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Selbstorganisation

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Viskoses Verästeln in Physik und Kunst

Im Rahmen der nichtlinearen Physik stehen oft Experimente im Vordergrund, die im weitesten Sinne mit Strukturbildung zu tun haben. Diese Strukturen und ihre dynamischen Veränderungen sind oft von großem ästhetischem Reiz. Lange bevor im heutigen Sinne von nichtlinearer Physik die Rede war, haben Künstler wie etwa Max Ernst bestimmte Maltechniken benutzt, die heute im Rahmen der nichtlinearen Physik von Interesse sind.

Max Ernst nutzt beispielsweise die Bildung von fraktalen Formen durch die Décalcomanie genannte Technik, bei der er mit einem Pinsel Deckfarben auf einem Blatt Papier verteilt, ein zweites Blatt auf die frische Farbe legt und dann beide Blätter trennt, indem er sie vorsichtig auseinanderzieht. Die dadurch entstandenen Zufallsgebilde, die Assoziationen von Felsen, Wasser- und Korallenlandschaften wachrufen, werden von Ernst gezielt eingesetzt, um das schöpferische Potenzial des Unbewussten fruchtbar zu machen. Diese Art der Formfindung kann als konsequente Umsetzung der surrealistischen „écriture automatique“ in der Malerei angesehen werden. Allerdings half der Maler dem Zufall etwas nach, indem er die natürlicherweise entstandenen Strukturen der künstlerischen Absicht entsprechend in entscheidenden Details veränderte.

Derartige fraktale Gebilde kann man genießen, man kann sich aber auch dadurch motivieren lassen, ihr Zustandekommen verstehen zu wollen. Denn es sind einfache, aber nichtlineare Mechanismen, die dieser Strukturbildung zugrunde liegen.
Für eigene Experimente besonders geeignet sind Overheadfolien. Dazu bekleckst man die Folie z.B. mit Öl- oder Akrylfarbe. Man kann sie aber auch weiter künstlerisch gestalten. Anschließend legt man vorsichtig eine zweite Folie darüber und presst beide sorgfältig zusammen, sodass keine Luft mehr zwischen ihnen eingeschlassen ist. Anschließend zieht man die obere Folie wieder ab. Da die Natur sich gegen ein Vakuum sträubt, ist das nur möglich, wenn von den sich trennenden Rändern der Folien her Luft eindringt. Dabei muss sie die dickflüssige Farbe verdrängen. Wenn aber ein Fluid, hier die Luft, ein dickflüssigeres (viskoses) Fluid (hier die Farbe) verdrängt, dann geschieht dies nicht auf breiter Front, sondern erfolgt durch viskoses Verästeln. Die dadurch entstehende fraktale Struktur macht den Reiz des entstehenden Bildes aus, die auch Max Ernst und andere zu schätzen wussten.

Rätselfoto des Monats September 2021

Warum ordnet sich der lockere Split allein infolge der Benutzung der Straße wellenförmig an?


Erklärung des Rätselfotos des Monats August 2021

Frage: Warum ist die Spiegelung im Schatten besser?

Antwort: Das schräg von links einfallende Sonnenlicht wird im hinteren Teil der Wasseroberfläche sowohl spiegelnd als auch an den braunen Schwebstoffen im Wasser diffus reflektiert bzw. gestreut. Aus unserer Position bzw. der des Fotografen sehen wir aber nur die diffuse Reflexion, durch die das Sonnenlicht in alle Richtungen gestreut wird – also auch in unsere Augen. Und obwohl die Intensität des gespiegelten Lichts auf der Wasseroberfläche wesentlich größer ist, bekommen wir davon nichts mit, weil nach dem Reflexionsgesetz: Einfallswinkel = Reflexionswinkel das Licht nach schräg rechts reflektiert wird. Wenn man dort stünde und auf das Wasser in Richtung Sonne blickte, würde einem das gespiegelte Licht blendend in die Augen fallen.
Der (bezüglich des Sonnenlichts) beschattete Bereich im Vordergrund wird lediglich vom Streulicht des Himmels und anderer Objekte wie etwa der Bäume und der Häuser im Hintergrund beleuchtet. Dabei wird es im Wasser ebenfalls spiegelnd und diffus reflektiert. Diesmal kommt das Licht jedoch aus Richtungen, aus denen es spiegelnd in unsere Augen gelangt. Das auch in diesem Fall an den Streuteilchen im Wasser diffus reflektierte Licht ist jedoch von so geringer Intensität, dass es kaum störend in Erscheinung tritt.
Schaut man sich die Szenerie genauer an, so erkennt man, dass ein Teil des in der Sonne liegenden rechten Brückenbogens hell genug ist, um die diffuse Reflexion des Sonnenlichts wenigstens teilweise zu überstrahlen.

