen rot bis gelbfarbigen Schwert der Sonne vom dunkelblauen Meerwasser reflektiert. Davon ausgenommen sind die schneebedeckten Eisschollen, weil das Licht von ihnen nicht spiegelnd, sondern diffus reflektiert wird, was sich in einer richtungsunabhängigen Aufhellung bemerkbar macht.
An der eher runden Form der Lichtbahn kann man erkennen, dass die Sonne noch ziemlich hoch am Himmel ist. Es stellt sich daher die Frage, wieso hier bereits Dämmerungsfarben auftreten, die normalerweise nur zu sehen sind, wenn die Sonne tief steht und ein längliches vom Horizont ausgehendes Schwert hervorruft. Denn dann legt das Licht einen extrem langen Weg durch die dichte Luftschicht zurück und erleidet dabei entsprechend viele Streuvorgänge inklusive Mehrfachstreuungen. Die Ursache dafür ist in der ungewöhnlichen Beobachterposition zu sehen. Das reflektierte Sonnenlicht muss die dichte Luftschicht zweimal durchlaufen, bevor es in 10 km Höhe das Auge erreicht. Dabei treten ähnlich viele Streuvorgänge auf, wie wenn die Sonne am Horizont steht.
Rätselfoto des Monats Januar 2021
Wie kommt es zu Form und Farbe des Sonnenreflexes?
Erklärung des Rätselfotos des Monats Dezember 2020
Frage: Wie kommt es zu der doppelten Abbildung der Fenster?
Antwort: Obwohl das Phänomen durch kluge Kommentare bereits im letzten Monat weitgehend geklärt wurde, fasse ich noch mal zusammen und vertiefe in einigen Aspekten.
Die Aufnahme wurde im Flur eines altehrwürdigen Gebäudes gemacht. An den Abbildern der Fenster kann man erkennen, dass sie noch einfach verglast sind. Doppelt verglaste Scheiben liefern im Allgemeinen Lichtkreuze im Lichtkreis.
Von jeder durch die tiefstehende Sonne beleuchteten Scheibe wird ein Teil auf die Wand und eines auf den Fußboden projiziert, sodass das Licht durch diffuse Reflexion in unserer Augen gelangt. Der auf die Wand projizierte Teil wird außerdem vom glatten Fußboden spiegelnd reflektiert. Es sieht so aus, als würde der vom Fußboden gespiegelte Teil den diffus an der Wand reflektierten Teil zu einem Bild des gesamten Fensters ergänzen. Das ist jedoch nicht der Fall. Denn das Spiegelbild unterscheidet sich von einer Projektion dadurch, dass es je nach dem Standpunkt des Beobachters eine andere Lage annimmt. Außerdem ist zu erkennen, dass das Spiegelbild sich in der Spiegelwelt unterhalb des Bodens befindet.
Der Fliesenboden ist offenbar so glatt, dass er wie ein Spiegel wirkt. Er ist allerdings kein perfekter Spiegel. Denn ein solcher würde nicht als Projektionsfläche taugen – es würden also keine Projektionen der Fenster auf dem Boden auftreten. Der Boden ist aber gleichzeitig auch so matt, dass das auffallende Licht außerdem diffus reflektiert wird. Letzteres erkennt man auch an der gelblichen Farbe des Fußbodens.
Sonnenabbilder – Elemente des Schwertes der Sonne
Wenn ich am Ufer des Meeres die direkt auf mich zulaufende Lichtbahn der tiefstehenden Sonne auf dem Wasser beobachte, habe ich den Eindruck eines weitgehend einheitlichen Gebildes, einer Brücke des Lichts. Dieser Eindruck täuscht, denn dieses Schwert der Sonne setzt sich aus zahlreichen Lichtpunkten zusammen, die je nach der Orientierung der Wellenflanken, an denen das Licht in mein Auge reflektiert wird, mal hier und mal dort aufblitzen. Weil ich ein sehr großes Gebiet des Gewässers überblicke, sehe ich sehr viele Lichtblitze, scheinbar flächendeckend auf einen mehr oder weniger schmalen Streifen beschränkt. Weiterlesen
Rätselfoto des Monats August 2019
Fiel ein Tropfen Wasser oder ein großer Stein ins Wasser?
Erklärung des Rätselfotos des Monats Juli 2019
Frage: Wie kommt es zu den sechs verschiedenen Schattierungen?
