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Wasser

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Reflexionen über Reflexionen in einer gewöhnlichen Wasserpfütze

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Wasserflächen von weitem gesehen, nehmen die Farbe des Himmels an, weil das Himmelslicht in ihnen spiegelnd reflektiert wird. Ein (flacher) See ist deshalb blau, weil der Himmel blau ist. Und wenn der Himmel bedeckt und grau ist, kann der See nicht anders, als es ihm gleichzutun.  Auch die im linken Foto abgebildete Wasserpfütze gibt das Blau des Himmels und das Weiß der Wolken wieder. Nähert man sich jedoch der Pfütze, so verblasst die Farbe zunehmend. Steht man direkt davor (rechtes Foto oben), so wird die Pfütze unversehens transparent. Man sieht den darunter befindlichen Asphalt teilweise in noch kräftigeren Farben als ohne die Wasserschicht darüber. Die Ursache für diesen Wechsel ist darin zu sehen, dass der Anteil des reflektierten Lichts umso größer ist, je flacher man auf die Wasseroberfläche blickt (Einfalls- und Reflexionswinkel bezogen auf das Lot zur Wasseroberfläche sind groß) und minimal wird, wenn man senkrecht hineinschaut (Einfalls- und Reflexionswinkel sind Null).
himmel_in_pfuetze_1_rvDiese Eigenschaft beobachtet man nicht nur bei Wasser, sondern auch bei anderen reflektierenden Flächen, z.B. bei Fensterscheiben. Bei senkrechtem Lichteinfall reflektiert die Grenzfläche zwischen Glas und Luft nur 4%. Dieses hier nur qualitativ angesprochene Phänomen wird quantitativ beschreiben durch die sogenannten Fresnelschen Formeln.

Das Foto unten rechts wurde ebenfalls aus größerer Entfernung aufgenommen. Auch hier sehen wir das Himmelsblau und einige Wolken reflektiert. Allerdings unterscheidet es sich mit seinem blendend hellen Rand vom dunklen Rand im linken Foto. Weil ich mich beim unteren Foto so hingestellt hatte, dass das Sonnenlicht nahezu ins Objektiv der Kamera reflektiert wurde, genügten geringfügig abweichende Reflexionswinkel, wie sie die befeuchteten Splitteilchen darboten, dass das Sonnenlicht über diese kleinen geneigten Spiegel in die Kamera gelangten.
Es besteht somit eine enge Beziehung zum Phänomen des Schwerts der Sonne. Im linken Foto hingegen hatte ich die Sonne im Rücken, sodass die Winkelabweichungen von der Ebene nicht ausreichten, Sonnenlicht ins Objektiv zu reflektieren. Die diffuse Reflexion des Sonnenlicht ist dort in dem feuchten Randbereich geringer als in der trockenen Nachbarschaft, weil das einfallende Licht in der dünnen Wasserschicht einige Male hin-und herreflektiert und dabei stärker absorbiert wird als im trockenen Bereich. Dieses Phänomen kennt man von den kräftigen Farben und dem Glanz feuchter Steine.

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Schneeflocken – geheimnisvolle Schönheiten des Winters

Schlichting, H. Joachim. Naturwissenschaften im Unterricht Physik 159/160 (2017) S. 36 – 37

Wie man bereits aus einem alten Kinderlied weiß, kommen die Schneeflocken aus den Wolken und haben einen langen Weg hinter sich. Ihre Entstehungs- bzw. Lebensspanne ist im Wesentlichen auf diesen Fall aus den Wolken beschränkt. Wer sie mit der behandschuhten Hand auffängt, kann dabei die Entdeckung machen, dass keine Flocke der anderen gleicht. Aber in ihrer Vielfalt haben alle Flocken eines gemeinsam: eine sechseckige Grundstruktur. Sehr selten findet man 3- oder 12-zählige Kristalle; aber niemals 4- oder 8-zählige. Weiterlesen

Lichtschwerter – auf dem Wasser und anderswo

Schlichting, H. Joachim. Naturwissenschaften  im Unterricht 159/160 (2017) S. 14 – 15

