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Wechselwirkung

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Natürliche Sandmuster

Man kann sich gar nicht genug wundern, mit welcher „Kreativität“ das Zusammenspiel von Wind und Dünensand Skulpturen hervorbringt, die eine feste Form zu haben scheinen, einige Minuten später aber wieder ganz anders aussehen.

Die Schönheit des Wüstensands

Wer sagt die Wüste sei öd und leer, der kennt nicht die ganze Wahrheit. Die Sandwüste bestehend aus Myriaden von Sandkörnern, die in ihrer Schlichtheit und scheinbaren Nichtigkeit kaum zu überbieten sind, die durch die Finger rinnen und sich scheinbar allenfalls an den Partnerkörnern stoßen können, bringen oft durch Wind und Wellen „beflügelt“ faszinierende Strukturen und Muster hervor. Ich kann mich bei Wanderungen in Wüsten oder auch nur in begrenzten Dünenlandschaften oft kaum sattsehen an naturschönen Anblicken. Sie stellen darüber hinaus oft Rätsel über ihre Entstehung und temporäre Stabilität dar, die nicht selten ungelöst bleiben müssen. Allenfalls lassen sich Teilaspekten physikalisch aufklären. Das habe ich in der Vergangenheit an vielen Stellen in diesem Blog getan. Diesmal lasse ich die Strukturen einmal physisch, physikalisch und gedanklich völlig unangetastet…

Für ewig entzweite Pole

Eisenfeilspäne zeigen die abstoßende Wirkung zweier gleichnamiger ferromagnetische Pole

Was will die Nadel nach Norden gekehrt?“
Sich selbst zu finden, es ist ihr verwehrt.
Die endliche Ruhe wird nur verspürt,
Sobald der Pol den Pol berührt.
Drum danket Gott, ihr Söhne der Zeit,
Daß er die Pole für ewig entzweit.
Magnetes Geheimnis, erkläre mir das!
Kein großer Geheimnis, als Lieb´ und Haß.
Willst du deines Gleichen kennen lernen,
So wirst du dich gleich wieder entfernen.
Warum tanzen Bübchen mit Mädchen so gern?
Ungleich dem Gleichen bleibt nicht fern.
Dagegen die Bauern in der Schenke
Prügeln sich gleich mit den Beinen der Bänke.
Der Amtmann schnell das Übel stillt,
Weil er nicht für ihres Gleichen gilt.
Soll dein Kompaß dich richtig leiten,
Hüte dich vor Magnetstein, die dich begleiten.
*

Die anziehende und abstoßende Wirkung eines Ferromagneten und die Vermutung, dass die Erde als ein solcher anzusehen sei, wurde nicht nur im Rahmen der aufkommenden neuzeitlichen Physik als eine erstaunliche Eigenschaft der Materie angesehen. Sie wurde auch schnell zum Gegenstand esotherischer Praktiken und zur Metapher für Abstoßung und Anziehung in fast allen Bereichen des menschlichen Lebens.
Der Ferromagnetismus wurde erst im letzten Jahrhundert als kollektive makroskopische Wirkung eines mikroskopischen Effekts, dem Spin von Atomen, erkannt. Auch heute noch ist der Magnetismus allgemein eine aktuelle Forschungsdisziplin der Physik und hat seine tiefsten Geheimnisse (noch) nicht preisgegeben.


* Johann Wolfgang von Goethe. Poetische Werke. Band 1, Berlin 1960 ff, S. 423ff.


Johann Wolfgang von Goethe
(Deutscher Dichter 1710–1782)
Johann

Streuexperimente in der Natur

In den letzten Wochen machen vermehrt morgendliche Nebel darauf aufmerksam, dass der Sommer zuende geht und der Herbst heimlich, still und leise Einzug hält. Wenn die Nebel nicht allzu dicht und hoch sind, hat die Sonne die Gelegenheit, ihrer Sichtbarkeit mit Hilfe der winzigen Wassertröpfchen, aus denen der Nebel besteht, eine besonders eindrucksvolle Form zu geben, nämlich als Sonnenstrahlen. Dieser Begriff ist ein wenig irreführend, weil er suggeriert, als würde man die Strahlen der Sonne, die an ganz anderen Stellen den Boden treffen von der Seite oder schräg von vorn sehen. Das ist so aber nicht richtig. Denn wir sehen nur Gegenstände, dessen Licht direkt in unsere Augen fällt. Allerdings gehen die von Löchern im Blätterdach der Bäume aus dem Sonnenlicht herausgefilterte Strahlen nicht ungehindert durch den Nebel. Sie treten in Wechselwirkung mit den Wassertröpfchen und werden dabei vor allem nach vor und seitlich abgelenkt (Mie-Streuung, Tyndall-Effekt). Auf diese Weise gelangt das Licht der Sonne in unsere Augen, ohne dass wir in die Sonne blicken. Wir sehen die Sonnenstrahlen also nur indirekt dadurch, dass die Tröpfchen oder auch andere Aerosole in der Atmosphäre das Sonnenlicht ablenken. Den Effekt der Vorwärts- und Seitwärtsstreuung kann man erkennen, wenn man um die „Sonnenstrahlen“ herumgeht und feststellt, dass sie von vorn gesehen am intensivsten strahlen, zur Seite hin immer schwächer werden und von hinten meist gar nicht mehr zu sehen sind.
In vielen Fällen kann man dort, wo die Strahlenbündel der Sonne auf dem Boden auftreffen, ovale Lichtflecken sehen – Sonnentaler.