Antwort: Ein Picknick am Ufer eines idyllischen Kanals in Ostfriesland im Schutz einer alten Brücke. Ich genieße den Blick auf das Wasser und empfinde die Mischung aus intensiven Farben, altem Ziegelbauwerk mit kräftig gelben Flechten übersät wie ein in Form und Farbe stimmiges Kunstwerk aus Natur und alter Technik. Hier stimmen die Proportionen, die Schattenränder und Reflexionen auf intuitiv empfundene Weise.
Doch nach einiger Zeit ergibt sich die Frage, wie eine einzelne Lichtquelle, die Sonne mit Reflexen und Schattenwürfen eine solche Vielfalt von Schattierungen hervorbringt, die aus mehreren unterschiedlich stark beleuchteten (mit den Ziffern 1 bis 5 bezeichnet) Bereichen bestehen.
Die Sonnenstrahlung fällt von schräg links oben ein und erhellt die Front der Brücke und einen Teil unterhalb des Brückengewölbes, der durch die halbkreisförmige Berandung begrenzt wird. Auf den ersten erscheint es merkwürdig, dass sich diese Berandung ohne merklichen Bruch auf der Wasseroberfläche fortsetzt und auch diese zu einem gewissen Grade aufhellt. Wie kann das sein? Das Wasser reflektiert das Sonnenlicht nicht nur spiegelnd, sondern auch diffus in alle Richtungen (2 und 5), also auch zum Beobachter hin bzw. in die Kamera. Dafür ist insbesondere die durch Schwebeteilchen im Wasser hervorgerufene Trübung verantwortlich. Die Tatsache, dass auch mein Schatten schemenhaft auf dem Wasser zu erkennen ist, zeugt davon: Ein perfekter Spiegel zeigt keine Schattenprojektion. Obwohl die Fortsetzung (2) der Aufhellung (1) an der rechtsseitigen bogenförmigen Berandung (5) zu erkennen ist, fällt auf, dass beim Übergang zwischen Wölbung und Wasseroberfläche ein gewisser Bruch auftritt. Dies ist der Tatsache geschuldet, dass die Flächen einen Winkel von etwa 90° zueinander aufweisen.
Die spiegelnde Reflexion der erhellten Wasseroberfläche führt ihrerseits dem Reflexionsgesetz entsprechend dazu, dass der an die direkte Aufhellung (1) des Gewölbes angrenzende Teil (3) angestrahlt wird, wenn auch nicht so stark. Beide aufgehellten Bereiche des Gewölbes spiegeln sich ihrerseits im Wasser. Das Spiegelbild des hellen Bereichs (1) führt zum Spiegelbild (4), was deutlich an den gespiegelten Ziegeln zu erkennen ist. Aber auch der durch den Reflex des Wassers beleuchtete Teil (3) spiegelt sich im Wasser (2) und lässt die Ziegelstruktur des Urbildes schemenhaft erkennen. Der am schwächsten erleuchtete Teil (5) gibt nur das oben erwähnte Streulicht ab und hat keine weitere Unterstützung durch spiegelnde Reflexionen des Gewölbes. Wenn man allerdings ganz genau hinschaut, dann sieht man, dass selbst der dunkelste Bereich unter dem Brückenbogen noch so viel Streulicht empfängt, dass eine schemenhafte Spiegelung des Ziegelgewölbes zu erkennen ist.
Zugegeben, dieser Beitrag wirkt fast wie die Lösung eine Puzzle-Rätsels. Wer jedoch daran interessiert ist, die unterschiedlichen Aufhellungen nicht nur pauschal als interessantes Reflexionsspiel der Natur auf sich wirken zu lassen, sondern allein mit dem fast schon als bloßer Ausdruck der Beschaffenheit der Welt geltenden Reflexionsgesetzt rekonstruieren möchte, kommt voll auf seine Kosten.
Obwohl auf diesem Foto nichts gestellt und manipuliert wurde, sondern lediglich die natürlichen Gegebenheiten wiedergegeben werden, wie sie im Moment der Aufnahme waren, bin ich doch einigermaßen erstaunt darüber welche komplexen Bilder durch einfache Reflexionen natürlicherweise entstehen können.