„Der Reflex auf dem Meer entsteht, wenn die Sonne sich neigt: Vom Horizont her schiebt sich ein blendender Fleck zum Ufer, ein Streifen aus tanzenden Glitzerpunkten; dazwischen verdunkelt das Mattblau des Meeres sein Netz…, und der Sonnenreflex auf dem Meer wird ein schimmerndes Schwert, das sich vom Horizont heran bis zu ihm erstreckt…Während die Sonne tiefer sinkt, färbt der Reflex sich von schimmerndem Weiß zu kupfergoldenem Rot. Und wohin Herr Palomar sich auch wendet, stets ist er selber die Spitze des schlanken Dreiecks. Das Schwert folgt ihm und deutet auf ihn wie ein Uhrzeiger mit der Sonne als Zapfen“ (Calvino, Italo. Herr Palomar. München 1988, S. 18). Weiterlesen

Lavendel im Regen

Sie sind kaum wiederzuerkennen, die Lavendelblüten. Sie wirken etwas unnatürlich großzügig gerundet, aber auch ungewöhnlich kräftig in der Farbe. Regentropfen haben die feinen Zwischenräume überbrückt und leuchten nun ihrerseits wie kleine Lampen im typischen Blau-violett des Lavendel. Die Farbe wirkt kräftiger und gesättigter als im Normalfall. Weiterlesen

Rätselfoto des Monats Juli 2017

Frage: Wo und wie entstehen diese farbigen Netzwerke?

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Erklärung des Ratselfotos des Monats Juni 2017

Frage: Wie kommt es zu dem Berghang im Pool?

Antwort: Der Anblick des Swimmingpools erscheint auf des ersten Blick so, als habe man es hier mit einer ungewöhnlichen Topologie des Bodens zu tun. Der Boden des Pools sieht am Rande relativ flach aus und scheint zum Vordergrund hin in die Tiefe zu stürzen. Man ahnt vielleicht, dass es sich hier nicht um reale Deformationen handelt – welchen Sinn sollten sie auch haben? – sondern um eine optische Täuschung.
Trotz der Auffälligkeit des Phänomens wird es kaum als solches wahrgenommen. Dafür gibt es gute Gründe: Neben der typischen Blindheit für das Spektakuläre im Alltäglichen, wird man einen Swimmingpool normalerweise nicht durch eingehende Betrachtung, sondern durch Schwimmen oder Planschen in Beschlag nehmen wollen. Hinzu kommt, dass die damit einhergehende Zerstörung der glatten Wasseroberfläche die Sichtbarkeit des Phänomens stark einschränkt.
Daher ist es auch hier wie so oft bei ungewöhnlichen Ansichten des Alltäglichen, dass es sich erst aus einer nicht alltäglichen Perspektive erschließt: Entweder man geht ins Wasser und blickt (ruhig schwimmend oder stehend) flach über die Wasseroberfläche ins Wasser oder – wenn man nicht nass werden möchte – kann man den Blick auch flach auf dem Bauch liegend vom Rand des Beckens her tun. Der Aufwand lohnt sich allemal. Zwar sind für jemanden der weiß, was er sehen will, die Deformationen auch aus einem normalen Blickwinkel andeutungsweise erkennbar. Ungewöhnlich wird der Anblick aber erst aus der ungewöhnlichen Perspektive.
Wie kommt es zu diesen optischen Deformationen?
Blickt man in ein Gefäß mit Wasser so stellt man manchmal – erstaunt oder nicht – fest, dass der Boden angehoben erscheint. Das Licht vom Boden des Gefäßes wird beim Übergang vom optisch dichteren ins optisch dünnere Medium vom Einfallslot weg gebrochen, so dass der Beobachter den Boden höher sieht, als er in „Wirklichkeit“ ist. Bei einer Tasse, in die man eine Münze legt, kann man dieses Phänomen eindrucksvoll demonstrieren (mittleres Foto). Blickt man so in die Tasse, dass man die Münze gerade nicht sieht und behält diesen Blickwinkel bei, so gerät sie plötzlich in den Blick, wenn die Tasse mit Wasser gefüllt wird. Der Boden wird samt der Münze optisch angehoben.
Die optische Hebung kennt man. Was man jedoch kaum kennt, ist die Tatsache, dass der optisch gehobene Gegenstand im allgemeinen nicht senkrecht über dem realen Gegenstand zu sehen ist, sondern je nach Blickrichtung auch mehr oder weniger stark horizontal verschoben erscheint. Wie der Blick ins Schwimmbecken zeigt, variieren diese Verschiebungen mit dem Blickwinkel.
Bei der Tasse ist man auf einen sehr kleinen Sehwinkel aus einer ganz bestimmten Höhe beschränkt. Bei größeren Wasserkörpern wie etwa einem Swimmingpool überblickt man gleichzeitig Gebiete aus stark unterschiedlichen Blickwinkeln insbesondere dann, wenn man sich der Wasseroberfläche stark annähert. Die Variation des Blickwinkels geht mit einer kontinuierlichen Variation der Stärke der Hebung einher und bringt die Deformationen hervor, die im obigen Foto zu sehen sind.
Die Deformationen sind außerdem deshalb so gut zu erkennen, weil Boden und Wände des Beckens mit Fließen belegt sind, die wie „Millimeterpapier“ selbst kleine Verzerrungen zu erkennen geben.
Solche brechungsbedingten Deformationen treten natürlich auch bei anderen Gewässern oder Teichen auf. Weil bei ihnen jedoch meist das rechteckige Bezugssystem fehlt, wird man brechungsbedingte Abweichungen von der unbekannten und unverzerrten „wahren“ Topologie des Bodens kaum feststellen können.

