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Strukturbildung

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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

Die Schönheit ist oft verborgen

schneeschmelze_dsc08308aWer schaut sich schon auf einem Acker an, was passiert, wenn es nachts bitterkalt ist und tagsüber die Sonne strahlt. Getreideblätter nehmen Strahlungsenergie auf, schmelzen ein Loch in den Schnee, dieses vergrößert sich, sobald ein Teil des dunklen Bodens von den Sonnenstrahlen erreicht wird. Der Boden erwärmt sich und die aufsteigende erwärmte Luft schmilzt ein größeres Loch in den Schnee. Dadurch erreicht auch die Sonne den Boden, was zu einer Verstärkung des Effekts führt. Der Boden nimmt das herabtropfende Tauwasser auf. Nachts, wenn es wieder friert und vom warmen feuchten Boden noch einige Zeit lang Wasserdampf aufsteigt, docken die Wassermoleküle an den Kristallen an und bilden Raureifnadeln, die das tagsüber entstandene Loch zu überdachen geginnen. Aber dann erhebt sich wieder die Sonne, der Reif schmilzt an, gefriert, wird transparent, lässt Sonnenlicht durch, der dunkle Boden wird wieder warm, das Loch wird größer und frisst sich trotz der Minusgrade in die angrenzende Schneesubstanz. Solange die Verhältnisse so bleiben- Temperaturen unter dem Gefrierpunkt und strahlende Sonne, setzt sich dieses Spiel fort. Bei Hochdrucklagen, kann das einige Tage so gehen.
Doch wer achtet schon auf solche Löcher im Schnee.

Schnee oder nicht Schnee – das ist hier die Frage.

waermeleitung_dsc07715_rvViele Vorgänge laufen im Verborgenen ab. Vielleicht ist es auch ganz gut so, weil wir ansonsten der Komplexität der Welt in noch stärkerer Weise ausgesetzt wären und uns noch mehr bemühen müssten, zu übersehen statt zu sehen. Dieser Gedanke kam mir, als ich gestern auf dem blauen Geländer unserer Eingangstreppe den liegengebliebenen Schnee in regelmäßiger Weise gemustert vorfand. Das Muster war sehr einfach: – – – -; womit ich sagen will, dass ein kurzes Stück Schnee sich mit einem kurzen Stück abwesenden Schnees abwechselte.
Warum schmolz der Schnee in dieser rhythmischen Weise? Das menschliche Vermögen, Muster zu erkennen, sucht sofort nach Verbindungen und entdeckt, dass die Streben des Geländers sich im selben Abstand wiederholen. Solche Übereinstimmungen gibt man nicht sofort auf. In diesem Fall wird man auch sofort fündig. Da das Schmelzen von Schnee auf die Zufuhr von Wärme angewiesen, die umgebende Luft aber offenbar noch zu kalt ist (Das Thermometer zeigt -1 °C an.), kommt nur die Strahlungsenergie der Sonne in Frage. Diese kann zwar auf direktem Wege kaum etwas ausrichten, da das Sonnenlicht weitgehend vom Schnee reflektiert und kaum absorbiert wird. (Das ist ein Grund dafür, dass der Schnee weiß ist.)
Aber indirekt kommt die Wärme dann doch zum Schnee. Indem das blaue  Metallgitter einen Teil der Sonnenenergie aufnimmt und in thermische Energie umwandelt, sich also erwärmt, setzt in dem gut Wärme leitenden Eisen sofort ein Wärmeleitungsvorgang ein, durch den die thermische Energie von den erwärmten zu den kühleren Stellen transportiert wird. Auf diese Weise kommt die Wärme auch zum Handlauf und erwärmt zunächst die Verbindungsstellen. Diese haben nichts Eiligeres zu tun, als dem ohnehin schon kurz vor der Schmelze stehenden Schnee die für den Übergang vom festen in den flüssigen Zustand nötige Energie zur Verfügung zu stellen.
Und ist erst einmal eine Stelle frei geschmolzen, sodass das blaue Metall auch der direkten Sonnenstrahlung ausgesetzt ist, kommt es zu einer zusätzlichen Energiezufuhr. Die Schneeschmelze kann sich mit dieser Unterstützung ziemlich schnell zu den Seiten ausbreiten. Interessanterweise gefriert das abtropfende Wasser auf dem Boden gleich wieder zu winzigen Eiszapfen. Denn die Tropfen fallen nicht manchmal hier und manchmal dort, sondern bleiben in gewissen Grenzen bei dem einmal eingeschlagenen Weg. Wie es dazu kommt, wäre eine weitere Geschichte.
Damit solche subtilen Vorgänge in der hier geschilderten Weise stattfinden können, müssen die äußeren Bedingungen stimmen. Die Lufttemperatur sollte in der Nähe des Grenzübergangs von Fest nach Flüssig oder umgekehrt sein und es sollte ein deutlicher Unterschied bei der Wechselwirkung des Sonnenlichts mit dem Material – Schnee oder Metall – zur Wirkung kommen. Georg Christoph Lichtenberg würde hier vielleicht sagen: „Auf der Grenze liegen immer die seltsamsten Geschöpfe“. Naja, so seltsam sind die Muster nun auch wieder nicht. Aber sie können immerhin eine längere Geschichte von über 3000 Zeichen erzählen.