Der Paranusseffekt ohne Paranuss

Es kullert, bullert, rollt und rüttelt,
Wird auf und nieder durchgeschüttelt,
Bis das geplagte Element
Vor Angst in Groß und Klein sich trennt.

frei nach Wilhelm Busch

Der Paranuss-Effekt* geht auf die Erfahrung zurück, dass z.B. in einer Müslimischung die größten Bestandteile, wie Nüsse, Früchte… meist obenauf liegen. In amerikanischen Mischungen sind das meistens die Paranüsse (Brazil nut). Dies ist nicht etwa darauf zurückzuführen, dass man diese Teile zuletzt in die Tüten gefüllt hat. Vielmehr haben sie sich durch die Erschütterungen während der Transportwege dorthin verlagert.
Der Effekt lässt sich leicht selbst nachvollziehen, wenn man ein Marmeladenglas u.Ä. etwa bis zur Hälfte mit vielen kleinen und wenigen großen Teilen (z.B. Plastikkugeln oder auch Nüssen) füllt und durch Auf- und Abbewegung schüttelt. Die großen landen schließlich oben.
Der Effekt kommt dadurch zustande, dass beim Schütteln kurzfristig kleine Hohlräume zwischen den Teilen entstehen. Die kleinen Teile können leicht hineingeraten, die großen Teile sind dafür zu groß, sodass sie bei jedem Auf und Ab ein Stück weiter angehoben werden und schließlich oben landen.
Sind die großen Teilchen jedoch wesentlich schwerer (größere Dichte) als die kleinen so tritt der Effekt nicht auf oder es passiert sogar das Gegenteil (umgekehrter Paranusseffekt). Auch andere Einflüsse wie die unterschiedliche Form, Oberflächenbeschaffenheit u.Ä. können zu anderen Resultaten führen. Genaueres siehe hier.


* A. Rosato, K. J. Strandburg, F. Prinz, R. H. Swendsen: Why the Brazil Nuts Are on Top: Size Segregation of Particulate Matter by Shaking (Phys. Rev. Lett. 58/10, 1038 (1987))


Dreieiniger Baum

Manchmal wird ein Geheimnis erst sehr spät gelüftet. Der auf dem Foto zu sehende Querschnitt eines Baumes, der beim Fällen ans Tageslicht kam, zeigt, dass er aus drei verschiedenen Bäumen hervorgegangen ist. Diese standen so dicht beieinanderstanden, dass sie sich während des Wachstums immer näher kamen, sich schließlich berührten und unter Druck setzten, der darin endete, dass sie zusammenwuchsen. Sie gaben ihre Individualität zugunsten eines dreieinigen Baumes auf. Jedenfalls stelle ich mir das so vor.
Die ursprünglichen drei Individuen kann man an den drei Systemen von Jahresringen erkennen, von denen später in größerer Höhe nichts mehr zu erkennen war.
Schaut man genauer hin, so erkennt man, dass vermutlich noch ein weiterer kleiner Baum in den vereinigten Wachstumsprozess mit einbezogen wurde. Der Farbe nach zu urteilen ist er jedoch im weiteren Wachstumsverlauf abgestorben und wäre bei einem Querschnitt in größerer Höhe wohl nicht mehr zu sehen gewesen.

