Selbstorganisation

Musterbildung am Frühstückstisch

Beim Frühstück kann es einem passieren, dass man lamellenartige Muster erzeugt, wenn man zum Beispiel die Butter in bestimmter Weise mit dem Messer abschabt.
Das Messer hakt zunächst an der Butteroberfläche fest, weil die lokale Haftreibung größer ist als die Gleitreibung. Dabei baut sich eine Spannung auf, wodurch die Butter elastisch wird und sich dann plastisch verformt.
Sobald die mit dem Messer ausgeübte Scherspannung die lokale Fließgrenze der Butter überschreitet, wird die Haftreibung überwunden und das Messer rutscht ein Stück weiter. Dabei wird die gespeicherte elastische Energie schlagartig freigesetzt und das Messer sieht sich erneut der Haftreibung des bislang unversehrt gebliebenen Bereichs der Butter ausgesetzt.
Der Vorgang wiederholt sich schnell und periodisch entlang der Bewegung des Messers. Dabei wird in jeder Stick-Phase eine dünne Butterschicht verschoben und gestaucht, während diese in der Slip-Phase abgelöst und über die vorige Schicht geschoben wird.
Auf diese Weise entstehen die lamellenartigen periodischen Scherfronten, die zunächst (siehe Foto) am Messer haften bleiben.
Was ich beim Frühstück eher als eine interessante Strukturbildung ansehe, die ohne bewusste Gestaltungsabsicht auftritt, spielt dieser Vorgang zum Beispiel bei der Metallspanbildung beim Zerspanen (Fräsen, Drehen, Bohren) eine wichtige Rolle. Dort erhält man aber meistens Fließspäne mit einer lamellaren Struktur.
Auch bei Erdbeben, wenn sich an geologischen Störungsflächen über lange Zeit Spannungen aufbauen, kommt es immer mal wieder zu mehr oder weniger heftigen ruckartigen Slip-Ereignissen.
Nicht immer sind Stick-Slip-Vorgänge mit Materietransport verbunden. Manchmal reicht es nur zu einem akustischen Signal. Das ist zum Beispiel beim Quietschen von Türen der Fall.

Überraschende Dusche im Wald

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 10 (2025), S.58-59

Es beginnt mit einem Flüstern – endet im Getöse
Ursula Krechel, deutsche Schriftstellerin

Kleine Tropfen von Nieselregen können sich auf den Blättern von Laubbäumen ansammeln und eine kritische Masse erreichen: Dann genügt ein kleiner Anstoß, und die Blätter werden in einem Schwall lawinenartig von ihrer Wasserlast befreit.
Obwohl es ein wenig nieselte, entschloss ich mich zu einem Spaziergang im nahe gelegenen Wald. Ich ging davon aus, die Bäume würden mit ihrem üppigen Laub die Tröpfchen schon irgendwie abfangen. Als ich den Wald betrat, schien sich diese Einschätzung zunächst zu bestätigen – nur ab und zu traf mich ein Tropfen. Doch das änderte sich plötzlich.
Auf einmal setzte ein anschwellend rauschendes Geräusch im Laubwerk der Bäume ein. Ging eine Windböe hindurch? Ehe ich diesen Gedanken so richtig erwägen konnte, erhielt ich eine Antwort in Form eines heftigen Tropfenschauers von oben. Er ging scheinbar ungehindert durch das Blätterdach der Laubbäume hindurch.
Während ich noch über eine Möglichkeit nachdachte, dem Regenschauer zu entgehen, beruhigte sich die Lage wieder. Begleitet von vereinzeltem Nachtröpfeln schien es nunmehr trocken zu bleiben. Doch weit gefehlt! Als ich schon nicht mehr damit rechnete, rollte unversehens die nächste Lawine heran.
Entscheidend für diesen durch Nieselregen ausgelösten Schwall ist die Wechselwirkung der Wassertröpfchen mit den Blättern. Deren Fläche, die »Blattspreite«, wird naturgemäß möglichst so ausgerichtet, dass sie viel Licht auffangen kann. Sie steht daher etwa senkrecht zum mittleren hellsten Lichteinfall.
Die Blätter der Laubbäume sind meist weitgehend hydrophob: Das Wasser breitet sich nicht auf der waagerecht ausgerichteten Oberfläche aus, sondern benetzt sie in mehr oder weniger großen Tropfen. Viele Blätter haben Vertiefungen, Rinnen oder V-förmigeStrukturen entlang der Mittelrippe oder am Blattgrund. Darin kann sich Wasser ansammeln. Auf diese Weise verbleibt ein nicht unerheblicher Teil des Regenwassers auf den Blättern. Immerhin hat man in Laubwäldern eine Wasserzurückhaltung (Interzeption) von bis zu 25 Prozent des Niederschlags ermittelt.