 

Rostzeichen in der Ästhetik des Zerfalls

Rostzeichen_rvSie wußte immer, wo sie im Gestöber der Zeichen sich selbst finden konnte, und das war es, was göttliche Geister aus dem Chaos Wissen ziehen ließ. Gesträubt hatte sie sich nur gegen die Idee, auch normale Schriftzeilen so zu lesen wie die Botschaften des Rostes oder die Tänze der Kiesel im Brunnenbecken. Dabei war das einfach, man mußte nur gnadenlos ignorieren, was der Schreiber selbst mitteilen wollte.
Sten Nadolny (*1942)

Chemisch gesehen ist Rost ein wasserhaltiges Oxid. Wie wir alle wissen, entsteht er von selbst an feuchter Luft. Dabei verbindet sich das Eisen in Gegenwart von Wasser – ohne dass höhere Temperaturen nötig wären – mit dem in der Luft reichlich vorhandenen Sauerstoff. Da Rost porös ist, schützt eine Rostschicht nicht vor weiterer Verrostung. Durch die Aufnahme des Sauerstoffs nimmt das Volumen des rostenden Eisens zu.
Das hat zur Konsequenz, dass beispielsweise Stahlbetonteile (Stahl besteht hauptsächlich aus Eisen), deren Stahlteile in Kontakt mit der Luft geraten,  schließlich durch Rostbildung und die dadurch bedingte Ausdehnung zum Bersten gebracht werden.
Rosten ist ein Zerfallsvorgang par excellence und hat daher schon lange auch eine metaphorische Dimension. „Wer rastet, der rostet“ heißt es da, wobei Rosten mit Altern, Verfall, Krankheit u.ä. gleichgesetzt wird.
In den letzten Jahrzehnten hat man jedoch auch eine ästhetische Dimension in der mit dem Rosten einhergehenden Strukturbildung entdeckt. Verrostende Designobjekte schmücken Gärten und Balkone und manch ein vor sich hin rostendes Kunstwerk im öffentlichen Raum wird erst eigentlich durch den Vorgang des Rostens zur Kunst. Die Spannung zwischen Ästhetik der entstehenden Roststrukturen, zwischen Zufall und Notwendigkeit und dem irreversiblen Verfall, der allem Irdischen anhängt, ist dabei oft Teil des Programms.

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

Rätselfoto des Monats April 2016

123_Sandlawinen_April_2016Wie kommt es zu dieser (fast) symmetrischen Sandstruktur?

