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Täuschung

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Kann man die Lichtausbreitung sehen?

Wir sitzen auf einer Brücke über dem Arno in Florenz. Die Zeit verstreicht wie im Fluge, wie leider so oft, wenn die Umstände besonders schön sind. In dieser Einschätzung sind wir uns alle einig, auch wenn sie der gleichmäßig ablaufenden „physikalischen“ Zeit, wie sie unsere Uhren anzeigen widerspricht. Als es zu dämmern beginnt, leuchten plötzlich die Laternen entlang des Ufers auf. Wir sind uns einig, dass sie nicht auf einmal angehen, sondern nacheinander mit der nächsten Lampe beginnend bis zum entfernten Ende hin. Die Lichtreflexionen im Wasser tun es ihnen gleich.
Dieses Phänomen hatte ich schon vorher in meiner Heimatstadt erlebt und mir nichts weiter dabei gedacht. Aber als wir jetzt in dieser Runde darüber sprechen, erscheint es doch etwas mysteriös. Wie sollten denn die Lampen geschaltet sein, um dieses Nacheinander zu realisieren? Welchen Sinn könnte es haben. Und warum verläuft die Sequenz immer vom Beobachter weg?
Kurzum, was tut sich hier? Als erstes wurde der Gedanke geäußert, dass das Licht von den entfernteren Lampen mehr Zeit benötige zu unseren Augen zu kommen, als der von den näheren. Aber sofort wird klar, dass die Lichtgeschwindigkeit so groß und unsere Wahrnehmung so grob sind, dass der Gedanke nun wirklich abwegig ist. Auch die Idee, dass der Schaltimpuls vielleicht eine gewisse Zeit benötigt, um von einer Lampe zur nächsten zu gelangen, erweist sich als wenig hilfreich.
Ähnlich wie bei unserer Einschätzung der „Geschwindigkeit“ des Zeitverlaufs zeigt sich, dass die Physik hier nicht weiterhilft. Vielmehr hat man es mit einem wahrnehmungsphysiologischen Phänomen zu tun. Man könnte auch von einer optischen Täuschung sprechen: Ursache dafür ist die Tatsache, dass unser visuelles System auf einen schwachen Lichtreiz bis zu einer Zehntel Sekunde später reagiert als auf einen starken: Wenn zwei entfernte Lichtsignale zur selben Zeit ausgelöst werden, sehen wir das schwächere Signal zeitlich verzögert.
Dieser visual delay* kommt auch in diesem Phänomen zum Tragen. Obwohl die Lampen weitgehend identisch sind und zur gleichen Zeit aufleuchten, ist ihre scheinbare Helligkeit aufgrund der unterschiedlichen Entfernung entsprechend verschieden. Die Intensität des Lichts nimmt mit dem Quadrat der Entfernung ab. Daher wird das Lichtsignal deutlich später wahrgenommen, je weiter die entsprechende Lampe entfernt ist.
Ich vermute, dass das Aufleuchten der hellen orangefarbenen Warnlampen an Autobahnbaustellen nicht wie es scheint, immer vom Beobachter weg läuft, sondern die Lampen einfach nur rhythmisch an und ausgehen.


* J. A. Wilson, S. M. Anstis, The American J. of Psychology 1969, 82, 350.

Ironischer Fluchtpunkt

Mit ein wenig Verfremdung wird aus einem nahezu flächenhaften „Strahlengebilde“ eine räumliche Struktur mit einer Art Fluchtpunkt. Die perspektivische Betrachtung des Bildes lenkt den Blick des Betrachters auf diesen Punkt. Dabei stellt er fest, dass es dort zu Verschränkungen kommt. Dadurch werden Spekulationen über den Ursprung ausgelöst.

Vermeintliche Richtungsumkehr beim Kreisel

Wenn man einen rotierenden Kreisel des im Foto abgebildeten Typs bis zum bitteren Ende beobachtet, wird man eine auf den ersten Blick merkwürdige Beobachtung machen können. Kurz vor dem Ende der Drehung neigt sich die Kreiselebene so weit, dass der Rand der Kreiselscheibe den Boden berührt. Infolge der dabei auftretenden Gleitreibung wird der Kreisel so stark gebremst, dass er schließlich auf dem Rand der Kreiselebene noch einige Male abrollt bis er vollends zur Ruhe kommt. Bei diesem Übergang scheint eine Richtungsumkehr einzutreten. Die Rollbewegung scheint in umgekehrter Richtung zu erfolgen wie die ursprüngliche Drehung des aufrechten Kreisels. Weiterlesen

Weggespie(ge)lt

Wie ist es möglich, dass die Köpfe der Personen, die hier an einem Gewässer promenieren in der unteren Hälfte hinter Zweigen verschwinden, obwohl sie in der oberen Hälfte des Fotos nicht zu sehen sind?