Eis ist mehr als gefrorenes Wasser

Gefrierendes Wasser und schmelzendes Eis präsentieren sich unter natürlichen Bedingungen in einem überbordenden Gestaltreichtum, der durch die physikalische Beschreibung als Phasenübergänge von flüssig nach fest und fest nach flüssig nur unzureichend erfasst wird. Den jeweiligen äußeren Umständen entsprechend laufen der Kristallisations- und Schmelzprozess meist in Wechselwirkung mit anderen physikalischen Vorgängen ab, die zu sehr komplexen und nicht selten ästhetisch ansprechenden Kompositionen aus Eiskristallen im jeweiligen Kontext der natürlichen Umgebung führen können. Zwischen streng geometrisch aufgebauten hexagonalen Kristallstrukturen und organisch wirkenden floralen Mustern entfalten sich zahlreiche Mischformen, deren Zustandekommen – wenn überhaupt – nur durch detektivische Kleinarbeit physikalisch zu entziffern ist.
In einigen der ausgewählten Fotografien drängen sich Korrespondenzen zwischen Eismustern und organischen Strukturen auf. Es entfaltet sich so etwas wie ein anspielungsreicher, stummer Dialog zwischen zwei Sphären, die wir als völlig verschieden wahrzunehmen gelernt haben. So scheinen sich die Eisblumen am Fenster in ihrem Gestaltreichtum an floralen Mustern zu orientieren und es sieht so aus, als ob die Raureifnadeln am Tannenzweig lediglich die realen Tannennadeln imitierten.
Ich werde über die Wintermonate immer mal wieder ein Foto auswählen das ein interessantes Szenario zwischen Gefrieren und Schmelzen aufzeigt oder einfach nur schön ist. Die unmittelbare Wirkung auf den Betrachter steht im Vordergrund.

 

 

Dünen halten Abstand

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 10 (2010), S. 79 – 80

Wer widersteht dem Strome
seiner Umgebungen?

Johann Wolfgang von Goethe (1749 – 1832)

 Kleine Dünen bewegen sich schneller als große. Dennoch holen die kleinen die großen nicht ein, weil sie durch einen kürzlich entdeckten Strömungsmechanismus auf Abstand gehalten werden. Weiterlesen

Rätselfoto des Monats Februar 2019

Wie kommt es zu dieser „Schneerolle“?


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Ich bin Feuer und Flamme für die Kerze – 2. Advent

Zündet man eine Kerze an,
erhält man Licht.
Vertieft man sich in Bücher,
wird einem Weisheit zuteil.
Die Kerze erhellt die Stube,
das Buch erleuchtet das Herz.“

Aus China

Lichttechnisch gesehen ist die Kerze ein Fossil, aber ein liebenswertes, das nicht mehr notwendigerweise der Beleuchtung, sondern eher der Erleuchtung und der Schaffung einer stimmungsvollen Atmosphäre dient. Die Menschen, die seinerzeit auf die Kerze als Beleuchtungsmittel angewiesen waren, sahen die Situation daher weitaus nüchterner. Selbst der Dichterfürst Goethe, sonst um keine poetische Wendung verlegen, stellt schlicht fest:

Wo Lampen brennen, gibts Ölflecken,
wo Kerzen brennen, gibts Schnuppen,
die Himmelslichter allein
erleuchten rein und ohne Makel.

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Zur konstruktiven Rolle des Fallens

Als ich in einer Dünenlandschaft Sandrippel fotografierte, fiel mir eine runde Objektivschutzkappe aus der Hand und machte sich rollend davon (zum Vergrößern auf Bild klicken). Angetrieben durch den über die Dünen streichenden Wind rollte sie über den welligen Untergrund der Sandrippel und hinterließ eine interessante Spur. Vor die blitzschnell zu entscheidende Alternative gestellt, die Spur zu fotografieren und möglicherweise der Kappe verlustig zu gehen oder die Verfolgung sofort zu starten, entschied ich mich für ersteres. Weiterlesen

Rippelpisten im urbanen Raum

In diesen Tagen wurden die Straßen in unserer Gegend „ausgebessert“, indem sie eingeteert und anschließend reichlich mit Split bestreut wurden. Man überlässt jetzt den AutofahrerInnen die Arbeit, unfreiwillig diese Teilchen in den geteerten Untergrund einzuwalzen. Wenn dann zwei oder drei Wochen vergangen sind, wird der nicht befestigte Rest des Splits mit einer Fegemaschine wieder „eingesammelt“. Was die AutofahrerInnen von dieser Aktion vor allem mitbekommen, sind die an die Innenwände der Kotflügel prasselnden Teilchen, die von den rotierenden Rädern hochgeschleudert werden und dass sie in dieser Zeit wegen der eingeschränkten Bodenhaftung und der damit verbundenen Schleudergefahr nur mit einer Geschwindigkeit von 30 km/h fahren dürfen. Weiterlesen

Wie Kreise zu Sechsecken werden

Obwohl die geometrische Idealgestalt des Kreises in der Natur nicht vorkommt, gehört das Kreisförmige zu den wesentlichen Bauprinzipien in den unterschiedlichsten Bereichen und Größenordnungen. Denn der Kreis realisiert das ökonomische Prinzip einer gegebenem Fläche mit dem kürzest möglichen Umfang und damit der kürzesten Grenzlinie. Da die Ausbildung von Grenzen meist mit größerem Aufwand an Energie und Materie verbunden ist, sind kurze Grenzen von Vorteil.
Das entsprechende Pendant im Räumlichen ist die Kugel. Sie begrenzt ein Volumen mit der kleinsten Grenzfläche. Weiterlesen

Hunde wollt ihr ewig leben?