Infolge der Wasseraufnahme des Blatts nehmen die Masse und damit die Gewichtskraft zu. Dadurch neigt es sich stärker als im trockenen Zustand. Elastische Kräfte des ausgelenkten Blattstiels kompensieren die Gewichtskraft. Die Adhäsionskraft zwischen Blattoberfläche und Wasser bewirkt, dass dieses zunächst auch in der veränderten Ausrichtung nicht abfließt.
Das ändert sich erst, wenn die Komponente der Gewichtskraft des angesammelten Wassers größer wird als die benetzungsbedingte Adhäsionskraft, mit der das Wasser am Blatt haftet. Dann läuft ein Teil des Wassers ab, oder es sammelt sich in den Vertiefungen, die manche konkav geformten Blätter aufweisen. Es bleibt jedoch stets ein Teil des anhaftenden Wassers zurück.
Bei normalem Regen wird das Blatt bereits von Anfang an durch den quasi stationären Strom von relativ großen Wassertropfen weit ausgelenkt – so weit, dass es zu keiner nennenswerten Speicherung von Wasser kommt. Es ergießt sich unmittelbar auf die nächstniedrigeren Blätteretagen. Dort findet es ähnliche Bedingungen vor und läuft weiter ab. Akustisch führt das Geschehen zu einem nahezu gleichbleibenden Rauschen.
Bei Nieselregen hingegen müssen sich die Blätter gewissermaßen erst allmählich füllen. Nun dauert es einige Zeit, bis sie den kritischen Neigungswinkel erreichen, der einen entsprechenden Überlauf ermöglicht und damit ein Weiterreichen des Wassers an die darunter liegenden Blätter. Nach einer solchen Entleerung wippt das Blatt in seine Ausgangslage zurück, und der Vorgang wiederholt sich. Das passiert statistisch verteilt mal hier und mal dort und fällt meist nicht weiter ins Gewicht.
Die beim Nieseln überlaufenden Blätter behalten einen Teil des anhaftenden Wassers und bleiben daher in einem elastisch gespannten Zustand. Erst eine erzwungene weitere Neigung würde weiteres Wasser freigeben. Die nachströmenden Nieseltropfen reichen dazu nicht aus. Würde das Blatt jedoch durch welche Kraft auch immer weiter geneigt, käme es zu einer entsprechend größeren Entleerung.
Das kann beispielsweise eine zusätzliche Wasserzufuhr von oben bewirken. Dazu würde ein heftiger Windstoß genügen, der gleich mehrere unterschiedlich gefüllte Blätter über die maximale Neigung hinaus auslenkt. Das löst so etwas wie eine Wasserlawine aus. Denn die nächstniedrigeren Blätter erhalten auf diese Weise verhältnismäßig viel Wasser, sodass sehr viele von ihnen ebenfalls zur gleichen Zeit überlaufen.
Ein lawinenartiger Abgang des Wassers hat zur Folge, dass ein großer Teil der Blattreservoire entleert wird. Anschließend sind diese daher etwa zur gleichen Zeit wieder gefüllt. Dann reicht eine kleine Störung, um auch ohne einen starken Windstoß für eine kollektive Entleerung zu sorgen. Diese Störung könnte im Extremfall darin bestehen, dass vielleicht nur ein einziges Blatt überläuft und damit seine Wasserladung an die nächstniedrigeren Blätter abgibt. Weil diese jedoch bereits gespannt wären, reichte die Zufuhr von oben, sie so weit auszulenken, dass auch sie ihr Wasser weitergäben. Es käme somit möglicherweise zu einer Tropfenlawine, die begleitet vom anschwellenden Rauschen bis zur untersten Blattetage durchschlüge.
Was immer der Auslöser für die beiden lawinenartigen Regengüsse gewesen sein mag, die ich während des Nieselregens im Wald über mich ergehen lassen musste, es war ein Beispiel für ein kollektives Phänomen: Unzählige winzige Wasserströme vereinigten sich wie auf ein Kommando zu einem einheitlichen großen Strom.

Selbstorganisierte Gebilde auf dem Wasser

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 6 (2025), S. 52 – 53

Diese gegenseitige Anziehung beschleunigte natürlicher Weise
 die wundervolle Concentration
Christoph Martin Wieland

Dinge, die auf dem Wasser driften, verformen dessen Oberfläche. Die umher treibenden Objekte stoßen sich deswegen gegenseitig ab oder ziehen sich an, fast wie elektrische Ladungen. Das lässt sich sogar nutzen, um gezielt Strukturen zu erzeugen.

Wenn im Frühjahr die Blütenblätter des Apfelbaums in den benachbarten Teich fallen, bleiben sie nicht dort liegen, wo sie auftreffen. Vielmehr tun sie sich merkwürdigerweise über kurz oder lang zu größeren Gebilden zusammen oder lagern sich an andere Objekte an. Es gibt aber auch Treibgut, von dem sie abgestoßen werden – das sich selbst jedoch gegenseitig anzieht. Wie sich Dinge auf der Wasseroberfläche begegnen, hängt entscheidend davon ab, wie genau sie das Wasser jeweils verbiegen.
Wenn ein Gegenstand die Grenzschicht so verformt, dass sich das Wasser an ihm hochwölbt, spricht man von einem konkaven Meniskus. Anderenfalls, wenn er das Wasser herunterdrückt, liegt ein konvexer Meniskus vor. Dabei zeigt sich, dass sich Objekte mit gleichem Meniskus anziehen und solche mit ungleichem abstoßen.

Die Details dieser Wechselwirkungen zwischen den kleinen schwimmenden Gebilden und der Wasseroberfläche lassen sich in einem Gefäß genauer untersuchen. Dazu eignen sich kleine, leichte Gegenstände. Setzt man beispielsweise einige Styroporkügelchen in ein Glas mit Wasser, umgeben sie sich mit einem konkaven Meniskus. Sie ziehen sich gegenseitig an. Manche driften auch zum Rand, denn dort hat sich wegen der Benetzbarkeit von Glas ebenfalls ein konkaver Meniskus ausgebildet.
Wenn man von ein paar dynamischen Details einmal absieht, lässt sich das Verhalten aus energetischer Sicht leicht beschreiben. Entscheidend ist dabei das fundamentale Prinzip, dass bei allen von selbst ablaufenden Vorgängen möglichst viel Energie an die Umgebung abgegeben wird. Zur Bildung der Grenzfläche zwischen den Styroporkügelchen und der Luft ist wesentlich mehr Grenzflächenenergie nötig als zwischen den Kügelchen und dem Wasser. Deswegen steigt dieses an ihnen hoch – so weit, bis der Energiegewinn gleich der dazu erforderlichen Höhenenergie ist. Das äußert sich in einem konkaven Meniskus, der die Styroporkügelchen umgibt. Kommen sich zwei von ihnen auf dem Wasser näher, so ziehen sie sich an. Die Vereinigung vergrößert die gemeinsame Benetzungsfläche, und es kann zusätzlich Energie an die Umgebung gehen.

Setzt man statt eines Kügelchens eine Heftzwecke kopfüber auf die Wasseroberfläche, so sinkt sie wegen ihrer größeren Dichte ein. Wenn man es geschickt anstellt, geht sie aber nicht unter, sondern dellt das Wasser nur ein. Die zusätzliche Grenzflächenenergie zwischen Wasser und Luft gleicht die Höhenenergie aus, die dabei frei wird. Die Heftzwecke wird von einem konvexen Meniskus umgeben. Auch zwei driftende Heftzwecken ziehen sich gegenseitig an. Denn wenn sich zwei Menisken vereinigen, nimmt die Wasseroberfläche weniger stark zu als bei getrennten Heftzwecken, sodass Grenzflächenenergie abgegeben werden kann.
Was passiert, wenn sich eine Styroporkugel, die auf ihrem konkaven Meniskus thront, einer Heftzwecke nähert, die in ihrer konvexen Vertiefung liegt? Bei einer Annäherung wüchse die Summe der Grenzflächen der beiden Menisken – und damit die Grenzflächenenergie. Deswegen stoßen sie sich gegenseitig ab. Setzt man eine Heftzwecke in die Nähe einer Styroporkugel, so streben beide umso heftiger auseinander, je näher sie einander kommen. Entscheidend für die Abstoßung oder Anziehung auf dem Wasser driftender Objekte ist also, ob beim Zusammenfinden die Wasseroberfläche größer oder kleiner wird.
Wie driftende Körper die Wasseroberfläche verändern und wie sie sich zueinander verhalten, hängt aber nicht nur von ihrer Dichte ab. Sofern die Teilchen überhaupt schwimmen, entscheidet auch ihre Form und damit der genaue Verlauf des Meniskus über Anziehung und Abstoßung.
Um das nachzuvollziehen, kann man kurze Enden von Geschenkband (Ringelband und ähnliches) auf Wasser legen. Das Geschenkband ist normalerweise schon wegen seiner engen Wicklung leicht gekrümmt. Schneidet man das Band in zwei bis drei Zentimeter lange Stücke und setzt diese vorsichtig wie Schiffchen auf die Wasseroberfläche, macht man interessante Beobachtungen.
Die Schiffchen ziehen sich an, wenn man jeweils Bug und Heck annähert. Auf diese Weise lassen sich ganze Ketten bilden. Sie haften so stark aneinander, dass man einen längeren Schiffsverband über die Wasseroberfläche ziehen kann.