(zum Vergrößern klicken)

Vor dem längsten Tag mache ich mich noch einmal lang

Das ist einfacher gesagt als getan. Denn man muss wirklich früh aufstehen, sodass die Sonne weit genug über den Horizont gestiegen ist, um einen deutlichen Schatten werfen zu können. Aber dann wird man – wie dieses leider nur mit einem Handy aufgenommene Schattenselfie zeigt – zumindest in seinem Schatten so lang wie nie. Außerdem erscheint der Schattenkopf von einer Aufhellung – einer Art Heiligenschein – umgeben. (Leider versagt die Handykamera hier die Helligkeitsübergänge gut wiederzugeben.)
Genau genommen ist es nämlich kein vollständiger Heiligenschein, wie man ihn von der morgendlichen Wiese kennt, denn es fehlen die Wassertröpfchen. Wir haben es hier nur mit einem Oppositionseffekt zu tun. Der rührt daher, dass um den Sonnengegenpunkt (Antisolarpunkt) alle Schatten der Rauigkeiten des Weges minimal werden. Denn man blickt ziemlich genau mit der Sonne im Nacken auf sie. Die Stelle erscheint daher sehr hell. Aber je weiter man sich von diesem Punkt entfernt und damit immer schräger auf den Untergrund blickt, desto mehr beschattete Bereiche kommen ins Bild mit der Folge, dass die mittlere Helligkeit der Szenerie abnimmt.
Bei den grotesken Verzerrungen spielt die perspektivische Verkürzung eine wichtige Rolle. So erscheinen die Schatten umso mehr in die Länge gezogen, je näher sie sich beim Original befinden (siehe die Entfernung bis zum unteren Ansatz der Hosenbeine).

Ich seh dich!

Diese Schmetterlingsorchidee (Phalaenopsis) hatte ich zum Geburtstag erhalten. Sie stand einige Zeit auf meinem Schreibtisch, bis ich mich irgendwann von ihr beobachtet fühlte und der Sache auf den Grund ging. Nicht der wie mir scheint als Namensgeber etwas weit hergeholte Schmetterling irritierte mich, sondern eine Art Leopard fixierte mich aus dem gewölbeartigen Zentrum heraus mit mehrfach grinsendem Gesicht. Und da soll man noch ungestört arbeiten können?

SchauFenster – FensterSchau

Dieses Schaufenster wirkte auf mich eher wie ein modernes Kunstwerk als wie eine übersichtliche Auslage von verkaufswürdigen Gegenständen. Nur wenn ich nahe genug an das Fenster heranging und im eigenen Schatten hineinblickte erschlossen sich mir die Verkaufsobjekte.
Das Problem war in den von der Sonne hell beleuchteten Gegenständen und Gebäuden, die dem Fenster gegenüberliegen zu sehen. Das von ihnen diffus in Richtung Schaufensterscheiben reflektierte Licht war so intensiv, dass der von den Scheiben spiegelnd reflektierte Anteil von etwa gleicher Helligkeit war wie das von den Auslagen ausgehende Licht.
Diese Überlagerungen des direkten und gespiegelten Lichts ganz unterschiedlicher Herkunft erzeugten Impressionen, denen am ehesten noch unter dem Aspekt der abstrakten Kunst bezukommen war.
Physikalisch gesehen spielen die durch den unterschiedlichen Luftdruck zwischen der Außenwelt und dem Raum zwischen den beiden deformierten Doppelglasscheiben eine wesentliche Rolle.