Sternenhimmel am Flugzeugfenster
Endlich mal ein Sternenhimmel, an dem die Sterne ihre zackige Sternform bewahrt haben. Zwar sieht man auch noch schemenhaft die typischen Spuren von Sternen, die auf Langzeitaufnahmen zeigen, dass sie scheinbar um den Polarstern kreisen – doch damit fällt das schöne Bild auseinander. Denn Fixsterne können nicht gleichzeitig auf demselben Foto fix sowohl in der Bedeutung von fest als auch von schnell bewegt sein. Weiterlesen
Rätselfoto des Monats Juni 2019
Wie kommt es zu der Karomusterung der Wasseroberfläche?
Erklärung des Rätselfotos des Monats Mai
Frage: Warum dominiert die Kreisförmigkeit?
Antwort: Die Blasen wurden auf der Wasseroberfläche in einer Regentonne beobachtet. Nachdem es aufgehört hatte zu regnen, tröpfelte das restliche Wasser noch eine ganze Zeit lang in die Tonne. Fast jeder Tropfen erzeugte dabei eine Blase. (Wie das möglich ist, kann man in einem früheren Beitrag nachlesen.) Es erscheint uns selbstverständlich, dass Blasen dazu tendieren, Kugelform bzw. auf dem Wasser das Zweitbeste, nämlich nahezu Halbkugelform anzunehmen.
Als Kugel nimmt die Seifenhaut die kleinste Fläche ein, um das gegebene Luftvolumen zu umschließen. Da zur Ausbildung der Seifenoberfläche Oberflächenenergie nötig ist, wird durch die kleinste Oberfläche die Oberflächenenergie minimiert. Dahinter steckt das Prinzip der Natur, unter den gegebenen Umständen so viel Energie wie möglich an die Umgebung abzugeben (2. Hauptsatz der Thermodynamik).
Wenn sich zwei Blasen zusammentun, ist die Vergrößerung der Oberfläche und damit der nötigen Grenzflächenenergie kleiner als die Summe der Vergrößerungen durch die einzelnen Blasen. Daher ziehen sich die Blasen an und bilden einen Blasenteppich anstatt einzeln auf der Wasseroberfläche zu driften. Die Anordnung in diesem Teppich ist der Tendenz nach hexagonal, weil dadurch ebenfalls eine Minimierung der eingenommenen Oberfläche erreicht werden kann. Und wenn die Umstände es erlauben, strebt auch noch der gesamte Blasenteppich zur Kreisform, weil auf diese Weise die Grenze zwischen Blasen und freier Oberfläche und damit abermals der Oberflächenenergie minimiert werden kann. Das ist im vorliegenden Beispiel nahezu realisiert.
Die Minimierung der Randlänge zwischen freier Wasseroberfläche und Blasenteppich findet man auch noch in der Lochform wieder, die durch die fallenden Tropfen gebildet wird.
Reine Wasserblasen sind sehr kurzlebig. Die Langlebigkeit der hier vorgefundenen Blasen ist der Verunreinigung des Wassers mit Pflanzenresten zuzuschreiben, die eine ähnliche Wirkung auf die Oberflächenspannung und damit auf die Lebensdauer der Blasen hat wie die Tenside bei Seifenblasen.
Senderos de luz en el agua
Schlichting, H. Joachim. Investigación y Ciencia Diciembre 2018 – Nº 507
Los reflejos sobre un lago o un río producen en ocasiones extrañas franjas claras y oscuras, un fenómeno que puede ser más complejo de lo que aparenta.
La superficie del agua nunca parece uniforme, ya que el movimiento del líquido modifica los colores y las formas que vemos en él. Sin embargo, si examinamos este efecto más a fondo, pronto descubriremos algunos fenómenos que, a primera vista, resultan desconcertantes.
Con independencia de su aspecto, la imagen reflejada siempre guarda alguna relación con el cielo y con los alrededores, de eso no cabe duda. Por lo general, ese vínculo puede encontrarse sin dificultades sin más ayuda que la ley de la reflexión. No obstante, si el viento produce olas que, además, se dirigen hacia el observador, a menudo cuesta entender las estructuras resultantes. Así puede ocurrir, por ejemplo, en la superficie de un río o un lago agitado.