Erklärung des Rätselfotos vom Vormonat: Deformationen von Kondensstreifen

 

Gestrickte Eisblumen

Organische-FlechtstrukturenWenn ich von gestrickten Eisblumen spreche, möchte ich damit drei Gedanken zum Ausdruck bringen, die beim Betrachten der Eismuster auf den Fensterscheiben kommen können (siehe Foto) . Erstens ist klar, dass es sich um Eiskristalle, also tote Materie handelt. Zweitens drängt sich die Ähnlichkeit der Muster mit Pflanzen geradezu auf. Mit ihren langen, organisch geschwungenen, Ästen und Zweigen scheinen die Eisgirlanden an der Scheibe hochzuranken. Und drittens bleibt dem genauen Beobachter nicht verborgen, dass hier auch noch etwas Künstliches, wenn nicht gar Künstlerisches im Spiel ist: Die Äste haben etwas Zopfartiges an sich und erinnern an geflochtene oder gestrickte Muster. Weiterlesen

Im Jahr des Lichts (27) – Gestreifte Sonne

gestreifte-Sonne1Sonnenuntergänge vom Flugzeug aus gesehen sind stets etwas Besonderes. Je höher man fliegt, desto weiter ist der Horizont entfernt und desto länger kann man die Sonne sehen. Wenn man über den Wolken fliegt, kann der Sonnenuntergang besonders interessant sein.
Im vorliegenden Fall erlebte ich den Sonnenuntergang von oberhalb einer dichten Wolkendecke, hinter der die Sonne verschwand. Als anschließend die Wolkendecke löchriger wurde, trat sie jedoch erneut in Erscheinung, indem sie durch die Wolkenlöcher hindurch schien und die Ränder in intensive Rottöne tauchte. Weiterlesen

Kunst unter der Eisdecke

Eis-auf-Pfützen_0008Schlichting, H. Joachim. Spektrum der Wissenschaft  12  (2015), S. 56 – 57

Statt einfach nur spiegelglatt zu werden, bilden frierende Wasserflächen oft seltsame Strukturen – geformt durch die wechselhaften Bedingungen in dieser sehr speziellen Umgebung.

Sie schafft ewig neue Gestalten;
was da ist, war noch nie,
was war, kommt nicht wieder –
alles ist neu, und doch immer das Alte

Johann Wolfgang von Goethe (1749 – 1832)

PDF: Kunst unter der Eisdecke

Wer entziffert die natürliche Schrift im Stein?

Linien-im-SteinSo erzählen die Schnitte auf dem Boden eines zinnenen Tellers die Geschichte aller Mahlzeiten, denen er beigewohnt hat, und eben so enthält die Form jedes Landstrichs, die Gestalt seiner Sandhügel und Felsen, mit natürlicher Schrift die Geschichte der Erde, ja jeder abgerundete Kiesel, den das Weltmeer auswirft, würde sie einer Seele erzählen, die so an ihn angekettet würde, wie die unsrige an unser Gehirn“.

Lichtenberg, Georg Christoph :  Schriften und Briefe III. München 1980

Wirbel auf dem Honigbrot

Wirbel auf dem HonigbrotSchlichting, H. Joachim. Spektrum der Wissenschaft  11  (2015), S. 52 – 53

Der Strahl einer fallenden, zähen Flüssigkeit kann sich falten und zu Spiralen winden. Dabei wirken sein zugleich fester und flüssiger Charakter zusammen.

Der Wirbel ist nicht etwas Feststehendes,
sondern beständig Wandelbares – aber
in jedem Augenblick neu Reproduziertes.
Friedrich Wilhelm Joseph Schelling (1775 – 1854)

PDF: Wirbel auf dem Honigbrot

Filzbälle am Meeresstrand

SeeballAn manchen Stränden des Mittelmeeres findet man ganze Bänke von pflanzlichen Überresten. Sie bestehen aus braunen, faserigen kurzen Ästchen, an denen oft noch Reste von länglichen Blättern haften, deren ehemaliges frisches Grün meist nur noch erahnt werden kann.
Es handelt sich um abgestorbene Bestandteile des Neptungrases, das in flachen Bereichen auf dem Meeresgrund wächst. Weiterlesen

Verwehte Spuren im Sand

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

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

Rätselfoto des Monats Februar 2015

109_Kreisstrukturen-im-Eis1Wie kommt es zu den Kreisen im Pfützeneis?

