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Selbstorganisation

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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

Eiszapfen, die gen Himmel wachsen

stehender_eiszapfen-rvSchlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 42/3 (2011), S. 38-39

Kein Wunder, dass aufwärts strebende Eiszapfen so selten sind. Für ihre Entstehung müssen zahlreiche Voraussetzungen erfüllt sein. Weiterlesen

Im Kaffeesatz lesen

Spektrum der Wissenschaft 1 (2009), S. 30

Nur ein leidiger Kaffeefleck? Von wegen: Die ausgeprägten Ränder offenbaren nichts weniger als ein universelles (Potenz-)Gesetz

Kann die Auseinandersetzung mit (moderner) Kunst beim Lehren von Physik helfen?

Schlichting, H. Joachim. In: Dietmar Hötteke (Hg.): Naturwissenschaftlicher Unterricht im internationalen Vergleich. Berlin: Lit 2007, S. 409 – 411.

Wenn man Physik und Kunst zusammen denkt, überwiegen normalerweise die Unterschiede. Physik gestattet keinen Raum für Gefühle. Deren Ort sind die Kunst, die Literatur und die Musik. Auf den zweiten Blick wird jedoch klar, dass Physik ohne Gefühle nur die halbe Wahrheit ist…

PDF: Kann die Auseinandersetzung mit (moderner) Kunst beim Lehren von Physik helfen?

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

Woher hat das Zebra seine Streifen?

Huisken, Rainer; Nordmeier, Volkhard; Schlichting, H. Joachim. In: Deutsche Physikalische Gesellschaft (Hrsg.): Didaktik der Physik. Augsburg 2003. Berlin: Lehmanns 2003.

Es wird ein durch chemische Reaktionen realisierter Mechanismus beschrieben, der auf Alan Turing zurück geht und als Grundlage für die Entstehung von Strukturen auf Tierfellen, Fischen u.ä. angesehen werden kann. Zunächst wird das mit schulischen Mitteln kaum zugänglich Realexperiment beschrieben und erklärt. Anschließend wird eine einfach zu handhabende Computersimulation vorgestellt, mit der die wesentlichen Aspekte der Musterbildungsvorgänge nachgestellt werden können.

PDF: Woher hat das Zebra seine Streifen?

Chaos für die Schule!

Nordmeier, Volkhard.; Schlichting, H. Joachim. In: Physik in unserer Zeit 34/1, 32-39 (2003).

Ob Konvektion im Milchkaffee oder Wolkenbildung: Im Alltag gibt es viele nichtlineare Phänomene, die Schüler beobachten und erfolgreich analysieren können. So kann die Schulphysik spannende Themen aus der modernen Chaos-Forschung behandeln.

PDF: Chaos für die Schule!

Chaos im Sonnensystem

Köhler, Melanie; Nordmeier, Volkhard; Schlichting, H. Joachim. In: Deutsche Physikalische Gesellschaft (Hrsg.): Didaktik der Physik Bremen 2001. Berlin: Lehmanns ISBN 3-931253-87-2

Nachdem durch das kopernikanische System die Erde zum Planeten avanciert und damit die alte Sicherheit eines „festen Grundes“ nicht mehr gegeben war, beschäftigte die Physiker immer wie-der die Frage nach der Stabilität des Planetensystems. Lange vertraute man auf Laplaces Beweis der Stabilität, bis gegen Ende des 19. Jahrhunderts Poincaré zeigte, dass selbst in einem Planetensystem aus nur drei Körpern chaotisches Verhalten eintreten kann. Im Rahmen der Untersuchung dynamischer Systeme hat man sich seit einigen  Jahren dieser Prob-lematik erneut angenommen und vor allem mit Hilfe von  Computersimulationen gezeigt, wie trü-gerisch die Vorstellung einer  vollkommenen Periodizität der Bewegung ist. Am Beispiel des ein-geschränkten  Dreikörperproblems wird die Thematik mit Blick auf einen schulischen Zugang diskutiert.