Das Blaue vom Himmel…

Bahnsteige sind selten attraktiv. Aber manchmal kann man ihnen doch den einen oder anderen interessanten Aspekt abgewinnen. Im vorliegenden Foto scheint auf einer verrosteten Metallabdeckung irgendeines Kabelschachts o.Ä. über den man achtlos hinweggeht ein regelmäßiges Muster vor einem himmelblauen Hintergrund aufgeprägt zu sein. Schaut man genauer hin, so handelt es sich lediglich um eine Spiegelung in einer Wasserpfütze. Sie ist aus dem Blickwinkel der Aufnahme  immerhin so lichtintensiv, dass die durch jahrelanges Darübergehen eingebeulte und zurzeit der Aufnahme mit einer Schicht Regenwasser gefüllte verrostete Abdeckung kaum als solche zu erkennen ist. Aufgefallen ist mir das Phänomen, weil ich gedankenverloren plötzlich den Eindruck hatte, ein tiefes Loch vor mir zu haben und unwillkürlich meinen Schritt korrigierte, um nicht reinzufallen. Reingefallen bin ich trotzdem, weil ich mir das Blaue vom Himmel vorgaukeln bzw. mich durch eine Spiegelung in einer schnöden Wasserpfütze täuschen ließ.

Rätselhaftes Licht und Schatten

Ein kleines Rätsel außer der Reihe. Vor kurzem wurde ich auf ein angeblich merkwürdiges Phänomen aufmerksam gemacht, das auf dem Foto zu sehen ist. Es zeigt einen Bahnübergang für Fahrradfahrer und Fußgänger. Die hochgezogenen Wände sollen die Menschen vor Berührungen mit den darunter hergehenden Hochspannungsleitungen schützen. Sie lassen ein wenig Licht durch und werfen Schatten. Die Frage war, warum die hellen „Fenster“ keine hellen Reflexe, sondern dunkle Schatten hervorrufen.

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

Eine abgrundtiefe Illusion

SpiegelungWasserLanzarote002arvWährend der Besichtigung einer Grotte auf der Kanareninsel Lanzarote entfernte ich mich ein wenig von der geführten Gruppe und blieb erschreckt vor einem tiefen Abgrund stehen. Ich beugte mich vorsichtig über den Rand und war angesichts der Tiefe der vor mir liegenden Schlucht der Meinung, dass man an dieser Stelle unbedingt eine Barriere und einen Hinweis auf die Absturzgefahr hätte anbringen müssen. In dem Moment rief mich auch schon der Touristenführer ärgerlich zurück und kam mir mit dem Rest der Gruppe entgegen. Er nutzte noch einmal die Gelegenheit der ganzen Gruppe einzuschärfen doch zusammenzubleiben, weil man sich ansonsten unnötig in Gefahr begeben würde.
Dann erzählte er einiges über die angebliche „Geschichte“ dieser Schlucht und endete mit der Frage, wie tief sie wohl sei. Einige beugten sich vorsichtig über den Rand und gaben ihre Schätzungen ab. Dann schlug jemand vor, eine Münze oder ein Steinchen in die Schlucht zu werfen, die Sekunden bis zum Spiegelung-Pfütze-MS-DomplaAufschlag zu zählen und daraus die Tiefe zu berechnen. Ich vergegenwärtigte mir auch schon die Formel des freien Falls für die Berechnung: Die Fallstrecke ist gleich 5 mal der gezählten Sekunden zum Quadrat. Doch so weit kam es nicht. Denn als die erste Münze in den Abgrund fiel, hörte man nur ein leichtes Platschen und der Abgrund zerbrach in einem Farbengewirr. Denn er bestand aus einer nur drei Zentimeter dicken Wasserschicht, in der sich das bonbonfarben ausgeleuchtete Gewölbe der Grotte spiegelte. Erst durch die Zersplitterung des glatten Wasserspiegels ging auch unsere Illusion zu Bruch.
Man kennt solche Spiegelungen auch aus dem Alltag, wie im unteren Bild zu sehen ist. Aber keiner käme auf die Idee, darin einen auf dem Kopf stehenden Kirchturm in einer tiefen Schlucht zu sehen. Der Kontext macht hier wie so oft den Text: Die sofort zu erkennende Ähnlichkeit mit einem realen Gebilde verrät die Spiegelillusion. Die Gewölbestruktur in der Grotte ist aber aufgrund ihrer Unregelmäßigkeit und Unvertrautheit nicht etwas, das man sofort wiedererkennt, wenn es denn zum zweiten Mal und dann auch noch auf dem Kopf stehend auftritt. In den Wasserspiegel blickend war nicht auf den ersten Blick zu erkennen, dass es sich hier nur um eine umgekehrte Abbildung der über uns befindlichen Grottendecke handelte. Hinterher war man natürlich schlauer und konnte durch einen direkten Vergleich von Original und Abbild die Spiegelung erkennen.
Das Beispiel macht einmal mehr deutlich, dass wir durch Spiegelungen leicht getäuscht werden können, weil diese bei einem guten Spiegel ein täuschend echt wirkendes Abbild des Originals darbieten. Zwar wird von der Wasseroberfläche nur ein Bruchteil des auftreffenden Lichts reflektiert, so dass bei einer Pfütze oder einem See die Spiegelungen in den meisten Fällen durch das wesentlich intensivere Streulicht der Umgebung überstrahlt werden. Aber in bestimmten Fällen, vor allem dann wenn der Boden unter der Wasserschicht dunkel ist und kaum Licht reflektiert und die gespiegelten Gegenstände hell sind, kann das Spiegelbild in Konkurrenz zum Original treten.