Erklärung des Rätselfoto des Vormonats: Pfützen im Winter

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

Rätselfoto des Monats November 2014

106_Kunstwerke-durch-KontakEine polierte Granitplatte nach einem Regenschauer. Wie kommt es zu den Strukturen?

Erklärung zum Rätselfoto des Vormonats: Schneckenspuren

Gemalte Gebirgslandschaften am Strand

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

Stämme mit weißen Streifen

IMG_6649rv„In die Mitte der Stämme hat der Wind senkrecht weiße Streifen gemalt, angewehter Schnee, der nur auf einer Baumseite haftengeblieben ist. So sieht also der Winter aus: eine Verzierung? Eine Markierung? Eine Schrittfederung, eine Blendung, ein gnädiges In-Schweigen-Hüllen der Welt. Auf dem Weg, Eiswasserpfützen, Spuren von Mensch und Tier. Hunde drücken die vier mal fünf kleinen Polster ihrer Pfoten in das weiße Stempelkissen; ihr Urin brennt gelbe Löcher in die makellose Schneedecke. In den Baumkronen hängt zäher Nebel, als sei eine dicke Wolke nach langem Ringen plötzlich der Schwerkraft unterlegen und hier über diesem Wald, in die zum Himmel ausgestreckten, nackten, spitzen Äste wie in eine Nadelkissen abgestürzt. Da hängt sie nun und regt sich nicht, die Vögel sitzen am Boden und ziehen an übriggebliebenen Grashalmen, Stare fliegen auf, in einem Busch ist eine Blaumeise zugange; lauter unruhige, zarte, unauffällige Wunder.“

Weber, Anne; Besuch bei Zerberus; Suhrkamp Verlag, 2004; ISBN: 3-518-41606-5; S. 38

Rätselfoto des Monats Juni 2013

Kapadokien037rv

Steinskulpturen der Natur

Frage: Welche physikalischen Vorgänge waren hier am Werke?

Erklärung des Rätselfotos vom Vormonat: Morgendunst_mit_Baumkorona

Das Geheimnis der Waschbrettpisten

WaschbrettpistenSchlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 44/4 (2013), S. 52-53

Kleine Ursachen können große Wirkungen haben. Aber warum führen sie auf unbefestigten Straßen zu so regelmäßigen Strukturen?

… die Wirklichkeit ist immer komplizierter als die Dichtung:
weniger glatt, weniger abgerundet, viel holpriger.
Es kommt selten vor, dass sie sich an eine Ebene hält.
Primo Levi (1919 – 1987)

Das Geheimnis der Waschbrettpisten

Rätselfoto des Monats November 2012

Foto: H. Joachim Schlichting

Wie kommt es zu den abgebildeten Strukturen?

Erklärung des Rätselfotos vom Vormonat: Beschlagene Fensterscheiben

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?

Fraktale Strukturbildung in (fast) Freihandexperimenten

Farbfraktal014Nordmeier, Volkhard, Schlichting, H. Joachim. In: Deutsche Physikalische Gesellschaft (Hrsg.): Didaktik der Physik. Vorträge der Frühjahrstagung der DPG Duisburg 1995, S. 434 -339 (ISSN 1430- 564X)

Eine große Klasse von Fraktalen entsteht bei Wachstumsprozessen fernab eines Gleichgewichtszustandes. Weiterlesen

Die Gestalt von Bäumen- zufällig oder gesetzmäßig?

Rodewald, Bernd; Schlichting, H. Joachim. In: Praxis der Naturwissenschaften – Physik 37/5, 7 (1988).

Es ist die Absicht dieses Beitrags, einige physikalische Grundprinzipien aufzuzeigen, welche die Architektur eines Baumes entscheidend bestimmen. Denn obgleich es keine zwei Bäume zu geben scheint, die sich vollständig gleichen, können die vielfältigen Verästelungen und Verzweigungen eines Baumes nicht reine Produkte des Zufalls sein. Gewisse Regelmäßigkeiten, welche einen Baum als „Baum“ erkennbar werden lassen, …

PDF: Die Gestalt von Bäumen- zufällig oder gesetzmäßig?