PDF: Chaos im Sonnensystem

Thermodynamik und Strukturbildung am Beispiel der Entstehung eines Flussnetzwerkes

Einzug_Watt1Schlichting, H. Joachim; Nordmeier, V. In: Der mathematische und naturwissenschaftliche Unterricht, 53/8, 450-454 (2000).

Mit allgemeinen thermodynamischen Argumenten wird versucht, eine Antwort auf die Frage zu geben, warum Flussnetzwerke (wie sie z. B. bei der natürlichen Entwässerung von Flächen entstehen) jene typischen verästelten, fraktalen Muster ausbilden. Ausschlaggebend für derartige Strukturbildungsprozesse ist, dass die Energiedissipationsrate des fließenden Wassers minimal wird. Diese Aussage wird in einem einfachen Algorithmus zur Simulation von Flussnetzwerken umgesetzt.

PDF: Thermodynamik und Strukturbildung am Beispiel der Entstehung eines Flussnetzwerkes

Von der Energieentwertung zur Entropie

Schlichting, H. Joachim. In: Praxis der Naturwissenschaften / Physik 49/2, 7-11 (2000).

Zur physikalischen Beschreibung der lebensweltlichen Energie sind zwei komplementäre physikalische Konzepte nötig: Energie und Entropie. Die Energie beschreibt den Erhaltungsaspekt, die Entropie den Verbrauchs- und Antriebsaspekt. Wir haben vorgeschlagen, die Entropie im Rahmen der Mittelstufenphysik vorläufig durch das (qualitative) Konzept der Energieentwertung zu ersetzen und dadurch ein weitgehendes qualitatives Verständnis der Energetik zu erreichen. Auf dieser Grundlage wird im folgenden ein Weg zu einer Quantifizierung der Energieentwertung als Entropie skizziert.

PDF: Von der Energieentwertung zur Entropie

Energieentwertung – ein qualitativer Zugang zur Irreversibilität

Schlichting, H. Joachim. In: Praxis der Naturwissenschaften/ Physik 49/2 (2000); 2-6. 

Geht man davon aus, dass es zu den allgemeinen Zielsetzungen des Physikunterrichts gehört, ein angemessenes Verständnis der durch die Naturwissenschaften geprägten Welt zu ermöglichen, so kann sich der Unterricht nicht auf die Idealgestalten der Physik beschränken, sondern muß sich einer aktiven Auseinandersetzung mit den lebensweltlichen Erfahrungen der Schülerinnen und Schüler stellen.
Die Thermodynamik mit ihren allgemeinen Begriffen und Konzepten wie System, Zustand, Zustandsänderungen, Energie und Entropie kann dabei eine wesentliche Rolle spielen. Zwar ist schon seit längerem die Bedeutung der Energie als Brücke zwischen Physik und Lebenswelt erkannt worden. Leider beschränken sich die meisten Einführungen der Energie auf den Aspekt der Energieerhaltung. Die lebensweltlichen Erfahrungen im Umgang mit der Energie sind aber darüber hinaus vor allem durch den Energieverbrauch und den Antrieb von Vorgängen geprägt. Die Vernachlässigung, ja die bewußte Unterdrückung dieser Aspekte verhindert geradezu, dass Beziehungen zwischen physikalischen Konzepten und lebensweltlichen Erfahrungen gesehen werden.

PDF: Energieentwertung – ein qualitativer Zugang zur Irreversibilität

Von der Dissipation zur Dissipativen Struktur

Schlichting, H. Joachim. In: Praxis der Naturwissenschaften / Physik 49/2, 12-16 (2000).

Im Rahmen des Energieentwertungkonzepts wird das Warmhalten von Tee auf einem Stövchen folgendermaßen beschrieben: Der selbsttätige Vorgang der Abkühlung des Tees auf Umgebungstemperatur wird ständig durch den Vorgang des Abbrennens der Kerze zurückgespult, so dass das Teewasser auf eine Temperatur oberhalb der Umgebungstemperatur eingeregelt und das System in einem stationären Nichtgleichgewichtszustand gehalten wird. Solche Nichtgleichgewichtszustände umgeben uns in großer Zahl…

PDF: Von der Dissipation zur Dissipativen Struktur

Die Strukturen der Unordnung – Chaosphysik zwischen Zufall und Notwendigkeit

Schlichting, H. Joachim. In: Essener Unikate 11/1999, S. 9-21.