Observe con detenimiento la primera imagen que reproducimos aquí. En ella podemos distinguir las «olas» (pequeñas ondulaciones, en realidad), puesto que sus flancos reflejan el gris del cielo, al tiempo que el área de las crestas hace lo propio con la tenue luz de los árboles cercanos a la orilla.
Las franjas verticales claras que van desde el borde superior de la imagen hacia el observador pueden atribuirse sin dificultad a los espacios que hay entre los árboles. Sin embargo, lo que no resulta evidente es hasta dónde se extenderán dichas franjas en el agua. Además, si el observador se mueve a lo largo de la orilla, las rayas parecerán desplazarse con él y continuarán apuntando en su dirección.
Espadas de sol
Esto nos trae a la cabeza otro fenómeno que tiene lugar en el agua y que podríamos denominar «espada de sol» (en honor a un capítulo de una de las obras de Italo Calvino), consistente en el reflejo alargado que deja el sol naciente o poniente sobre el líquido. Este conjunto de reflejos luminosos aparecerá en todos los lugares que presenten la orientación adecuada para enviar los rayos del sol (siempre que este se encuentre cerca del horizonte) hasta los ojos del observador. Sobre una superficie agitada y reflectante, existen incontables planos con esa propiedad. En nuestra primera fotografía, las zonas claras que hay entre los árboles oscuros adoptan el papel del sol. En consecuencia, no hay una sola «espada de luz», sino muchas de ellas…
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
Rätselfoto des Monats Februar 2018
Blick auf den inneren Boden eines Kochtopfes. Wie kommt es zu den Farb- und Ringstrukturen?
Licht, Kunst und Naturphänomene – kunstvoll leuchtende Glühlampen
Der Japanische Künstler Satoru Tamura (*1972) bringt im Zentrum für internationale Lichtkunst in Unna mit einem übergroßen elektrischen Schalter, den „Point of Contact for Unna“, eine Säule von Glühlampen zum Leuchten. Dieser ‚Schalter‘ besteht aus einer Messingstange und einer Stahlplatte, die – wenn sie offenbar ohne von außen beeinflusst zu werden – einander berühren, elektrische Funken sprühen, was vom Aufleuchten einer Säule von Lampen gefolgt wird. Weiterlesen
Lichtschwerter – auf dem Wasser und anderswo
Schlichting, H. Joachim. Naturwissenschaften im Unterricht 159/160 (2017) S. 14 – 15
„Der Reflex auf dem Meer entsteht, wenn die Sonne sich neigt: Vom Horizont her schiebt sich ein blendender Fleck zum Ufer, ein Streifen aus tanzenden Glitzerpunkten; dazwischen verdunkelt das Mattblau des Meeres sein Netz…, und der Sonnenreflex auf dem Meer wird ein schimmerndes Schwert, das sich vom Horizont heran bis zu ihm erstreckt…Während die Sonne tiefer sinkt, färbt der Reflex sich von schimmerndem Weiß zu kupfergoldenem Rot. Und wohin Herr Palomar sich auch wendet, stets ist er selber die Spitze des schlanken Dreiecks. Das Schwert folgt ihm und deutet auf ihn wie ein Uhrzeiger mit der Sonne als Zapfen“ (Calvino, Italo. Herr Palomar. München 1988, S. 18). Weiterlesen
Seelandschaft ohne Pocahontas
Endlich haben wir es geschafft, Arno Schmidts (1914 – 1979) Seelandschaft um den Dümmer zu erwandern. Um es vorweg zu sagen, Pocahontas* haben wir nicht getroffen. Dafür aber jede Menge elektromotorisierter Radfahrerinnen und Radfahrer, die für ihr Alter ziemlich fix den See auf dem Deichweg umrundeten, uns immer wieder auf den Grünstreifen zwangen und dadurch ein Stück weit von der Naturbetrachtung und Unterhaltungen abhielten. Dennoch waren die Eindrücke des Sees stärker und ich konnte die folgende Äußerung Schmidts gut nachvollziehen: Weiterlesen
Lichtbahnen über den Wellen
H. Joachim Schlichting. In: Spektrum der Wissenschaft 6 (2017), S. 58
Spiegelungen auf unruhigen Gewässern führen manchmal zu seltsamen hellen und dunklen Streifen.
Die Verbindungen von simpeln Gesetzen können
sehr verwickelte Erscheinungen gewähren.