Glänzender Schmutz

Sediment_WasserpfützeDer Schmutz ist glänzend,
wenn die Sonne scheinen mag.

Johann Wolfgang von Goethe

Wenn eine Wasserpfütze durch Verdunstung und Versickern trockenfällt, hat sich auf dem freiwerdenden Boden einiges getan. Die im Wasser suspendierten Schmutzteilchen und Sandkörner haben sich gesetzt und zwar in einer an einen Siebevorgang erinnernden Weise. Zuerst sedimentiern die gröberen und schwereren Teilchen, dann die mittelgroßen und schließlich die kleinen, ganz feinen – in nahezu kontinuierlicher Abfolge. Das hat zur Folge, dass der oberste Belag des Boden aus feinsten Teilchen besteht, die die Oberfläche nahezu wie ein Lack versiegeln. Die Schicht ist so glatt, dass sie auch im bereits wasserfreien Zustand auf Hochglanz poliert erscheint. Erst wenn diese Schicht völlig ausgetrocknet ist, entsteht eine matte und hellere Färbung.
Auf dem Foto haben auf der noch nicht ganz verfestigten Oberfläche einige Käfer und andere Insekten ihre Spuren hinterlassen, die für einen diesbezüglichen Spurensucher einige Informationen über die Tierchen und ihr Verhalten bieten.

Rätselfoto des Monats Juni 2017

Wie kommt es zu dem tiefen Abgrund im Pool?

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Erklärung des Ratselfotos des Monats April 2017
Frage: Was macht die Pflanze so stark?

Antwort: Geht man davon aus, dass Pflanzensamen in kleine Risse des Asphalts geraten und ein Minimum an Erde und Feuchtigkeit vorfinden, so beginnen sie zu wachsen. Ein wesentlicher Mechanismus, Feuchtigkeit aufzunehmen funktioniert durch Osmose. Die Pflanzenzellen haben selektive Wände, die zum Beispiel reines Wasser durchlassen, nicht aber Pflanzensäfte. Da der Drang, sich zu vermischen, also eine möglichst einheitliche Lösung herzustellen, sehr groß ist, kann das Ziel nur dadurch erreicht werden, dass das Wasser durch die Wände in die Pflanze eindringt, umgekehrt aber kein Saft herauskann. Als zwangsläufige Folge erhöht sich der Druck in den Pflanzenzellen. Weil die Pflanzen die Flüssigkeit über die Wurzeln aufnimmt, spricht man auch vom Wurzeldruck. Erst wenn dieser so groß ist wie der durch das Mischungsbestreben bewirkte osmotische Druck wird die Wasseraufnahme gestoppt. Der Druck bei dem das passiert, kann mit bis zu 13 bar erstaunlich hoch sein. Bedenkt man, dass ein Autoreifen einen Druck von etwa 2 bar hat, so kann man sich die Sprengkraft, die dadurch bewirkt wird, gut vorstellen.
Wenn nach einigen Regentagen reife Kirschen platzen, so ist auch dafür der osmotische Druck verantwortlich. Er entsteht in diesem Fall dadurch, dass Regenwasser durch die selektive Haut der Kirsche ins Innere gelangt, um dem natürlichen Mischungsbestreben nachzukommen.