Bienen und Blumen unter Spannung

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 4 (2020), S. 60

Es flüstern und sprechen die Blumen
Heinrich Heine (1797 – 1856)

Fliegende Insekten wie Hummeln sind elektrisch leicht positiv geladen, viele Blüten hingegen negativ. Mit ihrem Pelz können die Tiere die Felder spüren – und so abschätzen, wie viel Nektar noch zu holen ist.

Wer über Blumen schwirrende Insekten beobachtet, fragt sich vielleicht: Sind die Kraft raubenden Anflüge nicht zum großen Teil vergeblich, weil sich bereits andere kurz vorher am Nektar bedient haben? Die prächtigen Farben und Strukturen der Blüten ändern sich schließlich nicht, ebensowenig ihr betörender Duft. Doch es gibt weitere, für uns Menschen unmerkliche Hinweise, ob sich ein Besuch lohnt. Weiterlesen

Wind, Sand und Struktur

Die wie ineinander geschobene Keile wirkenden schiefen Ebenen aus Sand beeindrucken nicht nur durch ihre fast lineare Geometrie, sondern auch durch ihre Festigkeit und ästhetische Qualität. Was mich jedoch noch stärker fasziniert ist die Tatsache, dass dieses Gebilde aus winzigen höchst unterschiedlicher Sandkörnchen, die in der Schlichtheit, mit der sie untereinander wechselwirken (nichts als Stöße und rollende Abgänge) kaum zu überbieten sind, zu solchen Strukturen führen. Denn die einzige äußere Einwirkung ist der Wind, der die Teilchen vor sich hertreibt und durch die bereits bestehende Dünenwelt ganz erheblich in Turbulenzen gerät.
Da ich an verschiedenen Stellen in diesem Blog auf die unterschiedlichsten Aspekte des Wüstensandes hingewiesen habe, möchte ich mich hier auf die physikalisch bedingte Ästhetik beschränken und auf die feinen Rippel hinweisen, die auf jeden der im Bild gezeigten Hänge einen eigenen Charakter haben. Anders vermag ich es nicht zu umschreiben. Ich meine damit, dass die Rippel, obwohl keiner dem anderen gleicht, auf ein und demselben Hang ähnlich aussehen – so wie sich die Blätter eines Baumes ähneln. Von einem Hang zum anderen unterscheiden sie sich jedoch erheblich – so wie das Eichenblatt vom Buchenblatt.
Die Ursache für diese hangspezifischen Unterschiede liegt in der unterschiedlichen Struktur der Winde begründet, die hier durch die Wechselwirkung mit den Dünen, ihrer Größe, Neigung, ihrer Anordnung im Gesamtensemble der Dünen entsprechend modifiziert werden. Die Grob- und Feinstrukturen des Sandes und des Windes entsprechen sich gewissermaßen, wie sich Prägestempel und geprägte Münze entsprechen, obwohl sie ansonsten völlig verschieden in Aussehen und Funktion sind.