Fließender Schatten

Obwohl Schatten nur Löcher im Licht sind, gibt es Situationen, in denen er uns wie eine dunkle Flüssigkeit vorkommt (siehe Foto). Diese Flüssigkeit scheint sogar die Fähigkeit zu haben, der Schwerkraft trotzend auf der einen Seite der Düne bergauf zu fließen, um sich dann in den durch die Sandrippel geformten Rinnen auf der anderen Seite wieder hinabzuschlängeln :-).

 

Virtuelle Krümmungen

Ich sitze seit längerem in der Bahn, schaue zum Fenster hinaus und lass die Gedanken spielen. Es stellt sich jener angenehme Bewusstseinszustand des Dösens ein, bei dem innere mit äußeren Eindrücken zu traumartigen Szenerien verschmelzen. Das schnurgerade, durch den Zugbetrieb glatt geschmirgelte Nachbargleis, das nur durch Weichen, Abzweigungen u.a. Dinge unterbrochen wird, zieht sich wie ein sicheres Geländer durch das schläfrige Bewusstsein. Weiterlesen

Opfer stillschweigender Voraussetzungen

Vor ein paar Tagen habe ich ein Phänomen  beschrieben, bei dem eine mit Wasser gefüllte Flasche wie eine Lupe wirkt. Etwas ganz Ähnliches war mir vor Jahren schon einmal aufgefallen und ich hatte es während eines Essens sehr zum Ärger meiner Begleitung auch fotografisch festgehalten (siehe Foto). Mir schien die Situation klar: Die Schrift wird durch die Zylinderlinse (jedenfalls näherungweise), die hier als Zylinderlupe wirkt, in der Horizontalen vergrößert. Weiterlesen

Die Sonne und der volle Mond

sonne_mond_p1000659rv… in trauter Nähe Zweisamkeit, so möchte man hinzufügen, wenn man die beiden wie auf dem Foto so nebeneinander sieht. Ich möchte gleich hinzufügen, dass das Foto nicht manipuliert ist. Es fragt sich also, wie das abgebildete Phänomen zustand gekommen ist. Weiterlesen

Die Sonne brennt sich durch das Geäst

sonnenaufgang_dsc08117Nur im Winter sehe ich von unserem Haus aus die Sonne an dieser Stelle. Denn nur im Winter lassen die im Sommer dicht belaubten Bäume die Sonne hindurch. Und wie sie die Sonne durchlassen! Selbst da, wo die Bäume die Sonne streifenweise verdecken sollten, ist es sonnenhell. Die Sonne brennt sich gewissermaßen einen Weg durch das Holz, auch wenn dieses dadurch nicht verbrennt.
Grund ist ein physiologischer bzw. auf dem Foto ein aufnahmetechnischer Effekt. Physiologisch spricht man von Irradiation. Die Bezeichnung dieser Täuschung des Gesichtssinns stammt von Hermann von Helmholtz, der das Phänomen auf die Streuung von Licht im Auge zurückführt, wodurch eine helle Lichtquelle im Gesichtsfeld  einen größeren Bereich auf der Netzhaut reizen kann als eine ansonsten gleiche, aber dunklere Lichtquelle.
Man beobachtet die Irradiation besonders auffällig bei dunkler Nacht an der Lichtgestalt der Mondsichel, welche einer Scheibe von größerem Halbmesser anzugehören scheint als der Rest des Mondes.
Die Ursache dafür, dass die Kamera einen ähnlichen Eindruck wie den der Irradiation vermittelt,  liegt daran, dass die einzelnen lichtempfindlichen Elemente (Pixel) des Sensors nur eine begrenzte durch das einfallende Licht hervorgerufene elektrische Ladung aufnehmen können. Bei zu starker Belichtung eines Bildelements wird die überschüssige Ladung an Nachbarelemente abgegeben, die dann so aussehen, als wären sie direkt erhellt worden. Je nach der Beleuchtungsstärke können diese Elemente ihrerseits die Ladung weitergeben usw. wodurch insgesamt der sogenannte „Blooming-Effekt“ hervorgerufen wird.