Wir müssen glauben, daß alles in der Welt eine Ursache habe, so wie die Spinne ihr Netz spinnt, um Fliegen zu fangen. Sie tut dieses, ehe sie weiß, daß es Fliegen in der Welt gibt“. Wie kommt es zu einem solchen Glauben? Darauf gibt es offenbar keine eindeutige Antwort…

PDF: Die Strukturen der Unordnung – Chaosphysik  zwischen Zufall und Notwendigkeit

Der flatterhafte Falter der Chaosphysik – Anmerkungen zum Schmetterlingseffekt

Schlichting, H. Joachim. In: Physik in der Schule 36/9, 304 (1998).

Der Weg der neuzeitlichen Physik ist mit Effekten gepflastert: der Doppler-, der Compton-, der Barkhausen- , der Mößbauer-, der Faraday- Effekt und neuerdings der Schmetterlingseffekt. Dieser unterscheidet sich von jenen nicht nur dadurch, daß er keinem großen Physiker, sondern einem kleinen empfindlichen Tier zugeordnet wird. Außerdem entzieht er sich der physikalischen Bestimmung und steht für das, was wir trotz der Kleinheit nicht zu beherrschen vermögen. Damit ist er nicht nur auf die Naturwissenschaften beschränkt. Man kann sogar umgekehrt feststellen, daß der Schmetterlingseffekt in der einen oder anderen Variante lange bevor er im Rahmen der Nichtlinearen Physik wissenschaftlich salonfähig wurde, in den verschiedensten Bereichen, der Philosophie, der Literatur usw. diskutiert wurde.

PDF: Der flatterhafte Falter der Chaosphysik – Anmerkungen zum Schmetterlingseffekt

Untersuchungen am magnetischen Doppelpendel – Spaceball.

SpaceballSilz, I.; Schlichting, H.J.; Nordmeier, V.: Untersuchungen am magnetischen Doppelpendel – Spaceball. In: DPG (Hrsg.): Didaktik der Physik. Vorträge der Frühjahrstagung der DPG – Berlin 1997. Berlin: Lehmanns (1997), S.397-402. ISBN 3-931253-06-6

Galt das Pendel lange Zeit als ein Paradebeispiel für Vorhersagbarkeit und Periodizität, so hat man sich inzwischen teilweise vom Gegenteil überzeugen müssen. Oszillatoren verhalten sich nicht immer wie antizipiert, wie das im folgenden beschriebene Doppelpendel (der sog. „Spaceball„) verdeutlichen soll. Dazu wird es sowohl in einer Computersimulation als auch in Experimenten betrachtet.

PDF:Spaceball

 

Nichtlineare Physik und Physikunterricht – eine Bestandsaufnahme

Magnetpendel_1Nordmeier, V.; Schlichting, H.J.: Nichtlineare Physik und Physikunterricht – eine Bestandsaufnahme: 35 Experimente zu Synergetik, Fraktalen & Chaos. In: DPG (Hrsg.): Didaktik der Physik. Vorträge der Frühjahrstagung der DPG – Berlin 1997. Berlin: Lehmanns (1997), S.391-396. ISBN 3-931253-06-6

In der Physik und somit auch im Physikunterricht gewinnen heute nichtlineare Phänomene in zunehmendem Maße an Bedeutung. Die Ideen der Synergetik und auch die Erkenntnisse über Fraktale oder das (deterministische) Chaos werden seit einiger Zeit sehr erfolgreich auf viele physikalische Systeme angewandt. Insbesondere für den Physikunterricht bietet dieser Themenkomplex neue Wege zum Verständnis von komplexen Phänomenen, die den konzeptuellen Rahmen der klassischen Physik überschreiten. Im Folgenden soll in einer Art Bestandsaufnahme über die fachdidaktischen Arbeiten zur nichtlinearen Physik berichtet und insbesondere auch auf die Möglichkeiten der experimentellen Begegnung mit diesem Thema eingegangen werden.