Aber die Bandstücke haften nicht nur in Längsrichtung zusammen, sondern auch parallel orientiert. Dann legen sie sich Seite an Seite. Lediglich dann, wenn sie senkrecht zueinander ausgerichtet werden, stoßen sie sich ab und begeben sich sofort in eine anziehende Position.
Anziehung und Abstoßung erinnern an das Kräfteverhalten elektrischer Ladungen, allerdings mit dem Unterschied, dass sich hier gleichnamige Pole anziehen und ungleichnamige abstoßen. Während die Styroporkügelchen und Heftzwecken gewissermaßen entgegengesetzt geladene Monopole sind, verhalten sich die Schiffchen wie Quadrupole. An den Enden wölbt sich das Wasser nach oben und zieht das Schiffchen ein wenig ins Wasser hinein. An den Seiten wird die Oberfläche hingegen konvex eingedellt. Damit hat man einander gegenüberliegende, paarweise entgegengesetzte Pole. Entsprechende Kräfte wirken auf benachbarte Schwimmkörper.
Positioniert man die Schiffchen kopfüber auf der Wasseroberfläche, tauchen die beiden Enden ein wenig ins Wasser ein und bilden dabei konvexe Vertiefungen aus. Konkave Aufwölbungen entstehen nun an den Seiten. Insgesamt hat man es abermals mit einem Quadrupol zu tun, nur dass die Polaritäten vertauscht sind.
Wenn man beide Quadrupoltypen auf dem Wasser in Wechselwirkung bringt, kann man beobachten, wie sich komplexe Strukturen herausbilden. Über solche kurzweiligen Spielereien hinaus beschäftigen sich auch ernstzunehmende wissenschaftliche Untersuchungen mit ähnlichen Phänomenen. Dabei geht es vor allem darum, solche Eigenschaften der Selbstorganisation auszunutzen, um das Verhalten kleinster schwimmender Teilchen zu kontrollieren.

Quelle
Lorenzo B. et al.: Capillary interactions between anisotropic particles. Soft Matter 39, 2012

Rätselfoto des Monats Oktober 2024

Wir möchten wissen, warum die Wellen auf den Kopfschatten des Fotografen hin ausgerichtet sind.

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Erklärung des Rätselfotos des Monats September 2024

Frage: Wir möchten wissen, wie diese Streifenmuster zustande kommen.

Antwort: Die Streifen auf dem abschüssigen Waldweg bestehen aus Tannennadeln und anderen Teilchen, die von den Bäumen stammen. Bei einem starken Regen schiebt die den Weg hinunterströmende Wasserfront die Teilchen wie ein Schneeschieber zusammen. Mit zunehmender Masse wächst die Reibung mit dem Boden, bis ein gewisses kritisches Maß erreicht ist. Dann stoppt der Transport und das Wasser sucht sich einen leichteren Weg an den aufgehäuften Barrieren vorbei oder über sie hinweg und beginnt abermals, weiteres Material einzusammeln und auf die beschriebene Weise zu deponieren. Nach einiger Zeit entsteht ein Streifenmuster, wie auf dem Foto abgebildet.

Tropfenspirale am Morgen

Beim Teetrinken am Morgen im Gegenlicht der Sonne, tauchen nicht nur farbige Pünktchen auf dem Tee auf. Diese Pünktchen sind außerdem in heftiger Bewegung. Sie formen sich zu einer tornadeähnlichen Spirale und rasen dabei wie ein Schwarm Vögel über die Teeoberfläche.
Diese Pünktchen erweisen sich als kleine Wassertröpfchen, die über der Oberfläche der Flüssigkeit schweben. Sie entstehen dadurch, dass der aufsteigende Wasserdampf zu kleinen Tröpfchen kondensiert. Die leichten unter ihnen werden vom Dampf weggetragen und die schweren fallen in den Tee zurück. Nur diejenigen, die weder zu schwer noch zu leicht sind schweben über dem Tee und veranstalten diesen kleinen Minitornado.
Die Farben verdanken sich der Beugung des Sonnenlichts an den Tröpfchen, die zu farbigen Interferenzerscheinungen führen. Es besteht eine Ähnlichkeit zu Koronen und/oder irisierenden Wolken in der Atmosphäre.

Tropfen am laufenden Band

Hier sieht man einige Tropfen relativ geordnet an einem Faden (Anglerschnur) aufgereiht. Das sieht nach langwieriger Arbeit aus, die einzelnen Tropfen so ordentlich zu platzieren. Ist es aber nicht, weil hier Selbstorganisation im Spiel ist. Ich habe lediglich die Schnur zwischen Daumen und Zeigefinger beider Hände genommen, nachdem ich die Finger mit etwas Honig benetzt hatte. Dann ließ ich die Schnur straff durch die Finger gleiten, indem ich beide Hände unter Straffhaltung des Schnur zu den Seiten hin bewegte.
Zunächst erschien die Schnur ungleichmäßig vom Honig benetzt. Dann aber entstanden nach und nach die nahezu äquidistanten Tropfen (Foto). In diesem Fall trat auch noch ein Minitropfen zwischen je zwei größeren Tropfen auf. Danach passierte nichts mehr, jedenfalls solange ich das Ganze in Händen hielt.
Wie kommt es zu dieser Strukturbildung? Wenn der Honig längs der Schnur ausgebreitet wird, entsteht eine große Grenzfläche zwischen Honig und Schnur sowie zwischen Honig und Luft. Die Grenzfläche zwischen Honig und Luft erfordert relativ viel Grenzflächenenergie. Da die Natur bestrebt ist, unter den gegebenen Bedingungen so viel Energie wie möglich an die Umgebung abzugeben, stellt sich eine minimale Grenzfläche ein. Ab einer bestimmten Schichtdicke des Honigs ist es günstiger, dass sich in bestimmten Abständen Honigkugeln bilden, als dass sich der Faden mit einem Zylinder aus Honig umgibt. Denn die Kugelgestalt besitzt die kleinste Oberfläche eines gegebenen Volumens.
Kurz nach der Bildung der Kugeln haben sich noch kleinere dazwischen angesiedelt. Darin haben sich die Reste des Honigs gesammelt, die beim ersten Zusammenziehen der zähen Substanz am Faden hängengeblieben sind.