Er sitzt hier zwar schon einige Zeit und hat verschiedene Gestalten durchlaufen. Die dunklen Partien seines Fells sind erst in den letzten Tagen so richtig hervorgetreten. Ich bin gespannt, wie lange er es unter den derzeitigen Bedingungen noch macht.

Wer genaueres für diese merkwürdige Art der Strukturbildung wissen möchte, kann hier nachsehen.

Säulen der Erde

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 10 (2017), S. 68 – 69

Wenn Lava erstarrt, erzeugen Spannungen im abkühlenden Basaltgestein ein Netzwerk von Rissen. Die Spalten formen tiefe Säulen mit einem faszinierend regelmäßigen, meist sechseckigen Querschnitt. Weiterlesen

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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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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Rätselfoto des Monats August 2017

hoehenlinien_im_sand__4_17_rWie könnte dieses Muster in einer Dünenlandschaft entstanden sein?

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Strecken und Falten – chaotisches Mischen

chaotische_mischmaschineObwohl der Regen vorüber war, lief noch einige Zeit danach das in den Regenrinnen aufgefangene Wasser  in den Brunnenring, der hier als Auffangbecken für Regenwasser dient. Dabei konnte ich eine interessante Strukturbildung beobachten. Weiterlesen

Eisenbahnschienen sind auch nur Straßen

eisenbahnschienenmuster_imgAm Bahnsteig auf den verspäteten Zug wartend fällt mir ein regelmäßiges Muster auf den Schienen auf. Ich gehe davon aus, dass die darüberfahrenden Züge es selbst hervorgerufen haben. Denn auch nach einigen Wochen ist es noch vorhanden, obwohl viele Züge darüber gefahren sind und sie es eigentlich hätten glatt „bügeln“ müssen. Ich habe mich sogar dazu hinreißen lassen das Muster abzutasten und habe festgestellt, dass es eine fühlbare Stuktur besitzt. (Bitte nicht nachmachen!). Weiterlesen

Zeichen im Sand

sandrippel_dsc01808b_rvEin Narre schrieb drei Zeichen in Sand,
Eine bleiche Magd da vor ihm stand.
Laut sang, o sang das Meer.

Sie hielt einen Becher in der Hand,
Der schimmerte bis auf zum Rand,
Wie Blut so rot und schwer. Weiterlesen

Rätselfoto des Monats März 2017

waschbrettpiste_3_17Frage: Wie kommt es zu derartigen Waschbrettmustern auf Wegen und Straßen?

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Espirales de cera

KerzenmuschelnSchlichting, H. Joachim. Investigación y Ciencia 11 (2016)

Si dejamos que la cera líquida de una vela encendida caiga en el agua, veremos surgir hermosas estructuras. El proceso guarda semejanzas con la formación de espirales logarítmicas.

En Alemania y en otros países del centro y del norte de Europa tenemos una bella tradición en Nochevieja: sostener una cuchara con plomo —o estaño, que es menos tóxico— sobre la llama de una vela, esperar a que el metal se funda y dejarlo caer de golpe en un cuenco con agua fría. Allí, al solidificarse, el metal adquiere formas extrañas, las cuales podemos interpretar a nuestro antojo y a las que algunos incluso atribuyen poderes adivinatorios.
De niño, a falta de plomo, usaba la cera de la vela, con lo que lograba resultados no menos espectaculares. Además, ello me permitió descubrir un fenómeno casi aún más fascinante: si, en un cuenco con agua, colocaba una vela encendida y tallaba una ranura en el borde para que la cera líquida fuese cayendo, al llegar esta al agua se originaban estructuras que de ningún modo podían ser producto de la casualidad. Siempre me parecía tener ante mí conchas de bivalvos. A pesar de sus diferencias, eran todas tan similares entre sí que, sin duda, había que considerarlas miembros de una misma especie. Incluso cuando obtenía ejemplares «fallidos», el parecido con una concha era más que notable. Ello muestra que el azar que confiere a estas conchas su forma no actúa a ciegas, sino que forma parte de algún proceso autoorganizado.