Die Unordnung in der Welt ist nur scheinbar,
und wo sie am größten zu seyn scheinet,
da ist die wahre Ordnung noch weit herrlicher,
uns aber nur mehr verborgen.
Johann Heinrich Lambert, 1761

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

Die Großen landen immer oben – Entmischen durch Mischen

Schlichting, H. Joachim; Nordmeier, Volkhard; Jungmann, Dietmar. In: Physik in der Schule 34/5, 191-193 (1996).

Müslimischungen u.ä. zeichnen sich vielfach dadurch aus, daß sie keine besonders guten Mischungen sind. Jedenfalls werden häufig die größeren Bestandteile, z.B. Haselnüsse, vermehrt in den oberen Schichten der Packung angetroffen, obwohl in der Fabrik für eine ordentliche Durchmischung gesorgt  wurde.
In manchen Stränden entdeckt man zuweilen auf relativ kleiner Fläche konzentrierte größere Ansammlungen von Kieselsteinen oder Muscheln, die oft  auch noch nach Größe „sortiert“ sind.

Ältere Bauern sind manchmal davon überzeugt, daß Steine wachsen. Sie berichten, daß ihr Acker seit Generationen alljährlich von Steinen befreit wird. Trotzdem sei nicht abzusehen, daß dadurch der Acker einmal steinfrei würde…

PDF: Die Großen landen immer oben – Phänomene der Selbstorganisation beim Schütteln von Kugeln

Auf der Suche nach Strukturen komplexer Phänomene

Nordmeier, Volkhard; Schlichting, H. Joachim. In: Praxis der Naturwissenschaften Physik 1/96, 22-28 (1996) (Themenheft Komplexe Systeme).

Der Mensch wird tagtäglich mit einer Vielzahl an Wahrnehmungen konfrontiert und reagiert ständig auf Reize verschiedenster Herkunft. Viele der Signale können wir dabei ohne Schwierigkeiten erfassen: ein Gespräch mit dem Nachbarn, der Brief eines alten Bekannten, die Nachrichtensendung im Radio oder die Reportage in der Zeitung. Aber ebenso existieren eine Vielzahl von Signalen aus Natur und Technik, die uns fremdartig oder unverständlich, ja  sogar rein zufällig erscheinen: ein Buch oder eine Zeitung in fremder Sprache, der Gesang eines Vogels oder eines Pottwals, das nächtliche Rauschen eines Fernsehgerätes oder das Piepsen eines versehentlich angerufenen Faxgerätes, die Fehlermeldungen einer unbekannten Computeroberfläche, das Plätschern eines Baches oder das Rascheln der Blätter eines Baumes.

PDF: Auf der Suche nach Strukturen komplexer Phänomene

Prozeß und Struktur – Probleme der Selbstorganisation im Bereich der unbelebten Natur (Teil 1 und 2)

Schlichting, H. Joachim. In: Physik in der Schule 32/11, 392-397 und 32/12, 430-434 (1994).

Der Gegenstandsbereich der klassischen Physik wird durch Vorgänge und Strukturen beherrscht, die als reversibel und im thermodynamischen Gleichgewicht befindlich angesehen werden kön-nen. Ein typischer Vorgang ist eine harmonische Schwingung, eine typische Struktur ist ein Kristall. Starrheit, Unveränderlichkeit, „Zeitlosigkeit“ sind Kennzeichen der klassischen Betrachtung…

PDF: Prozeß und Struktur – Probleme der Selbstorganisation im Bereich der unbelebten Natur (Teil 1 und 2)

Der trinkende Storch – eine Verdunstungskraftmaschine

Schlichting, H. Joachim. In: Praxis der Naturwissenschaften – Physik 41/2, 22 (1992).

Vor uns steht ein zauberhafter schwarzer Vogel mit langem Hals und rotem Kopf der Spezies technischer Spielzeuge [1 – 8]. Bevor wir uns daranmachen, ihm physikalisch zu Leibe zu rücken und sein Verhalten dadurch zu „entzaubern“, wollen wir ihn einige Zeit in Aktion erleben…

PDF: Der trinkende Storch – eine Verdunstungskraftmaschine

Strukturen im Chaos – Einfache Systeme als Zugang zu einem neuen Forschungsbereich der modernen Physik

Schlichting, H. Joachim. In: physica didactica 18/1, 14-44 (1991).