Eisblumenglas

Auf dem ersten Blick meint man Eisblumen auf einer Fensterscheibe vor sich zu haben. Die Ähnlichkeit ist in der Tat frappierend. Aber diese Struktur befindet sich auf sogenanntem Eisblumenglas. Dabei handelt es sich um ein Wachstumsfraktal der besonderen Art. Heute ist dieses Glas, das einen künstlerischen Sichtschutz darstellt, nur noch selten zu sehen. Als Kind stand ich öfter vor den glitzernden, milchigen Scheiben an Zimmertüren oder am Küchenschrank der Großeltern und bestaunte interessiert die feinen, filigranen Strukturen und wunderte mich, dass sie nicht schmolzen. Die Muster auf dem Eisblumenglas, mitunter auch als geschrecktes Glas bezeichnet, erscheinen zwar nicht so geordnet wie die Kristalle, weisen aber charakteristische fraktale Strukturen auf.
Zur Erzeugung von Eisblumenglas gibt es verschiedene Möglichkeiten. Die einfachste Methode besteht darin, das noch recht heiße Glas mit kaltem Wasser abzuschrecken. Dadurch breitet sich auf der Oberfläche des Glases blitzartig ein dichtes Netz unregelmäßiger, fraktaler Risse aus, die schnellen elektrischen Entladungen (z.B. Gewitterblitze) ähneln. Das Glas wird auf diese Weise undurchsichtig ohne zu zerbrechen.
Ähnlich wurden insbesondere im 16. und 17. Jahrhundert eine Vielzahl weiterer Glaserzeugnisse veredelt: Trinkglaser, Glaskännchen bzw. -krüge und anderes mehr. Bestreut man das Glas vor der Berührung mit kaltem Wasser beispielsweise mit buntem Farbglaspulver, ergeben sich im Zusammenwirken mit den Strukturen, die vom ‚Springen‘ des Glases herrühren, ästhetisch äußerst reizvolle bunte Formen und Muster.
Ein weiteres Verfahren, Eisblumenglas herzustellen, besteht darin, das zuvor aufgeraute (heute meist sandgestrahlte) Glas mit gequollenem und erhitztem Leim zu bestreichen und abkühlen bzw. trocknen zu lassen. Der Leim, manchmal zusätzlich mit Glasgries versehen, hebt sich nun beim Trocknen in gekrümmten Schollen ab. Dabei haftet er allerdings teilweise so fest auf der Glasoberfläche, dass verschieden große Späne mit herausgebrochen werden. Auf dem Glas bleibt dann ein unregelmäßiges, fraktales „Relief“ zurück.*

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* V. Nordmeier, H.-J. Schlichting. „Fraktale Strukturbildung in (fast) Freihandexperimenten“ in: Deutsche Physikalische Gesellschaft (Hrsg.): Vorträge der Frühjahrstagung der DPG Duisburg 1995, S. 434 -339

Wie sich Gurken gen Himmel schrauben

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 8 (2023)

Wir mußten annehmen: es walte in der Vegetation
eine allgemeine Spiraltendenz

Johann Wolfgang von Goethe

Ranken suchen mit kreisenden Bewegungen nach Stützgelegenheiten und umschlingen sie. Anschließend verdrillen und verkürzen sie sich und ziehen so den Rest der Pflanze empor. Durch ein raffiniertes Design des Zellverbunds spielen hier mehrere physikalische Effekte zusammen.

Als ich vor Jahren vom Urlaub zurückkam, staunte ich über dicke Kürbisse im Apfelbaum. Eine der Kürbispflanzen hatte sich offenbar auf den Weg gemacht, ihre schattige Ecke im Garten zugunsten eines Platzes an der Sonne einzutauschen. Ich rätselte lange, wie dies innerhalb einiger Wochen geschehen konnte. Dabei blieb ich vor allem an der Frage hängen, wie es die Pflanze geschafft hat, auf den Apfelbaum zu klettern.

Inzwischen weiß ich, dass es der Kürbis ähnlich anstellt wie die Gurke. An deren Beispiel wiederum ist die Erforschung des Aufstiegs rankender Pflanzen besonders weit gediehen.

Die meisten anderen Gewächse sind ausreichend stabil, um sich eigenständig aufrecht zu halten. Im Gegensatz dazu sind die Gurke ebenso wie der Kürbis und weitere Arten auf externe Stützen angewiesen, an denen sie sich dem Licht entgegen ziehen. Dazu bilden sie Ranken aus, die durch charakteristische Suchbewegungen solche Haltemöglichkeiten ausfindig machen und an ihnen andocken.

Bei der Gurke – wie auch bei zahlreichen sonstigen Pflanzen – können sie sich nur in der Richtung ihrer Unterseite krümmen. Dort sind sie zudem für Reize empfänglich, um im Berührungsfall festzumachen. Für die Suche nach einer passenden Gelegenheit muss sich die Ranke zum Einen autonom bewegen können und zum Anderen Aktivitäten auslösen, die dann zur Fixierung führen.

Eine junge Ranke ist zunächst eingerollt und streckt sich anschließend in die Länge. Sofort nach Kontakt mit einer möglichen Stütze wird diese von der Ranke umgriffen. Die Reibungskraft wächst exponentiell mit dem Winkel der Umschlingung. Da jede vollständige Windung mit 360 Grad beiträgt, verbindet sich die Pflanze schnell sehr fest. Eine ähnliche Reibungssteigerung gibt es beispielsweise beim Festmachen von Booten: Nach nur wenigen Würfen um einen Poller kann ein einzelner Mensch ein Schiff mit seiner Muskelkraft halten.

Am freien Ende der Ranke setzt sich die Krümmungsbewegung so lange fort, bis die Schlinge insgesamt fest anliegt. Auch an den bis dahin geraden Abschnitten entstehen weitere schraubenförmige Windungen, bis alles straff ist. Die dadurch bewirkte Zugkraft ist so groß, dass sogar die Pflanze selbst ein Stück hochgezogen wird, gegebenenfalls mitsamt der inzwischen gewachsenen Früchte.