Georg Christoph Lichtenberg (1752–1799) Weiterlesen
Rätselfoto des Monats Juni 2017
Wie kommt es zu dem tiefen Abgrund im Pool?
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Erklärung des Ratselfotos des Monats April 2017
Frage: Was macht die Pflanze so stark?
Antwort: Geht man davon aus, dass Pflanzensamen in kleine Risse des Asphalts geraten und ein Minimum an Erde und Feuchtigkeit vorfinden, so beginnen sie zu wachsen. Ein wesentlicher Mechanismus, Feuchtigkeit aufzunehmen funktioniert durch Osmose. Die Pflanzenzellen haben selektive Wände, die zum Beispiel reines Wasser durchlassen, nicht aber Pflanzensäfte. Da der Drang, sich zu vermischen, also eine möglichst einheitliche Lösung herzustellen, sehr groß ist, kann das Ziel nur dadurch erreicht werden, dass das Wasser durch die Wände in die Pflanze eindringt, umgekehrt aber kein Saft herauskann. Als zwangsläufige Folge erhöht sich der Druck in den Pflanzenzellen. Weil die Pflanzen die Flüssigkeit über die Wurzeln aufnimmt, spricht man auch vom Wurzeldruck. Erst wenn dieser so groß ist wie der durch das Mischungsbestreben bewirkte osmotische Druck wird die Wasseraufnahme gestoppt. Der Druck bei dem das passiert, kann mit bis zu 13 bar erstaunlich hoch sein. Bedenkt man, dass ein Autoreifen einen Druck von etwa 2 bar hat, so kann man sich die Sprengkraft, die dadurch bewirkt wird, gut vorstellen.
Wenn nach einigen Regentagen reife Kirschen platzen, so ist auch dafür der osmotische Druck verantwortlich. Er entsteht in diesem Fall dadurch, dass Regenwasser durch die selektive Haut der Kirsche ins Innere gelangt, um dem natürlichen Mischungsbestreben nachzukommen.
Der Ursprung vom „Schwert der Sonne“
Ich bin immer wieder gefragt worden, woher ursprünglich der Begriff „Schwert der Sonne“ für die Lichtbahnen auf dem Meer stammt, die vor allem über die Darstellung auf vielen Postkarten vom Urlaub am Meer eine gewisse Verbreitung erfahren haben. Kaum ein anderes physikalisches Naturphänomen ist so bekannt. Weiterlesen
Im Jahr des Lichts (12) – Eine Zwillingslichtbahn auf dem Rhein –
Eine Lichtbahn der Sonne wird auch „Schwert der Sonne“ genannt, weil es von der Sonne ausgehend wie ein glühendes Schwert auf dem leicht welligen Wasser zum Beobachter reicht. Im vorliegenden Fall ist es komplizierter: das Licht der tiefstehenden Sonne wird von zwei benachbarten Fenstern auf das Wasser reflektiert. Und weil das Wasser durch einen leichten Wellengang vielfältig geriffelt ist und im räumlichen und zeitlichen Mittel alle Winkel durchspielt, die der Wellengang erlaubt, prallt das Licht an all den geneigten Wasserflächen auf die es auftrifft ab. Weiterlesen
Flug nach Anchorage
Der Weg ist das Ziel. Von einem neunstündigen Nonstopflug kann man sich das aber nur schwer vorstellen. Und dennoch war der Flug von Frankfurt von Anchorage (Alaska) für mich ein Erlebnis, das ich nicht missen möchte. Ich hatte mir vorher nicht überlegt, wie man nach Anchorage kommt und war davon ausgegangen, dass man wohl in Richtung Nordwesten über die USA und Kanada fliegen müsste. Stattdessen flogen wir fast genau nach Norden: Dänemark, Norwegen und dann über das Nordpolarmeer mit seinen riesigen Packeisfeldern. Wir schrammten südlich am Nordpol vorbei und weiter ging es über das Eismeer bis wir schließlich Alaska erreichten. Das Flugzeug flog auf der kürzesten Verbindung zwischen Frankfurt und Anchorage und das ist ein Großkreis auf der Erdkugel. Spannt man auf einem Globus einen Faden straff zwischen den beiden Orten, so wird er automatisch diese Verbindung einnehmen. Jede Abweichung davon wäre nur mit einem längeren Faden darstellbar. Weiterlesen
Alltägliche Lichtbahnen mit interessanten 3D- Effekten
Schlichting, H. Joachim: Der mathematische und naturwissenschaftliche Unterricht 62/1 (2009) S. 34-40
Lichtbahnen beobachtet man nicht nur auf welligem Wasser, sondern auch auf beliebigen Oberflächen, die regelmäßige oder unregelmäßige Riefen oder Kratzspuren aufweisen. Diese Lichtbahnen können bei binokularer Betrachtung zu 3D-Phänomenen führen. Durch diese Beobachtung angeregt, können einfache 2D-Strukturen so mit ringförmigen Kratzern versehen werden, dass sie bei geeigneter Beleuchtung dreidimensional erscheinen und wie ein reales Objekt aus verschiedenen Winkeln betrachtet werden können.