Das Chaos ist auch nicht mehr, was es mal war, nämlich: das Ungeordnete, Wirre, Gesetzlose, Formlose, Zufällige, Tolle… Seit einiger Zeit wird es mit Schönheit, Kreativität, Struktur und Ordnung in Verbindung gebracht: „Das Tolle neben Attraktordem Schönen“ (Jean Paul) also. Die „Schönheit im Cha-os“ ist eines der Schlagworte, mit denen sich ein in den letzten Jahren ebenso sprunghaft wie chaotisch entwickelnder Zweig der naturwissenschaftlichen Forschung in einer breiteren Öffentlichkeit Auf-merksamkeit zu verschaffen sucht. Nicht wenige Wissenschaftler sehen in der Chaosforschung mehr als nur eine Herausforderung insbesondere der klassisch geprägten Naturwissenschaften. Schon ist von einer konzeptuellen Revolution im Sinne T.S. Kuhns die Rede, die eine

PDF: Strukturen im Chaos – Einfache Systeme als Zugang zu einem neuen Forschungsbereich der modernen Physik

Auf der Suche nach Ordnung im Chaos

poincareBackhaus,Udo; Schlichting, H. Joachim . In: Der mathematische und naturwissenschaftliche Unterricht 43/8 (1990)  S. 456 – 466

Der Zugang zur Chaosphysik wird vor allem durch die Vielzahl neuer und auf den ersten Blick unzusammenhängend erscheinender Aspekte erschwert. Weiterlesen

Komplexes Spielzeug

Schlichting, H. Joachim. In: Physik und Didaktik 17/3, 231 (1989).

Wesentliche Prinzipien der Selbstorganisation komplexer Systeme werden anhand einfacher Spielzeuge untersucht und veranschaulicht. Damit sollen Anregungen gegeben werden, wie man auch mit schulischen Mitteln in die faszinierende Gedankenwelt komplexer Systeme eingeführt werden kann.

PDF: Komplexes Spielzeug

Zur Physik der Hui-Maschine

Bachhaus, Udo; Schlichting, H. Joachim. In: Physik und Didaktik 16/3, 238 (1988).

Es wird ein u.a. unter dem Namen Hui-Maschine bekanntes Spielzeug beschrieben und in seiner Funktionsweise aufgrund einer einfachen Modellvorstellung erklärt. Eine kurze Konstruktionsbeschreibung zeigt, daß man das Spielzeug sich leicht selbst herstellen kann.

PDF: Zur Physik der Hui-Maschine

Chaotic Toys

Schlichting, H. Joachim; Bachhaus, Udo. In: G. Marx (Ed.): Chaos in Education II. Vesprem (Hungary) 1987, pp. 58-63.

Handling, investigating and modeling toys in physics lessons may help students to improve their understanding of physical problems In several respects [1]. We shall concentrate here on one important point: Toys may provide for an access to the main features of nonlinearity in physics which have been overlooked up to now and which seem to become more and more important for an appropriate understanding of problems of the modern world. In the following, we shall sketch some simple, easily available, and cheap toys at which the most striking effects of nonlinearity: phenomena of selforganization may be shown and experienced in a rather direct and appealing manner.

PDF: Chaotic Toys

Papierhubschrauber

Schlichting, H. Joachim; Rodewald, Bernd. In: Praxis der Naturwiss.-Physik 35/5, 30 (1986).

Papierflieger sind zum Leidwesen vieler Lehrer bei den Schülern sehr beliebt. Man wird daher sicherlich auf deren Interesse stoßen, wenn man Papierflieger zum Gegenstand des Unterrichts macht. Besonders reizvoll erscheint uns insbesondere der Papierhubschrauber; den wir hier betrachten wollen. Es handelt sich um einen Flieger, der einfach losgelassen wird und – sich um die eigene Achse drehend – langsam zu Boden geht. Er ähnelt damit den Flugsamen mancher Pflanzen. Gemeinsam ist diesen Flugobjekten nicht nur der faszinierende Mechanismus, durch den die Rotation ,,angeworfen“ und gesteuert wird, sondern auch die bemerkenswerte Stabilität und Präzision, mit der der „Flug“ abläuft.