Bei genauer Betrachtung der Rankenschraube entdeckt man etwa auf halbem Weg einen Umkehrpunkt im Windungssinn. Das ist reine Notwendigkeit, wie sich mit einem Freihandexperiment leicht demonstrieren lässt. Dazu spannt man ein flaches Gummiband über ein passendes Brett. Anschließend dreht man auf der einen Hälfte mit den Fingern Windungen in das Band. Man kann es nicht verhindern, dass auf der anderen Seite die gleiche Anzahl mit entgegengesetzter Drehrichtung entsteht. Dazwischen liegt dann ein neutrales Stück. Lässt man das auf diese Weise unter Spannung gesetzte Gummi los, so schnellt es in die glatte Ausgangssituation zurück. Bei den Gurkenranken sind die Windungen jedoch irreversibel, weil mit der Verdrillung bleibende physiologische Veränderungen stattfinden.

Wie es zu alldem kommt, konnte erst 2012 eine Forschungsgruppe an der Harvard University in Cambridge klären. Sie wies nach, dass die Spiralbildung keinen aktiven Kraftakt darstellt, sondern letztlich auf eine passive asymmetrische Kontraktion von Zellen zurückgeht. Der Prozess setzt ein, sobald die Ranke sich an der gefundenen Stütze festgeschlungen hat. Von da an bestimmt das Verhalten eines feinen Faserbands das weitere Geschehen. Es durchzieht die Ranke von einem Ende zum anderen. Mikroskopische Aufnahmen zeigen: Das Band verholzt an einer Seite, indem die Zellen Wasser an ihre Nachbarn abgeben. Die halbseitige Schrumpfung führt insgesamt zu einer entsprechenden Krümmung, die sich dem umgebenden weichen Gewebe aufzwingt. Dadurch entsteht Spannung, die zusammen mit der Fixierung der Ranke an ihren Enden zur Verdrillung führt.

Im Gegensatz zu alltäglichen Schraubenfedern werden die Ranken beim Auseinanderziehen nicht einfach nur länger, sondern zusätzlich bringen sie weitere Windungen auf beiden Seiten des neutralen Mittelstücks hervor. Auch diese ungewöhnliche Dynamik liegt an der unterschiedlichen Festigkeit der Zellen innerhalb des Faserbands. Das Harvard-Team baute im Labor mit Hilfe verklebter Silikonschichten ein Band mit einem ähnlich exotischen elastischen Verhalten nach. Vielleicht findet sich irgendwann eine passende technische Anwendung dafür. Bis dahin bleibt das Prinzip der Kürbisgewächse eine Kuriosität der Natur.

Quelle
Gerbode, S. J. et al.: How the cucumber tendril coils and overwinds. Science 337, 2012

Der rasende Knoten

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 7 (2022), S. 60 – 61

Du selbst entwirre dies, nicht ich:
Ein zu verschlungener Knoten ist‘s für mich
William Shakespeare (1564–1616)

Aus einer Schraubenfeder lässt sich ein einfacher Knoten schnüren. Diesen kann man entlang eines Stabs rollen lassen, was eine faszinierende dreidimensionale Drehbewegung hervorbringt.

Der Hauptzweck von Knoten besteht darin, etwas zu fixieren. Damit sichern sie paradoxerweise in vielen Bereichen des Lebens unsere Fortbewegung, ob beim Schnüren von Schuhen (»Spektrum« Juli 2017, S. 70), beim Segeln oder beim Bergsteigen. Selbst unsere Kleidung würde ohne sie auseinanderfallen. Nicht nur praktisch, auch theoretisch sind Knoten bedeutsam und bilden sogar ein eigenes Forschungsgebiet innerhalb der Mathematik. Während wir im Alltag eher Knoten mit offenen Enden verwenden, hat man es bei ihren mathematischen Gegenstücken mit in sich geschlossenen Schnüren zu tun.

So entsteht der einfache Überhandknoten dadurch, dass die beiden Enden eines Seils umeinander gewunden und dann festgezogen werden. Das kann jedes Kind. Solche Knoten werden erst dadurch mathematisch, dass man die freien Enden gedanklich miteinander verschmilzt (siehe »Überhandknoten«).

Knoten sind dreidimensional, auch wenn es normalerweise kaum ins Auge fällt. Denn die Schwerkraft lässt die meist schlaffen Fäden zu platten Gebilden zusammensinken. Der niederländische Grafiker M. C. Escher (1898–1972) hat sich damit beispielsweise in seinem Druck »Knoten« (1965) auseinandergesetzt und einfache Verschlingungen durch prägnante Schattierungen und Strukturierungen wieder erhaben erscheinen lassen. Andere Künstler haben Knoten gleich mit festen Materialien wie Metall und Stein als dreidimensionale Objekte gestaltet; im öffentlichen Raum finden sich viele ästhetisch ansprechende Umsetzungen. Notgedrungen geht bei den starren Werken die Funktion und Beweglichkeit üblicher Kordeln verloren. Doch das muss nicht immer so sein.

Angeregt durch den Escher-Knoten hat der deutsche Künstler Jochen Valett (1922–2014) nach eigenem Bekunden versucht, den eingefrorenen Versionen simpler Knoten nicht nur ihre naturgemäße Flexibilität zurückzugeben, sondern sie sogar zum Laufen zu bringen. Das ist ihm in Form seines »rasenden Knotens« auf eindrucksvolle Weise gelungen.

Dazu verwendete er anstelle eines Seils eine relativ weiche Schraubenfeder aus Stahldraht, verknotete sie und verschweißte die beiden Enden miteinander. Die Feder gibt dem Knoten einerseits ein Volumen, das in gewissen Grenzen dehnbar ist und stellt andererseits sicher, dass er nicht in sich zusammenfällt (siehe »Valett-Knoten«).

Das Besondere am rasenden Knoten besteht darin, dass man ihn an einem Stab hinab rotieren lassen kann. Dazu wird er mit seinem zentralen Loch stramm, also ein wenig gedehnt, über einen passenden runden Querschnitt geschoben. Damit der Knoten nicht einfach gerade herunterrutscht, muss die Dehnung eine genügend große Haftreibungskraft hervorrufen. Sie kompensiert das Gewicht der Stahlfeder. Gibt man dieser nun einen kleinen Schubs, so bewegt sie sich spiralförmig drehend am Stab hinab.

Das wird durch die Form der Öffnung möglich, die durch die drei innen liegenden Abschnitte gebildet wird. Die Tangenten in den Berührungspunkten der Knotenstränge sind schräg ausgerichtet und wirken wie eine Art Schraubengewinde.