Crecimiento ordenado
¿Qué es lo que ocurre exactamente? El calor que irradia la llama derrite la cera situada a su alrededor y crea, en el extremo superior de la vela, una especie de depósito con forma de cuenco. El borde de este también se derrite, pero lo hace con mayor lentitud, ya que el aire circundante lo enfría, por lo que acaba elevándose sobre la cera fundida. Así pues, si practicamos una hendidura en el extremo de este pequeño depósito, una parte de la cera líquida escapará al exterior. En su camino de descenso, pequeñas cantidades de cera se quedarán pegadas a la vela y dejarán tras de sí una delgada pasarela antes de solidificarse. Dicha pasarela actúa como guía, a su vez, para las siguientes corrientes de cera.
Cuando la cera alcanza por primera vez la superficie del agua, su parte inferior se solidifica y adquiere una forma similar a la de una escudilla. Dado que la densidad de la cera es menor que la del agua, esta balsa de cera no se hunde; sin embargo, tampoco se desplaza sobre la superficie del líquido, pues permanece unida a la pasarela de cera. Además, como la cera caliente sigue fluyendo, la unión se mantiene flexible; un detalle que, como veremos, reviste importancia…Weiter

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

Pop! Warum Popcorn knallt und 37 weitere überraschende physikalische Alltagsrätsel

Pop! - Spektrum der Wissenschaft Spezial Physik - Mathematik - Technik 3/2016Schlichting, H. Joachim. Spektrum der Wissenschaft Spezial 3 (2016), 82 Seiten

Der Alltag wartet mit einigen Überraschungen auf, wenn man bereit ist, seine Selbstverständlichkeiten zu hinterfragen. Oft sind es gerade die unscheinbaren Dinge, an die wir uns gewöhnt haben, die unversehens zu einer neuen Wirklichkeit werden. Wie schafft es beispielsweise das Wasser bis in die Baumspitzen? Warum springt Popcorn wild in der Pfanne herum?

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Sanddünen und Emergenz

SanddünenK Weiterlesen

Zwischen weißer Pracht und Schmutzskulptur

SchneeskulpturSchlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 2  (2016), S. 48 – 49

Schneeflächen schmelzen oft ungleichmäßig und hinterlassen zahlreiche Vertiefungen. An den exponierten Stellen wiederum sammeln sich Verunreinigungen. Beide Prozesse hängen eng zusammen.

»Der Schnee ist eine erlogene Reinlichkeit.«
Johann Wolfgang von Goethe (1749 – 1832) Weiterlesen

La gometria de las redes fluviales

EinzugSchlichting, H. Joachim. In: Investigacion y cienca 4 (2015) 84 – 86

Es aspecto fractal de las redes de afluentes y otros sistemas obedece a un principio fisico simple: la minimiation de las „pérdidas“ de energia por unidad de tiempo

Spirale 3 – Spiralen aus Wachs

Schlichting, H. Joachim. Spektrum der Wissenschaft 12 (2014), S. 56 – 57

KerzenmuschelnLässt man von einer brennenden Kerze flüssiges Wachs in Wasser laufen, bilden sich formschöne Muscheln.

»Schließlich besteht ja jedes Ding nur durch seine Grenzen
und damit durch einen gewissermaßen feindseligen Akt
gegen seine Umgebung«
Robert Musil (1880 – 1942)

PDF: Spiralen aus Wachs

Naturgesetze in der Kaffeetasse. Physikalische Überraschungen im Alltag

spez_pmt_3_2014_ISchlichting, H. Joachim. Spektrum der Wissenschaft Spezial 3 (2014), 82 Seiten

Ob die Geschehnisse in einer Kaffeetasse, die Tropfen am beschlagenen Fenster oder die Mondphasen: Die vielfältigen Phänomene des Alltags erscheinen uns so vertraut, dass wir den darin wirkenden Gesetzen der Physik keine Beachtung schenken. Wer sie aber doch verstehen will, wie es der Physikdidaktiker H. Joachim Schlichting in diesem Sonderheft tut, gewinnt einen völlig neuen und überraschenden Blick auf die Realität.
(28. August 2014)  Weitere Informationen finden Sie hier. Weiterlesen

In stetem Fluss

ClipSchlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 6 (2014), S. 44 – 46

Von Flüssigkeiten durchströmte Netzwerke bilden komplexe Strukturen aus, folgen dabei aber einem einfachen ordnenden Prinzip: der Minimierung der Energie-»Verluste« pro Zeiteinheit.