Vom realen zum freien Fall: Annäherungen – Fall 8

Im ersten Fall lässt man einen Papierstreifen, am besten in Form einer Spielkarte etwa aus Kopfhöhe fallen. Sie fällt meist nicht in vorhersagbarer Weise, sondern geht Kapriolen schlagend zu Boden und landet in einiger Entfernung vom Fußpunkt des Startpunkts.
Im zweiten Fall, lässt man die Karte senkrecht ausgerichtet fallen (siehe obere Abbildung, man blickt auf die kurze Stirnseite der Karte). Sie geht mit großer Wahrscheinlichkeit nach einer kurzen senkrechten Fallstrecke in eine gleichmäßige Drehbewegung um die horizontale Achse über und landet in einer bestimmten Entfernung links oder rechts vom Startpunkt. Diese Situation ist schematisch in der oberen Abbildung zu sehen, in der die Positionen der fallenden Karte in sehr kurzen, konstanten Zeitabständen dargestellt ist.
Dass die Entfernung des Landepunkts von dem Fußpunkt des Starts stets in etwa dieselbe ist und es vom Zufall abhängt, ob die Karte links oder rechts landet, erfährt man, wenn zahlreiche Karten auf die gleiche Weise fallengelassen werden. Es entstehen schließlich zwei gleich weit vom Startpunkt entfernte Kartenhäufchen, deren Anzahl im Idealfall sich umso mehr angleicht, je mehr Karten fallengelassen werden. Weiterlesen

Steine: 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

Gleich und gleich gesellt sich gern

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 43/8 (2012), S. 49-51

Objekte, die auf Wasseroberflächen schwimmen, verhalten sich oft unerwartet. Verantwortlich dafür sind die beteiligten Grenzflächenenergien.

Vielleicht ist viel mehr an der Oberfläche –
vielleicht ist alles falsch, was nicht Oberfläche ist?
Elias Canetti (1905 – 1994)

http://www.spektrum.de/alias/schlichting/gleich-und-gleich-gesellt-sich-gern/1155296

Oberflächliche Attraktionen. Naturphänomene, die sich der Minimierung der Oberfläche verdanken.

Schlichting, H. Joachim. In: Praxis der Naturwissenschaften. Physik in der Schule 55/3 (2006) 2 – 6

Wenn Tannennadeln in eine Pfütze oder einen Teich fallen, wird man sie über kurz oder lang fein säuberlich gepackt in mehr oder weniger großen Flößen auf dem Wasser driften sehen. Kaum jemals trifft man einzelne Nadeln an, es sei denn, sie sind gerade hineingefallen und hatten noch keine Gelegenheit, sich einem Nadelfloß anzuschließen.

Auch Blasen, die zum Beispiel entstehen, wenn aus einem Rohr Wasser in ein Becken strömt, vereinigen sich stets zu mehr oder weniger großen Blasenflößen…

PDF: Oberflächliche Attraktionen. Naturphänomene, die sich der Minimierung der Oberfläche verdanken.Oberflächliche Attraktionen.

Attraktive Kugeln

Schlichting, H. Joachim. In: Physik in unserer Zeit, 36/5, 243 (2005).

Fast jeder kennt die Klick-Klack-Maschine, auch Newtons-Cradle genannt (Abbildung 1). Prallt eine Kugel gegen eine Reihe sich berührender Kugeln, so bleibt sie nach dem Stoß stehen, und die letzte Kugel am anderen Ende setzt die Bewegung mit etwa der gleichen Geschwindigkeit fort, mit der die erste auf die Reihe prallte. Dies demonstriert Impuls- und Energieerhaltungssatz. Es gibt jedoch eine Variante, in der die Energieerhaltung verletzt zu sein scheint.

PDF: Attraktive Kugeln

Magnetische Levitation

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

Jeder der schon einmal versucht hat, einen Permanentmagneten über einem anderen zum berührungsfreien Schweben zu bringen, wird die praktische Unmöglichkeit des Unterfangens festgestellt haben. Wer das Earnshaw-Theorem kennt, weiß, dass dies auch praktisch nicht möglich ist. Umso erstaunter wird er sein, dass ein Diamagnet nicht nur theoretisch, sondern auch praktisch über Magneten zum freien Schweben gebracht werden kann.
Es werden einige verblüffende Experimente zum diamagnetischen Schweben demonstriert.

PDF: Magnetische Levitation

Die Magnetschnellbahn Transrapid im Experiment

Markus Uhlenbrock; Nordmeier, Volkhard; Schlichting, H. Joachim. In: MNU 53/4, 220-226 (2000).

Die Magnetschnellbahn Transrapid ist die bekannteste Anwendung des Linearmotors als Fahrzeugantrieb. Ohne die Fahrbahn zu berühren, wird das Fahrzeug von elektromagnetischen Wanderfeldern auf Geschwindigkeiten von über 400 km/h beschleunigt. In einem Demonstrationsexperiment zum Linearmotor mit handelsüblichen Lehrmitteln lassen sich Entstehung und Wirkung von elektromagnetischen Wanderfeldern und somit die Funktionsweise des synchronen Langstator-Linearmotors veranschaulichen.

PDF: Die Magnetschnellbahn Transrapid im Experiment

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