Im Unterschied zu einer Mutter auf einer Gewindestange hat man es hier jedoch mit keiner Gleit- sondern einer echten Rollbewegung zu tun. Das heißt, wie bei Laufrädern eines Fahrzeugs legt der Punkt, mit dem die Rolle jeweils den Untergrund berührt, mit jeder Umdrehung eine Wegstrecke zurück, die der Länge des Umfangs entspricht. Ein normales Rad befindet sich stets nur an einer Stelle auf der Unterlage. Der verwundene Knoten hingegen berührt den Stab an drei verschiedenen Orten. Er rollt also gewissermaßen auf drei Fahrspuren gleichzeitig hinab.

Aus der Rollbewegung des Knotens ergibt sich zwangsläufig, dass er kein starres Gebilde sein kann. Er behält zwar seine äußere Gestalt und scheint während der Rotation als Ganzes in sich zu ruhen. In Wirklichkeit schlängelt sich allerdings das Band des Knotens sozusagen durch seine eigene Form hindurch. Markiert man auf dem abrollenden Knoten einen Punkt, so kann man verfolgen, wie sich dieser zyklisch umher windet.

Der Antrieb des Ganzen ist die Gewichtskraft des Knotens. Bei einem geraden Stab endet das Herabschrauben am Boden. Eine andauernde Bewegung erreicht man, indem man als Führung stattdessen einen großen Ring passender Dicke verwendet. Dieser wird dann so schnell in Gegenrichtung zum abrollenden Knoten gedreht wie letzterer an Höhe verliert (siehe »Momentaufnahme«).

Mit der Höhe des Knotens am gebogenen Ring ändert sich auch seine Achsenrichtung. Dementsprechend kommt jeweils nur eine mehr oder weniger große Komponente der Schwerkraft zur Geltung. Von deren voller Wirkung profitiert der Knoten lediglich dann, wenn seine Drehachse senkrecht ausgerichtet ist, er also in waagerechter Lage rotiert. Hier erreicht er die größte Drehgeschwindigkeit. Um ihn in der Position zu halten, muss der Ring entsprechend rasch in die entgegengesetzte Richtung gedreht werden. Ansonsten sinkt der Knoten in eine tiefere Stellung. Weil sich seine Achse dabei allmählich schräg stellt, nehmen dann die Antriebskraft und damit die Geschwindigkeit des Knotens ab. Es stellt sich eine neue Höhe am Ring ein, bei der die Kräfte wieder gleich groß sind. Wegen dieser Rückkopplung hält sich das ganze Kunstwerk in einem fesselnden dynamischen Gleichgewicht.

Sandgeschichten – Minilawine am frühen Morgen

Die Sonne ist kaum aufgegangen und schickt ihr gelbliches Licht flach über die Hänge der Sanddünen. Dabei hebt sie eine feine Miniskulptur aus dem Sand hervor, die ich ansonsten wohl kaum wahrgenommen hätte. Diese kleine langgezogene Sandzunge erzählt mir dann eine kleine Geschichte, die ganz oben an der feinen Spitze beginnt.
Man sieht dort das Ende der Spur eines Käfers, die direkt in die Zunge übergeht. An der Stelle löst das Tierchen diese seiner Größe entsprechende kleine Sandlawine aus. Sie gelangt aufgrund der konkaven Wölbung des Abhangs schnell in den unterkritischen Bereich der Neigung und kommt zum Stillstand: Der Sand, der im oberen Teil der Lawine im Bewegung kam, und eine entsprechende Vertiefung hinterließ, finden sich hier als volumenmäßig gleich große Erhöhung wieder: Konkaves wird konvex.
Die Geschichte geht aber noch ein wenig weiter. Den Spuren auf der Sandzunge zufolge hat sich das Tierchen schnell aus der unfreiwilligen Fahrt mit dem Sand-Paternoster befreit, findet schnell wieder Tritt und hat nichts besseres zu tun, als die nunmehr zum Stillstand gekommene Sandzunge zu überqueren. Es sieht so aus, als hätte der Käfer völlig ungerührt seinen ursprünglich eingeschlagenen Weg ein wenig parallel verschoben fortgesetzt.

Rätselfoto des Monats Mai 2022

Wie kommt es zu der Miniaturabbildung?

Erklärung des Rätselfotos des Monats April 2022
Frage: Wie kommt es zu solchen winderzeugten Strukturen?
Antwort: Die Häufchen bestehen hauptsächlich aus Weidenkätzchen, die in der letzten Zeit abgefallen sind und sich auf dem Boden zerstreut haben. Sie wurden durch wirbelnde Luftströme zusammengetragen. Diese kommen dadurch zustande, dass heftiger Wind zwischen einer Hauswand und einer hohen Hecke weht. Stellt man sich den Luftstrom aus einzelnen Schichten bestehend vor, so wird die an der Hauswand angrenzende Schicht durch Reibung gebremst und bleibt hinter den angrenzenden Schichten zurück. Die gebremste Schicht bremst ihrerseits die angrenzende Schicht und diese wieder die nächste Schicht. Die schichtweise verminderte Geschwindigkeit führt zu einer Rotation der Luft und damit zu Wirbeln. Etwas Ähnliches gilt für die an den Boden angrenzenden Schichten.
Die von der rotierenden Luft mit einer gewissen reibungsbedingten Verzögerung mitgerissenen Teilchen sammeln sich schließlich im Zentrum der Luftwirbel. Im Prinzip entstehen auf diese Weise auch Windhosen, Tornados und andere Wirbelwinde. Bei letzteren spielen Temperaturgradienten eine wesentliche Rolle.

Rätselfoto des Monats April 2022

Wie kommt es zu solchen winderzeugten Strukturen?

Ich hatte mir für diesen Tag vorgenommen, die vom Wind verwehten Weidenkätzchen zusammenzufegen. Als ich morgens ans Werk gehen wollte, fand ich diesen Anblick vor. Der Wind hatte volle Arbeit getan. Recht so, denn er hatte vorher ja auch die Unordnung erzeugt.

Erklärung des Rätselfotos des Monats März 2022

Frage: Geht hier alles mit rechten Dingen zu?