Die Natur wählt den
kürzesten möglichen Weg.
Aristoteles (384 – 322 v. Chr.)

PDF: In stetem Fluss

Wer mit dem Flussnetzwerk selbst ein wenig „spielen“ möchte, sei auf eine Simulation im Internet verwiesen, die Dr. Stefan Loheider auf Anregung durch diesen Beitrags programmiert hat.

 

Lauftiere: Vom Spielzeug zum Roboter

Ucke, Christian; Schlichting, H. Joachim. In: Physik in unserer Zeit 43/6 (2012), S. 296 – 299

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Lauftiere wackeln eine schiefe Ebene hinunter. Schon Kleinkinder sind fasziniert von diesem über hundert Jahre alten Spielzeug. Ingenieure beschäftigen sich aktuell damit, da sich mit dem dahinter stehenden Prinzip überraschend energiesparende Konstruktionen von Laufrobotern realisieren lassen.

PDF: Lauftiere-Vom Spielzeug zum Roboter

Rätselfoto des Monats November 2012

Foto: H. Joachim Schlichting

Wie kommt es zu den abgebildeten Strukturen?

Erklärung des Rätselfotos vom Vormonat: Beschlagene Fensterscheiben

Farbenschillernder Nebel

Neblfarbig_IMG_0088rvSchlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 43/9 (2012), S.46 – 47

 

Aber als ich den Tee aufgoss,
waren schon die Möglichkeiten,
ungeheuer, wieder vergessen;
im quirlenden Dampf verfing
sich mein Blick, bis er verschwand, …
Henning Ziebritzki (*1961)

Die Natur muss erst einmal Wassertröpfchen nach Größe sortieren,
damit wir Farbeffekte in Nebelfahnen beobachten können.
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Lange Winter lange Zapfen

Lange WinterSchlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 43/3 (2012), S.52-53

An meiner Dachkante hängt
Eiszapfen neben Zapfen,
starr,
die fangen zu schmelzen an,
Tropfen auf Tropfen blitzt,
jeder dem andern unvergleichlich,
mir ins Herz.
Richard Dehmel (1863 – 1920)

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Kunst in der Physik

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 43/2 (2012), S. 52 – 53

Es braucht nicht viel, damit sich die glatte Oberfläche einer Flüssigkeit zu einem schönen Muster entfaltet

… dass trotz der Flüssigkeit in der Substanz
eine Solidität in der Form erreicht wird.
Italo Calvino (1923 – 1985)

Einige Ausschnitte des „Tanzes der Fluide“ haben wir auf einem Video eingefangen.

PDF: http://www.spektrum.de/alias/dachzeile/kunst-in-der-physik/1135744

Was das Feuer am Leben hält

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 42/12 (2011), S. 44 – 45

Damit eine Kerzenflamme ruhig brennen kann, müssen zahlreiche komplexe Vorgänge perfekt aufeinander abgestimmt sein.

In der Flamme sind alle Naturkräfte tätig.
Novalis (1772 – 1801)