Im Jahr des Lichts (25) – Ein Feuer, das nur Wasser war

Feuer-und-WasserIch sitze am späten Abend eines warmen Tages bei offener Tür im Zimmer und lese. Es ist bereits dunkel geworden. Plötzlich höre ich das Prasseln eines heftigen Regens. Als ich mich zur Tür umdrehe, bekomme ich zunächst einen Schrecken, weil ich im ersten Moment glaube, dass das Prasseln nicht auf Regen, sondern auf ein Feuer zurückzuführen ist, das unmittelbar vor der Tür brennt.
Im zweiten Moment wird mir jedoch klar, dass beide Eindrücke eine gewisse Berechtigung haben: Regentropfen fallen auf  eine bereits reichlich benetzte niedrige Mauer und erzeugen durch ihren Aufprall kleine Wasserjets und eine aus winzigen Tropfen bestehende, nach oben spritzende Gischt. Weiterlesen

Steine: Der Südwester im Swimmingpool

BrechungssombreroEin Swimmingpool ist für zahlreiche Überraschungen gut. Sei es dass der in Wirklichkeit ebene Boden wie eine Berglandschaft aussieht, Kräuselungen auf der Wasseroberfläche ein Farbenspiel auf dem Boden entfachen oder der Stab des Reinigungsgeräts an der Grenzschicht zwischen Wasser und Luft nicht nur abgeknickt, sondern auch leicht gekrümmt erscheint. Weiterlesen

Die Welt hinter den Spiegeln

Schlichting, H. Joachim. In: Physik in unserer Zeit 39/2 (2008) 98

Real- und Spiegelwelt sind normalerweise gut auseinander zu halten.
Doch manchmal kann ein ungewöhnlicher Kontext zu irritierenden
Situationen führen.

PDF: Die Welt hinter den Spiegeln

Der alltägliche Kontext – am Beispiel eines optischen Phänomens

Schlichting, H. Joachim . In:  Praxis der Naturwissenschaften – Physik in der Schule 57/1 (2008) 39 – 41

Ein wesentliches Motiv des „Lernens im Kontext“ besteht in der Steigerung der Motivation der Lernenden. Es wird erwartet, dass durch Einbettung von physikalischen Fragestellungen in einen für sie bedeutungsvollen Rahmen die Bereitschaft wächst, sich damit auseinander zu setzen. Solche Kontexte werden seit einigen Jahren in der fachdidaktischen Literatur diskutiert (z.B. [1] – [3]).
Im vorliegenden Beitrag soll auf ein Problem des „Lernens im Kontext“ aufmerksam gemacht und am Beispiel eines lebensweltlichen Kontexts illustriert werden, das unseres Erachtens bislang zu wenig Beachtung gefunden hat: Wie kommt man zu physikalischen Fragen?
Ein den Lernenden vertrauter Kontext ist nicht schon deshalb interessant und fragwürdig, weil er vertraut ist. Erst dadurch, dass er in einer unvertrauten Perspektive dargestellt wird, kann daraus ein Phänomen werden, das Neugier und das Bedürfnis nach einer Erklärung auslöst, die schließlich in eine physikalische Erschließung des Phänomens einmünden. Dazu wird eine alltägliche Situation als Rätsel inszeniert, indem bei einer (optischen) Spiegelung ein auffälliger Symmetriebruch vor Augen geführt wird, der weder aus  vorwissenschaftlicher noch aus physikalischer Sicht zu erwarten ist.

PDF: Der alltägliche Kontext am Beispiel eines optischen Phänomens

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