Antwort: Ja. Aber es ist nicht leicht einzusehen, weil hier die reale und die Spiegelwelt einander „überlagern“. Und es ist noch schwieriger, es zu beschreiben.
Die Situation ist die Folgende: Es handelt sich um die Empfangshalle eines Hotels, die mit dunklen spiegelglatten Steinfliesen ausgelegt ist. Diese spiegeln die Umwelt bei schräger Ansicht nahezu perfekt. Bei steiler Aufsicht wie man sie normalerweise erfährt, wenn man sich auf dem Fliesenboden fortbewegt, merkt man kaum etwas von der irritierenden Spiegelung. Denn je kleiner der Reflexionswinkel, desto geringer ist die Intensität des reflektierten im Vergleich zum absorbierten Licht. Bei großem Reflexionswinkel ist der Anteil der reflektierten Lichtintensität oft so groß, dass die sich dadurch auftuende Spiegelwelt in der  Wahrnehmung dominiert.
Um Ordnung in die auf dem Foto dargestellte Situation zu bringen ist es hilfreich, die goldenen Ringe der Säulen zu betrachten. Dort hat die Säule Kontakt mit dem Fliesenboden. „Darunter“ befinden sich die gespiegelten Säulen. Man sollte versuchen, sie zunächst aus der Betrachtung heraus zu halten. Auf diese Weise kann es dann gelingen, die räumliche Tiefe realistisch einzuschätzen und insbesondere zu erkennen, dass sich die rechte Säule wesentlich weiter im Hintergrund der Szenerie befindet als die Person.           

Viskoses Verästeln in Physik und Kunst

Im Rahmen der nichtlinearen Physik stehen oft Experimente im Vordergrund, die im weitesten Sinne mit Strukturbildung zu tun haben. Diese Strukturen und ihre dynamischen Veränderungen sind oft von großem ästhetischem Reiz. Lange bevor im heutigen Sinne von nichtlinearer Physik die Rede war, haben Künstler wie etwa Max Ernst bestimmte Maltechniken benutzt, die heute im Rahmen der nichtlinearen Physik von Interesse sind.

Max Ernst nutzt beispielsweise die Bildung von fraktalen Formen durch die Décalcomanie genannte Technik, bei der er mit einem Pinsel Deckfarben auf einem Blatt Papier verteilt, ein zweites Blatt auf die frische Farbe legt und dann beide Blätter trennt, indem er sie vorsichtig auseinanderzieht. Die dadurch entstandenen Zufallsgebilde, die Assoziationen von Felsen, Wasser- und Korallenlandschaften wachrufen, werden von Ernst gezielt eingesetzt, um das schöpferische Potenzial des Unbewussten fruchtbar zu machen. Diese Art der Formfindung kann als konsequente Umsetzung der surrealistischen „écriture automatique“ in der Malerei angesehen werden. Allerdings half der Maler dem Zufall etwas nach, indem er die natürlicherweise entstandenen Strukturen der künstlerischen Absicht entsprechend in entscheidenden Details veränderte.

Derartige fraktale Gebilde kann man genießen, man kann sich aber auch dadurch motivieren lassen, ihr Zustandekommen verstehen zu wollen. Denn es sind einfache, aber nichtlineare Mechanismen, die dieser Strukturbildung zugrunde liegen.
Für eigene Experimente besonders geeignet sind Overheadfolien. Dazu bekleckst man die Folie z.B. mit Öl- oder Akrylfarbe. Man kann sie aber auch weiter künstlerisch gestalten. Anschließend legt man vorsichtig eine zweite Folie darüber und presst beide sorgfältig zusammen, sodass keine Luft mehr zwischen ihnen eingeschlassen ist. Anschließend zieht man die obere Folie wieder ab. Da die Natur sich gegen ein Vakuum sträubt, ist das nur möglich, wenn von den sich trennenden Rändern der Folien her Luft eindringt. Dabei muss sie die dickflüssige Farbe verdrängen. Wenn aber ein Fluid, hier die Luft, ein dickflüssigeres (viskoses) Fluid (hier die Farbe) verdrängt, dann geschieht dies nicht auf breiter Front, sondern erfolgt durch viskoses Verästeln. Die dadurch entstehende fraktale Struktur macht den Reiz des entstehenden Bildes aus, die auch Max Ernst und andere zu schätzen wussten.

Rätselfoto des Monats September 2021

Warum ordnet sich der lockere Split allein infolge der Benutzung der Straße wellenförmig an?

Erklärung des Rätselfotos des Monats August 2021

Frage: Warum ist die Spiegelung im Schatten besser?

Antwort: Das schräg von links einfallende Sonnenlicht wird im hinteren Teil der Wasseroberfläche sowohl spiegelnd als auch an den braunen Schwebstoffen im Wasser diffus reflektiert bzw. gestreut. Aus unserer Position bzw. der des Fotografen sehen wir aber nur die diffuse Reflexion, durch die das Sonnenlicht in alle Richtungen gestreut wird – also auch in unsere Augen. Und obwohl die Intensität des gespiegelten Lichts auf der Wasseroberfläche wesentlich größer ist, bekommen wir davon nichts mit, weil nach dem Reflexionsgesetz: Einfallswinkel = Reflexionswinkel das Licht nach schräg rechts reflektiert wird. Wenn man dort stünde und auf das Wasser in Richtung Sonne blickte, würde einem das gespiegelte Licht blendend in die Augen fallen.
Der (bezüglich des Sonnenlichts) beschattete Bereich im Vordergrund wird lediglich vom Streulicht des Himmels und anderer Objekte wie etwa der Bäume und der Häuser im Hintergrund beleuchtet. Dabei wird es im Wasser ebenfalls spiegelnd und diffus reflektiert. Diesmal kommt das Licht jedoch aus Richtungen, aus denen es spiegelnd in unsere Augen gelangt. Das auch in diesem Fall an den Streuteilchen im Wasser diffus reflektierte Licht ist jedoch von so geringer Intensität, dass es kaum störend in Erscheinung tritt.
Schaut man sich die Szenerie genauer an, so erkennt man, dass ein Teil des in der Sonne liegenden rechten Brückenbogens hell genug ist, um die diffuse Reflexion des Sonnenlichts wenigstens teilweise zu überstrahlen.