Vom Sonnenuntergang durchflammt

Springbrunnen_opalAls wir gehen und einen letzten Blick durch den Bogen des Schlosstors werfen, ist der ganze Regen des großen Springbrunnens vom Sonnenuntergang durchflammt, wie ein Opal im Feuerschein.

Edmond und Jules de Goncourt: Tagebücher. Frankfurt: Insel Verlag 1996. Weiterlesen

Rätselfoto des Monats Mai 2017

quellungsdruck_asphalt_rvFrage: Wie kommt es zu dieser Asphaltsprengung?

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Erklärung des Ratselfotos des Monats April 2017

Frage: Wie kommt es zu dem Wandschatten?

Antwort: Der Schatten auf dem Boden entsteht dadurch, dass eine Person durch ein Fenster hindurch von hinten und schräg oben vom Sonnenlicht angestrahlt wird, das durch ein Fenster fällt. Sowohl das Fensterkreuz als auch der Schatten der Person werden auf einem Fliesenboden abgebildet. Der Schatten an der Wand scheint ein Spiegelbild dieser Abbildung auf dem Boden zu sein und damit der Boden als Spiegel zu wirken. Dafür spricht der „Kopfstand“ des Personenschattens. Dagegen spricht allerdings, dass ein Spiegel das auffallende Licht (Fensterrahmen mit Person) nicht projiziert, sondern reflektiert und zwar gegen die Wand. Tut er ja auch, wie man sieht. Und die so erhellte Wand sieht man umgekehrt im spiegelnden Boden reflektiert. Das heißt aber, es würde sich genau das ergeben, was man sieht, nur mit einer anderen Begründung. Man sieht also das von hinten eingestrahlte Lichtmuster nicht direkt auf dem Boden, sondern indirekt dadurch, dass das vom spiegelnden Boden an die Wand reflektierte Lichtmuster durch den Boden gespiegelt wird.
Diese Argumentation wäre korrekt, wenn der Boden ein perfekter Spiegel wäre. Ist er aber nicht. Er ist gleichzeitig auch Projektionsfläche. Das kann man schon daran erkennen, dass auch die Bodenfliesen vom „Spiegelhaften“ des Bodens an die Wand reflektiert werden. Des Weiteren ist das Abbild der Person auf dem Boden deutlicher und „schattenhafter“ als auf der Wand. Darin kommt zum Ausdruck, dass der Boden eben doch auch einen Teil des einfallenden Lichtmusters projiziert und nicht nur reflektiert. Schatten und Spiegelbild fallen auf diese Weise zusammen. Das ist nicht immer so. Der Boden ist also gleichzeitig teilweise Spiegel und teilweise Reflexionsfläche oder teilweise glatt und matt.
Solche teilspiegelnden Flächen findet man im Alltag häufiger an als nur spiegelnde Flächen. Dabei kommt es zuweilen vor, dass der Schatten und das Spiegelbild nicht zusammenfallen, sondern als zwei verschiedene Abbilder zu sehen sind.
Die Schulphysik weiß schon, warum sie sich auf ideale Spiegel und Projektionsflächen beschränkt. Sie erspart sich derartig komplizierte Zusammenhänge. Sie beraubt sich damit allerdings auch der Möglichkeit, alltägliche Erscheinungen wie die vorliegende beschreiben zu können. Damit verfehlt sie eine ihrer wesentlichen Aufgaben, dazu beizutragen, alltägliche Erscheinungen in der wissenschaftlich-technischen und natürlichen Welt besser zu verstehen.

 

Der Sprung ins nasse Element

springen002Manchmal muss man einfach springen und sei es ins kalte Wasser. Es wird sich zeigen, dass dieser Sprung nicht nur notwendig ist, sondern auch erfrischend und voller Verheißung. Das gilt insbesondere, wenn eine große Prüfung bevorsteht.

Mit der Anzahl deiner Lebensjahre, die du heute wie nichts um eine Einheit erhöhst, hast du jedenfalls Glück. Denn es handelt sich um die kleinste Tetraederzahl, die das Produkt eines Primzahlzwillings ist. So, mit diesem Hinweisen kannst du leicht herausfinden, wie alt du heute gworden bist – falls du es vor lauter Arbeit vergessen haben solltest. Auf diesem Wege einen herzlichen Glückwunsch und alles Gute für das neue Lebensjahr.