Die gute alte Kerze hat alle Neuerungen der Beleuchtungstechnik überstanden. Gerade auch in der Adventsund Weihnachtszeit, wenn die Tage kürzer werden, setzt sie Zeichen der Hoffnung, der Freude und des Lebens. Was aber denkt sich der Physiker bei ihrem Anblick? Ihn beeindruckt über all das hinaus der Kontrast zwischen der Einfachheit der ruhig vor sich hin brennenden Flamme und dem, was unsichtbar bleibt: dem komplexen Zusammenspiel physikalischer, chemischer und technologischer Vorgänge, die das Phänomen erst möglich machen.
Die Kerzenflamme, so beständig sie erscheint, ist Ergebnis eines äußerst bewegten Mikrogeschehens: In jedem Moment verlassen Teilchen verglühend den klar umgrenzten Bereich der Flamme und werden durch neu erglühende Teilchen ersetzt. Rein energetisch betrachtet ist die Flamme der sichtbare Teil einer „dissipativen Struktur“ (Ilya Prigogine), eines von Energie und Materie durchströmten Systems fernab vom thermodynamischen Gleichgewicht. Aufrechterhalten wird die Flamme durch die Dissipation von Energie: Sie nimmt hochwertige chemische Energie und Materie in Form von Kerzenwachs und Sauerstoff auf und gibt im Gegenzug Wärme und Gase an die Umgebung ab. Energie- und Materieströme bleiben dabei im zeitlichen Mittel konstant. Warum klappt das so gut? Oder etwas technischer gefragt: Wie kommt es zu dieser eindrucksvollen Selbstorganisation gut aufeinander abgestimmter Vorgänge?
In der Regel wird eine Kerze mit Hilfe einer anderen Flamme entzündet. Das im Docht enthaltene erstarrte Wachs beginnt dabei zu schmelzen und zu verdampfen. Schließlich erreicht es eine so hohe Temperatur, dass es mit dem Sauerstoff der Luft reagiert und verbrennt, wobei Wasserdampf und Kohlenstoffdioxid entstehen. Außerdem wird Energie frei, die als Bewegung, Wärme und Licht der Flamme in Erscheinung tritt. Danach geht alles wie von selbst. Dank der von der Flamme ausgehenden Wärmestrahlung sorgt »das System« eigenständig für Nachschub an Brennstoff. Von der Hitze flüssig gehalten steigt das Wachs durch die Kapillaren des Dochts nach oben. Gleichzeitig schmilzt die Flamme einen schüsselförmigen Brennstofftank in das obere Ende der festen Kerzensubstanz und füllt ihn mit Vorrat. Auch der Tank erneuert sich ständig, wenngleich man ihm das nicht ansieht: Das feste Wachs, aus dem seine Wand besteht, schmilzt in genau dem Maß, in dem der Docht flüssiges Wachs ins Reaktionszentrum der Flamme transportiert. Erst dort, am oberen Ende des Dochts, verdampft und verbrennt das Wachs schließlich. Denn das flüssige Wachs im Docht liefert die zur Verdampfung nötige Wärme, wodurch seine eigene Temperatur unterhalb des Siedepunkts gehalten wird.