„Der Mensch, das Augenwesen, braucht das Bild*“ Bildbeschreibungen als Zugang zu optischen Naturphänomenen
Schlichting, H. Joachim. In: Praxis der Naturwissenschaften. Physik in der Schule 55/3 (2006) 19 – 23
Was ist das Schwerste von allem?
Was dir das Leichteste dünket:
Mit Augen zu sehen,
was vor den Augen dir liegt.
Johann Wolfgang von Goethe
Unter Naturphänomenen versteht man normalerweise jene spektakulären Großereignisse wie Regenbögen, Koronen, Halos… Sie sind vielfach beschrieben worden und werden wohl auch in Zukunft immer wieder Gegenstand fachwissenschaftlicher und fachdidaktischer Auseinandersetzungen sein. Zahlreiche kleinere und unscheinbare Phänomene und auch solche, die es möglicherweise erst noch zu entdecken gilt, finden dagegen kaum Beachtung.
Auf solche alltäglichen Naturphänomene soll im Folgen-Hinterfragen von Selbstverständlichkeiten den aufmerksam gemacht werden mit dem Ziel, die Lernenden anzuregen, hinter dem Alltäglichen interessante physikalische Zusammenhänge aufzuspüren und auf diese Weise eine „neue“ Sichtbarkeit zu ermöglichen. Wir gehen dabei von der Überzeugung aus, dass es nicht ausreicht, die Lernenden in der Schule mit den physikalischen Grundkenntnissen (im vorliegenden Fall: Modell des Lichtstrahls, Reflexionsgesetz, Brechungsgesetz) auszustatten und zu erwarten, dass sie damit auch bereits in der Lage wären, diese Kenntnisse in realen Situationen anzuwenden…
* Leonardo da Vinci
The Glitter Path: An every day life phenomenon relating physics to other disciplines
Schlichting, H. Joachim. In: International Newsletter on Physics Education 2 (October 2004).
The many faces of the so-called glitter-path are presented to draw attention to a phenomenon which is not only interesting from a physical perspective, but is also important in other contexts. It is shown as well that this phenomenon can occur in many situations totally different from the original wet ambience.
PDF: The Glitter Path: An ervery day life phenomenon relating physics to other disciplines International
Das Schwert der Sonne – Alltägliche Reflexionen im Lichte eines einfachen optischen Phänomens. Teil 2: Mathematische Modellierung und Simulation
Schlichting, H. Joachim. In: Der mathematische und naturwissenschaftliche Unterricht 52/6, 
330-336 (1999).
In einem früheren Beitrag [1] wurde das u.a. als Schwert der Sonne bezeichnete Lichtphänomen in einigen seiner zahlreichen Varianten dargestellt und qualitativ physikalisch beschrieben. Im folgenden soll diese Beschreibung durch quantitative Zugänge ergänzt werden. Die Darstellung wird nicht so sehr dadurch motiviert, physikalische Beschreibungen würden erst in der quantitativen Modellierung zum Ziel kommen. Für viele Belange des Physikunterrichts erweist sich eine qualitative Darstellung als völlig ausreichend. Vielmehr soll eine Alternative zur weit verbreiteten Praxis des Physikunterrichts skizziert werden, Unterrichtsgegenstände stets auf jene Idealgestalten zu reduzieren, die dadurch zwar zugänglich gemacht, gleichzeitig aber so weit vom ursprünglichen Alltags- und Naturphänomen entfernt werden, daß die von ihnen ausgehende (meist nicht physikalisch begründete) Motivation zum Erliegen kommt. Beschreibt man demgegenüber die komplexen Phänomene mit Hilfe eines einfachen Algorithmus, dessen Ausführung mit ähnlicher Selbstverständlichkeit dem Computer überlassen werden kann, wie beispielsweise die Ausführung der Reihenentwicklung von sin (50°) dem Taschenrechner, so läßt sich das Schwert der Sonne mit vergleichbarem Aufwand „berechnen“ wie das Spiegelbild eines selbstleuchtenden Punktes. Denn in beiden Fällen wird nur das Reflexionsgesetz benötigt.