Die Nadelarbeit des Winters

raureif_nadeln_dsc07825brvSelbst die vom letzten Jahr übriggebliebenen, vertrockneten Blätter einer Buche erstrahlen in neuem Glanz, wenn der Winter sie mit feinen Eisnadeln schmückt. Diese filigranen und gegen Berührung sehr sensiblen Kunstwerke der Natur entstehen zum einen dann, wenn die Temperatur einige Grade unter Null liegt und die Wasserdampfkonzentration sehr hoch ist (relative Feuchte über 90%). Weiterlesen

In diesen Tagen ist das Wasser ganz aus dem Häuschen

raureif_dsc06997a_rvIm Französischen hat man die schöne Wendung „être dans tous ces états“, was man meist im Sinne von „ganz aus dem Häuschen sein“ ins Deutsche übersetzt. Wenn man an das Verhalten des Wassers in diesen Tagen denkt, so wäre die wörtliche Übersetzung angemessener. Denn das Wasser ist zur Zeit in all seinen Zuständen aktiv: Weiterlesen

„Bienäre“ Interferenzmuster auf dem Wasser

RingwelleninterferenzWenn Bienen Wasser herbeischaffen, gehen sie normalerweise sehr vorsichtig zu Werke. Am liebsten holen sie sich das Wasser von feuchter Erde. Matschige Stellen am Rande meines Teiches werden an heißen Tagen von zahlreichen Bienen frequentiert, die freie Oberfläche des Teiches ist an sich tabu. Zu gefährlich. Weiterlesen

Rätselfoto des Monats Juli 2016

126_Blaue-blasen_Juli_2016Wie kommt es zu den blauen Blasen?

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Fluide und solide – Wasserskulpturen im Springbrunnen

WasserglockeSchlichting, H. Joachim. Physik in unserer Zeit 47/3, S. 152

Auch die geschicktesten Hände vermögen keine Skulptur aus Wasser zu schaffen. In Springbrunnen kann es ohne größere Anstrengung wie von selbst geschehen.

Neben flächenartigen Skulpturen erzeugen manche Springbrunnen auch Strukturen, die aus Bündeln einzelner Wasserstrahlen bestehen.

 

Hüpf, Steinchen, hüpf!

495px-Stone_skimming_-Patagonia-9Mar2010klein KopieSchlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft  4  (2016), S. 46 – 47

Treffen flache Kiesel unter kleinem Winkel auf eine Wasseroberfläche, wirkt diese wie eine Sprungschanze. Das kann sich einige Male wiederholen. Weiterlesen

Rätselfoto des Monats Februar 2016

 

121_Wellenförmige-Eiskante_Februar_2016Wie kommt es zu der wellenförmigen Eiskante?

Erklärung des Rätselfotos vom Vormonat: Wie_kommt_es_zu_den_farbigen_Lichtblitzen?

So schön, dass ich mich nicht darauf zu setzen wage…

Raureif_auf_einer_ParkbankWasser in einer seiner zahlreichen Formen, als Raureifkristalle auf einer Parkbank; so schön, dass ich mich nicht darauf zu setzen wagte. Wie sich Kinder einen Sternenhimmel vorstellen – sternförmig flimmernde Lichter vor dunklem Hintergrund – begegnen uns hier Eiskristalle als exquisites Kunstwerk der Natur.
Wie nahe Schönheit und Profanität manchmal nebeneinander liegen können, hätte ich erfahren, wenn ich es doch gewagt hätte, mich  zu setzen. Weiterlesen

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

Physik am Pool

Physik-am-PoolAm Swimmingpool gerät man manchmal auch vorstellungsmäßig ins Schwimmen. Beim Reinigen des Poolbodens wird mit einem langen Stab eine Art Staubsauer über den Boden geführt. Wenn man diesen Vorgang von der Seite her beobachtet, kann man einige erstaunliche Entdeckungen machen. Zunächst wird man vielleicht einmal mehr vom scheinbaren Knick des schräg in das Wasser tauchenden Stabs irritiert. Man kennt zwar das Phänomen im Kleinen vom scheinbar abgeknickten Strohhalm im Limonadenglas. Aber wie viel eindrucksvoller ist der Vorgang, wenn man ihn im Großen erlebt. Weiterlesen

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

Rätselfoto des Monats August 2015

115_Oppositionseffekt

Wie kommt es zu den Auhellungen im welligen Wasser?