Der Docht neigt sich zur größten Hitze
Probleme gäbe es erst, wenn der Docht zu lang würde. Dann wäre das Gleichgewicht zwischen Brennstoff- und Sauerstoffzufuhr gestört, und die Kerze begänne zu rußen. Doch auch in dieser Hinsicht organisiert sich die Flamme selbst. Weil die brennende Kerze kürzer wird und der heiße Saum der Flamme sich mit ihr nach unten bewegt, schiebt sich der Docht kontinuierlich in die Hitzeregion hinein. Dort verkohlt und verdampft seine Spitze, was seine Länge konstant hält. Zudem kippt der biegsame Docht, je länger er wird, zur Seite weg und damit genau in den bestens mit Sauerstoff versorgten Bereich der Flammenoberfläche. Hier ist die Flamme rund 1400 Grad Celsius heiß, und hier beginnt der Docht auch zu glühen.Kerze_Funktion
Selbst die elegante, stromlinienförmig nach oben gezogene Gestalt der Flamme ist keine bloße Laune der Natur. In ihr wird ein Konvektionsvorgang sichtbar, der für die Funktion des Systems wesentlich ist. Die Temperatur der heißen Flamme sorgt für eine im Vergleich zur Umgebungsluft geringe Dichte der Verbrennungsgase. Der entstehende Auftrieb lässt diese zügig aufsteigen, was Platz schafft für die von unten nachströmende sauerstoffreiche Frischluft. Dieser Vorgang ist für den Fortgang der Verbrennung ebenso wichtig wie der Wachsdampf selbst. Die heißen Gase steigen in einem schmalen Schlauch auf. Das spürt man schon mit bloßen Fingern, es geht aber auch gefahrloser. Stellt man die brennende Kerze ins helle Sonnenlicht, bildet dieses den Schlauch an der dahinterliegenden Wand ab (oben). Denn beim Übergang zwischen kalter Umgebungsluft und heißen Verbrennungsgasen ändert sich schlagartig der Brechungsindex. Ein Teil des Lichts, welches durch das Innere des Schlauchs fällt, wird nach außen abgelenkt und überlagert sich mit dem nicht abgelenkten Licht zu einem schmalen, hellen Band.
Da die Konvektion in der Schwerelosigkeit nicht funktioniert, kämen Raumfahrer nie in den Genuss einer normalen Kerzenflamme. Was aber sähen sie stattdessen? Fixieren Sie einfach eine brennende Kerze in einem durchsichtigen Gefäß und werfen Sie dieses einem (guten) Fänger zu. Während des Flugs sehen Sie, wie die Flamme zu einer winzigen, blau leuchtenden Lichtkugel zusammenschrumpft. Weil unter diesen Bedingungen die Konvektion wegfällt, wird die Flamme nämlich nur über die vergleichsweise langsam ablaufende Diffusion mit Sauerstoff versorgt.
Die Hartnäckigkeit, mit der eine Kerzenflamme allen Störungen zum Trotz stets wieder dieselbe Größe einnimmt, beruht auf nichtlinearen Rückkopplungsvorgängen. Wächst die Flamme, muss ein entsprechend größeres Volumen mit Sauerstoff und Wachs versorgt werden. Da das Volumen mit der dritten Potenz der Flammengröße zunimmt, gilt dies auch für das Volumen der zu- und abgeführten Gase. Der Nachschub an Gasen erfolgt aber zwangsläufig durch die äußere Grenzschicht der Flamme, die ihrerseits nur mit dem Quadrat der Flammengröße variiert. Berücksichtigen wir nun noch, dass die Geschwindigkeit, mit der die Gase nachströmen, nicht beliebig groß werden kann, ist dem Flammenwachstum zwangsläufig eine Grenze gesetzt. Dies gilt auch umgekehrt. Verkleinert eine vorübergehende Störung die Flamme, sind auf einmal mehr Verbrennungsgase vorhanden, als benötigt werden. So kann das Gebilde wieder wachsen, bis erneut ein stationäres Gleichgewicht erreicht ist.
Doch warum leuchtet die Flamme überhaupt? Bei der Reaktion von Wachsdampf und Sauerstoff wird auf kleinstem Raum so viel Energie frei, dass die meisten Gasatome in Elektronen und Atomrümpfe – kurz: in ein Plasma – zerlegt werden. Die Natur strebt aber nach Zuständen minimaler Energie. Die Teilchen versuchen also, wieder Gasatome zu bilden, und entledigen sich ihrer überschüssigen Energie durch Aussenden von Lichtteilchen.
Weit wichtiger für die Kerze als Lichtquelle ist aber ein anderer Effekt. Im Inneren der Flamme klappt es mit dem Sauerstoffnachschub nicht mehr so gut. Wie die Farben zeigen (Foto linke Seite), nimmt die Temperatur darum allmählich ab, bis sie in unmittelbarer Dochtnähe noch lediglich 600 bis 800 Grad Celsius beträgt. Das verdampfende Wachs verbrennt dort nur unvollständig. Der nicht verbrannte Kohlenstoff lagert sich zu Rußteilchen zusammen, die mit den Abgasen nach oben steigen und in dem weiß erscheinenden Bereich der Flamme bei etwa 1200 Grad Celsius zu glühen beginnen. Vor allem diesem Glühen ist es zu verdanken, dass die Kerze so hell leuchtet! Eine chemische Unvollkommenheit – schlechte Verbrennung – trägt also wesentlich zu ihrer technologischen Vollkommenheit bei. Es sind übrigens auch genau diese Rußteilchen, die Licht absorbieren und daher der Flamme selbst zu einem Schatten verhelfen.
Ist Ihnen aufgefallen, dass die Stoffwechselvorgänge der Kerze denen von Pflanzen und Tieren überraschend ähneln? In beiden Fällen sind es die Aufnahme von Sauerstoff und Nährstoffen sowie die Abgabe von Wasser, Kohlenstoffdioxid und anderen Substanzen, welche für den Fortbestand der Systeme sorgen. Das haben schon die Dichter erkannt: »Der Baum ist nichts anderes als eine blühende Flamme«, formulierte etwa Novalis. Manchem diente die Metapher sogar als Bild für das Leben schlechthin: »Das, was sich in der Schöpfung Leben nennt«, schrieb Johann Gottfried Herder, »ist in allen Formen und allen Wesen ein und derselbe Geist, eine einzige Flamme.«

http://www.spektrum.de/alias/schlichting/was-das-feuer-am-leben-haelt/1124690

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