Damit ist bereits gesagt, daß wir uns auf die geometrisch optischen Aspekte des Phänomens beschränken. Die mit dem Einfallswinkel variierende Intensität des Lichtes (Fresnelsche Gleichungen) wird ebenso vernachlässigt, wie die Farbeffekte die zumindest bei den Lichtbahneffekten einer CD nicht zu übersehen sind. Auch jene Effekte, die aufgrund der zeitlichen Veränderung des Neigungswinkels zustandekommen, werden hier nicht betrachtet.
PDF:Das Schwert_der_Sonne_Alltägliche Reflexionen_Teil 2: Mathematische Modellierung und Simulation
Das Schwert der Sonne – Alltägliche Reflexionen im Lichte eines einfachen optischen Phänomens. Teil 1: Überblick und Phänomene
Schlichting, H. Joachim. In: Der mathematische und naturwissenschaftliche Unterricht 51/7, 387-397 (1998).
Ob man die silbrig blendenden, manchmal auch golden schimmernden Lichtstraßen der Sonne, die an Kometenschweife erinnernden Lichtspuren von Straßenlaternen und Autoscheinwerfern auf dem nassen Asphalt oder die konzentrischen Ovale auf einem Eßlöffel betrachtet, stets hat man es mit einem einfachen optischen Phänomen zu tun, dessen teilweise komplexe und subtile Erscheinung zu einer Schulung des physikalischen Sehens Anlaß geben kann. Es wird beabsichtigt, auf derartige Lichtstrukturen aufmerksam zu machen, und an ausgewählten Beispielen einen physikalischen Zugang zu skizzieren.
1 Das Phänomen
Schwert, Brücke. Delta, Obelisk der Sonne, Lieh/balm, Glitzerpfad (glitter path) oder – wie es in Rußland auch genannt wird – Straße des Glücks, sind nur einige der Namen, mit denen ein Lichtphänomen in literarischen Darstellungen den jeweiligen Eindrücken entsprechend beschrieben wird, das jeder schon einmal gesehen hat, aber dadurch wohl nur selten zu einer Erklärung veranlasst worden ist. Nimmt man die Häufigkeit der Beschreibungen von Schriftstellern und Dichtern sowie künstlerischen Darstellungen von Malern und Fotografen als Maß für die Auffälligkeit und Bedeutung des Phänomens, so stellt man mit Erstaunen fest , dass dem im Physikunterricht, in Lehr- und Schulbüchern kaum Rechnung getragen wird. Woher kommt diese Zurückhaltung, die bei anderen manchmal physikalisch viel schwieriger zugänglichen Naturphänomenen, wie etwa dem Regenbogen oder der Fata Morgana nicht in gleicher Weise festzustellen ist? Man kann nur vermuten, dass den Lichtbahnen aufgrund ihrer Alltäglichkeit wie anderen alltäglichen Dingen auch die Fragwürdigkeit abhanden gekommen ist und sie mit dem selbstverständlichen Hintergrund unserer Wahrnehmungen verschmolzen sind.
Um das Phänomen aus der physikalischen Perspektive betrachten zu können, muss man erst einmal lernen, es überhaupt wahrzunehmen. Der physikalische Blick kann dadurch schließlich so geschärft werden, dass Lichtbahnen auch in zahlreichen anderen Situationen und Varianten wahrgenommen werden, die mit dem ursprünglichen Phänomen nur noch einen physikalischen Zusammenhang aufweisen. Vielleicht wird dem Alltag auf diese Weise mit Hilfe der physikalischen Sehweise ein nicht ganz so alltäglicher Reiz abgewonnen… (weiterlesen im PDF)
PDF: Das Schwert der Sonne- Alltägliche Reflexionen_Teil 1: Überblick und Phänomene
Die Welt physikalisch gesehen 