Erklärung zum Rätselfoto des Vormonats: Drehender-Wasserstrahl

Rätselfoto des Monats Juni 2015

112_Blauer-SternenhimmelWie kommt es zu diesem blauen Sternenhimmel?

Erklärung des Rätselfotos vom Vormonat: Blatt_mit_Tropfen

Schatten, die keine sind

SchattenreflexeAuf den ersten Blick würde man sagen, dass wir hier auf die Schatten von Blättern auf der Wasseroberfläche eines Gewässers blicken. Doch bei näherem Hinsehen könnten auch Spiegelungen in Frage kommen, denn die andeutungsweise grüne Färbung der Abbildungen weist genau in diese Richtung. Dagegen spricht jedoch, dass bei einer Spiegelung der nur wenig Licht aussendenden Unterseite der Blätter die grüne Farbe kaum mehr zu erkennen sein dürfte. Der grüne Schimmer könnte vielleicht vom Boden stammen, da die Abbilder der Blätter das Wasser „durchsichtiger“ machen, als es an anderen Stellen ist und die Bodenstruktur besser erkennen lassen. 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 wie wohl sein möge. 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 Aufschlag 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 gut Spiegelung-Pfütze-MS-Domplaausgeleuchtete obere Gewölbe der Grotte spiegelte. Erst mit der Zerstörung der glatten Wasseroberfläche 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.

Über das Wasser gehen

WasserläuferSchlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 4 (2015), 52 – 54

Wie sich ein Wasserläufer auf der Oberfläche eines Teichs hält, ist längst geklärt. Bei der Frage, wie sich das Insekt darauf fortbewegt, sind Forscher jedoch auf ein Paradox gestoßen.

„Auf der Grenze liegen immer
die seltsamsten Geschöpfe.“

Georg Christoph Lichtenberg (1742 – 1799)

PDF: Über das Wasser gehen

Eine Bettdecke aus Schnee

SchneebettNicht nur äußerlich ähnelt der Schnee einem dicken Federbett. Luftig und leicht verringert dieses wie jenes die Wärmeleitung. Pflanzen die mit lockerem Schnee bedeckt sind, werden vor schwerem Frost geschützt, ebenso wie Federbetten die vom Körper durch Wärme an die Umgebung abgegebene Energie vermindern. Die Inuit leb(t)en in Iglus, um die isolierende Wirkung des Schnees auszunutzen. Auch wenn der Schnee selbst eine Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts hat, sorgen die Lufteinschlüsse dafür, dass nicht die Wärmeleitfähigkeit des gefrorenen Wassers für den Wärmetransport durch den Schnee entscheidend ist, sondern die der Luft und die ist äußerst gering.

Allerding gibt es einen kleinen nicht unwesentlichen Unterschied zwischen Federn (die ebenfalls von der schlechten Wärmeleitfähigkeit der eingeschlossenen Luft profitieren) und Schnee: Schnee schmilzt bei Temperaturen über dem Gefrierpunkt. Die isolierende Wirkung des Schnees kann also nur bei relativ niedrigen Temperaturen genutzt werden.

Dazu fällt mir ein kleines Rätsel aus Kindheitstagen ein:
Es fällt herab
vom Himmel.
sieht weiß aus
wie ein Schimmel,
ist wie ein Bettchen weich,
zerfließt wie Wasser gleich
und macht dann naß –
was ist das?

Das waren noch Zeiten…

33_Geburtstag_Jan… als man die „Untersuchungen“ des Strömungsverhaltens von Wasser noch kontemplativ und meditativ betrachten konnte, ohne sich Gedanken darüber machen zu müssen, welche physikalischen Gesetze hinter diesem Verhalten stehen. Auch die Frage, warum der helle Boden durch das durchsichtige Wasser dunkel wird, musste dich nicht interessieren. Die Zeiten haben sich in den letzten 30 Jahren geändert. Wir wollen die Gelegenheit nutzen und dir ganz herzlich zu deinem 33. Geburtstag gratulieren, der ein Jahr mit neuen Herausforderungen mit sich bringen wird.