PDF: Papierhubschrauber

Der Bumerang – ein Spielzeug mit verblüffenden Flugeigenschaften

Schlichting, H. Joachim; Rodewald, Bernd. In: Praxis der Naturwissenschaften – Physik 35/5, 18 (1986).

Seit der zurückkehrende Bumerang in Europa bekannt ist, hat er die Menschen immer wieder fasziniert und zu zahlreichen Beschreibungen und Erklärungen seines erstaunlichen Flugverhaltens geführt (vgl. das Literaturverzeichnis in [1]). Ein Physiklehrer, der diese Faszination im Unterricht nutzen möchte, sucht dennoch häufig vergeblich nach unterrichtsnahen physikalischen Beschreibungen…Im folgenden soll versucht werden, unter weitgehendem Verzicht auf quantitative Einzelheiten die physikalischen Prinzipien des Bumerangs so weit zu vereinfachen, daß dieser auch im Unterricht der Sekundarstufe [behandelt werden kann. Unsere Darstellung ist jedoch so angelegt, daß darauf eine
quantitative Beschreibung aufbauen kann.

PDF: Bumerang

Prinzipien der Synergetik erarbeitet an Spielzeugen

Rodewald, Bernd; Schlichting, H. Joachim. In: Praxis der Naturwissenschaft- Physik 35/4, 33 (1986).

VOGEL IM EI DSCF6910rvEs ist die Absicht dieses Aufsatzes, anhand von Spielzeugen deutlich zu machen, daß dem Schüler vertraute Gegenstände durchaus geeignet sind, wesentliche Begriffe der Synergetik zu erarbeiten und in die für diese Disziplin typische „ganzheitliche“ Betrachtungsweise einzuführen, welche als ein notwendiges Korrektiv für die traditionelle Sichtweise des üblichen Physikunterrichts angesehen werden kann (siehe hierzu [1]). An Spielzeugen sind die charakteristischen Phänomene der Synergetik direkt anschaubar, zum Teil hörbar und greifbar – und damit vielleicht auch anschaulicher und begreifbarer als bei den Standardbeispielen der Fachwissenschaftler. Lediglich das Versklavungsprinzip als ein kooperatives Phänomen in einem Vielteilchensystem findet hier nicht ohne weiteres seine Entsprechung, da Spielzeuge makroskopische Systeme mit nur wenigen Freiheitsgraden darstellen.

PDF: Prinzipien der Synergetik erarbeitet an Spielzeugen

A catastrophic toy

Rodewald, Bernd; Schlichting, H. Joachim. In: American Journal of Physics 53/12, 1172 (1985).

Recently, Prigo described the so-called Christmas tree toy. His main Intention was to explain an unusual wobbling of the tree sections superposing their rotation. In contrast to Prigo we could not observe this oscillatory behaviour. Instead, we found it more surprising that the opening und closing of the four shell sections do not arise continuously with increasing rotation rate, but arise rather abruptly.

PDF: A Catastrophic toy

Der pickende Specht – Ein Spielzeug, das Reibung konstruktiv nutzt

Rodewald, Bernd; Schlichting, H. Joachim. In: Scharmann et al. (Hrsg.), Vorträge der Frühjahrstagung der DPG, Gießen 1983, S. 50

Der pickende Specht ist ein im Handel erhältliches Spielzeug. Bei diesem ist eine als Specht geformte Masse m über eine Feder (Fe) an einer kleinen Hülse (H) befestigt, welche über eine senkrecht stehende Stange geführt wird (Abb. 1). Gibt man dem Specht einen kleinen Schubs, so schlägt er durch Verformung der Feder mit seinem Schnabel an die Stange und setzt diese pickende Bewegung – bei gleichzeitigem Herabgleiten der Hülse an der Stange – mit auffallend großer Regelmäßigkeit fort.

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