„Zahlentheoretisch“ sicht es schon mal ganz gut aus. Die Zahl 33 besteht aus zwei gleichen Ziffern und wird in der Mathematik auch als Redigit (repeated digits) bezeichnet. Da auf diese Weise die 3 darin gleich 2 mal vorkommt und 3 und 2 besondere Zahlen sind, hat es die 33 in sich: die 2 ist die kleinste und einzige gerade Primzahl und die einzige, auf die direkt eine weitere nämlich die 3 folgt. Die drei ist die erste ungerade Primzahl und die zweitkleinste. 2 und 3 sind die 3. und 4. Fibonacci-Zahl. Die 3 gibt außerdem die Seitenzahl des Dreiecks an, welches die einfachste geometrische Figur in der Ebene darstellt. Außerdem gilt für 33 die Dreierregel, wonach ihre Quersumme ein Vielfaches nämlich das 2-fache von 3 und damit durch 3 teilbar ist: 3 mal 11. Somit steckt auch noch die 1 gleich 2 mal darin, womit auch die 1. und 2. Fibonacci-Zahl darin enthalten ist. Es führte zu weit, auch noch die Besonderheiten der 1 hier zu nennen.

Rätselfoto des Monats März 2014

098_Polarisationsschatten

Warum ist das Wasser im Vordergrund so dunkel?

Erklärung des Rätselfotos vom Vormonat: Diesmal ist die Erklärung sehr einfach, weil keine subtilen Naturphänomene im Spiel sind. Die Bank war über Nacht umgekippt und wurde so durch den fallenden Schnee abgebildet.

Rätselfoto des Monats August 2013

091_Wasserflächen

Frage: Warum bildet Wasser Flächen aus, und warum zerreißen sie schließlich?

Erklärung des Rätselfotos vom Vormonat: Beugungsmuster im Spinnennetz

Spiegelwelt mit Fehlern

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 42/9 (2011), S.40-41

Manche vermeintlichen Rätsel lassen sich erst lösen, wenn wir stillschweigend Vorausgesetztes auf den Prüfstand stellen.

»Eine komische Stadt, senkrecht zu ihrer Spiegelung. Es gibt Stunden, in denen das Wasser sich beruhigt und plötzlich der Schein sich bildet. Das harte, trockene Venedig steigt aus einer platten Spiegelung, eine auf einen Spiegel gestellte Stadt …
Die Architektur ist nicht wahnsinnig, sie hat alle Sinne beisammen, ihre Vernunft ist die Schwerkraft, ihre Einsicht die G erade, die man zieht, die G erade, der kürzeste Weg von einem Punkt zum andern. Ihre L eichtheit ist die besiegte Schwerkraft. Die Mauer steht, weil sie vernünftig ist. B eschränktes, beschränktes Denken, Reize geometrischer Denkweise.«
Jean-Paul Sartre (1905 – 1980)

http://www.spektrum.de/alias/schlichting/spiegelwelt-mit-fehlern/1116468

Farbige Moirémuster als Naturphänomen

Schlichting, H. Joachim; Suhr, Wilfried. In: Physik in unserer Zeit 41/3 (2010) 41 – 43

Ringwellensysteme auf der Wasseroberfläche eines Swimmingpools können unter bestimmten Bedingungen farbige Ringe hervorrufen, die sich als ein Moiré-Muster erweisen. Es entsteht aus einer Überlagerung der Ringwellen mit deren Projektion auf dem Boden des Pools. Moiré-Effekte sind im technisch-wissenschaftlichen Alltag häufiger beobachtbar – in der Natur dagegen selten.

PDF: Farbige Moirémuster als Naturphänomen

Trübe Aussichten? Nicht nur!

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 6 (2009), S. 42

Beim Blick unter Ljubljanas Brücken zeigt sich ein faszinierendes Wechselspiel diffuser und spiegelnder Reflexion.

Kein glänzender und durchsichtiger Körper kann auf sich den Schatten
irgendeines Gegenstandes aufweisen,
wie man am Schatten der Brücken über den Flüssen sieht,
welche man nur sehen kann, wenn das Wasser trüb ist …
Leonardo da Vinci (1452 – 1519)

’ne Perl in jeder Primel Ohr

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 4 (2009), S. 29

Die leuchtenden Wassertropfen, die früh am Morgen auf Gras, Blättern und auch Schafwollfäden zu finden sind, verdanken sich der Physik der kleinen Dinge.

Die Neigung der Menschen,
kleine Dinge für wichtig zu halten,
hat sehr viel Großes hervorgebracht.
Georg Christoph Lichtenberg (1742 – 1799)

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