Der Paranusseffekt ohne Paranuss

Es kullert, bullert, rollt und rüttelt,
Wird auf und nieder durchgeschüttelt,
Bis das geplagte Element
Vor Angst in Groß und Klein sich trennt.
frei nach Wilhelm Busch

Der Paranuss-Effekt* geht auf die Erfahrung zurück, dass z.B. in einer Müslimischung die größten Bestandteile, wie Nüsse, Früchte… meist obenauf liegen. In amerikanischen Mischungen sind das meistens die Paranüsse (Brazil nut). Dies ist nicht etwa darauf zurückzuführen, dass man diese Teile zuletzt in die Tüten gefüllt hat. Vielmehr haben sie sich durch die Erschütterungen während der Transportwege dorthin verlagert.
Der Effekt lässt sich leicht selbst nachvollziehen, wenn man ein Marmeladenglas u.Ä. etwa bis zur Hälfte mit vielen kleinen und wenigen großen Teilen (z.B. Plastikkugeln oder auch Nüssen) füllt und durch Auf- und Abbewegung schüttelt. Die großen landen schließlich oben.
Der Effekt kommt dadurch zustande, dass beim Schütteln kurzfristig kleine Hohlräume zwischen den Teilen entstehen. Die kleinen Teile können leicht hineingeraten, die großen Teile sind dafür zu groß, sodass sie bei jedem Auf und Ab ein Stück weiter angehoben werden und schließlich oben landen.
Sind die großen Teilchen jedoch wesentlich schwerer (größere Dichte) als die kleinen so tritt der Effekt nicht auf oder es passiert sogar das Gegenteil (umgekehrter Paranusseffekt). Auch andere Einflüsse wie die unterschiedliche Form, Oberflächenbeschaffenheit u.Ä. können zu anderen Resultaten führen. Genaueres siehe hier.

* A. Rosato, K. J. Strandburg, F. Prinz, R. H. Swendsen: Why the Brazil Nuts Are on Top: Size Segregation of Particulate Matter by Shaking (Phys. Rev. Lett. 58/10, 1038 (1987))

Dreieiniger Baum

Eis ist mehr als gefrorenes Wasser

Gefrierendes Wasser und schmelzendes Eis präsentieren sich unter natürlichen Bedingungen in einem überbordenden Gestaltreichtum, der durch die physikalische Beschreibung als Phasenübergänge von flüssig nach fest und fest nach flüssig nur unzureichend erfasst wird. Den jeweiligen äußeren Umständen entsprechend laufen der Kristallisations- und Schmelzprozess meist in Wechselwirkung mit anderen physikalischen Vorgängen ab, die zu sehr komplexen und nicht selten ästhetisch ansprechenden Kompositionen aus Eiskristallen im jeweiligen Kontext der natürlichen Umgebung führen können. Zwischen streng geometrisch aufgebauten hexagonalen Kristallstrukturen und organisch wirkenden floralen Mustern entfalten sich zahlreiche Mischformen, deren Zustandekommen – wenn überhaupt – nur durch detektivische Kleinarbeit physikalisch zu entziffern ist.
In einigen der ausgewählten Fotografien drängen sich Korrespondenzen zwischen Eismustern und organischen Strukturen auf. Es entfaltet sich so etwas wie ein anspielungsreicher, stummer Dialog zwischen zwei Sphären, die wir als völlig verschieden wahrzunehmen gelernt haben. So scheinen sich die Eisblumen am Fenster in ihrem Gestaltreichtum an floralen Mustern zu orientieren und es sieht so aus, als ob die Raureifnadeln am Tannenzweig lediglich die realen Tannennadeln imitierten.
Ich werde über die Wintermonate immer mal wieder ein Foto auswählen das ein interessantes Szenario zwischen Gefrieren und Schmelzen aufzeigt oder einfach nur schön ist. Die unmittelbare Wirkung auf den Betrachter steht im Vordergrund.

Dünen halten Abstand

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 10 (2010), S. 79 – 80

Wer widersteht dem Strome
seiner Umgebungen?

Johann Wolfgang von Goethe (1749 – 1832)

 Kleine Dünen bewegen sich schneller als große. Dennoch holen die kleinen die großen nicht ein, weil sie durch einen kürzlich entdeckten Strömungsmechanismus auf Abstand gehalten werden. Weiterlesen →

Rätselfoto des Monats Februar 2019

Wie kommt es zu dieser „Schneerolle“?

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Ich bin Feuer und Flamme für die Kerze – 2. Advent

„Zündet man eine Kerze an,
erhält man Licht.
Vertieft man sich in Bücher,
wird einem Weisheit zuteil.
Die Kerze erhellt die Stube,
das Buch erleuchtet das Herz.“

Aus China

Lichttechnisch gesehen ist die Kerze ein Fossil, aber ein liebenswertes, das nicht mehr notwendigerweise der Beleuchtung, sondern eher der Erleuchtung und der Schaffung einer stimmungsvollen Atmosphäre dient. Die Menschen, die seinerzeit auf die Kerze als Beleuchtungsmittel angewiesen waren, sahen die Situation daher weitaus nüchterner. Selbst der Dichterfürst Goethe, sonst um keine poetische Wendung verlegen, stellt schlicht fest:

Wo Lampen brennen, gibts Ölflecken,
wo Kerzen brennen, gibts Schnuppen,
die Himmelslichter allein
erleuchten rein und ohne Makel.

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Zur konstruktiven Rolle des Fallens

Als ich in einer Dünenlandschaft Sandrippel fotografierte, fiel mir eine runde Objektivschutzkappe aus der Hand und machte sich rollend davon (zum Vergrößern auf Bild klicken). Angetrieben durch den über die Dünen streichenden Wind rollte sie über den welligen Untergrund der Sandrippel und hinterließ eine interessante Spur. Vor die blitzschnell zu entscheidende Alternative gestellt, die Spur zu fotografieren und möglicherweise der Kappe verlustig zu gehen oder die Verfolgung sofort zu starten, entschied ich mich für ersteres. Weiterlesen →

Rippelpisten im urbanen Raum

In diesen Tagen wurden die Straßen in unserer Gegend „ausgebessert“, indem sie eingeteert und anschließend reichlich mit Split bestreut wurden. Man überlässt jetzt den AutofahrerInnen die Arbeit, unfreiwillig diese Teilchen in den geteerten Untergrund einzuwalzen. Wenn dann zwei oder drei Wochen vergangen sind, wird der nicht befestigte Rest des Splits mit einer Fegemaschine wieder „eingesammelt“. Was die AutofahrerInnen von dieser Aktion vor allem mitbekommen, sind die an die Innenwände der Kotflügel prasselnden Teilchen, die von den rotierenden Rädern hochgeschleudert werden und dass sie in dieser Zeit wegen der eingeschränkten Bodenhaftung und der damit verbundenen Schleudergefahr nur mit einer Geschwindigkeit von 30 km/h fahren dürfen. Weiterlesen →

Wie Kreise zu Sechsecken werden

Obwohl die geometrische Idealgestalt des Kreises in der Natur nicht vorkommt, gehört das Kreisförmige zu den wesentlichen Bauprinzipien in den unterschiedlichsten Bereichen und Größenordnungen. Denn der Kreis realisiert das ökonomische Prinzip einer gegebenem Fläche mit dem kürzest möglichen Umfang und damit der kürzesten Grenzlinie. Da die Ausbildung von Grenzen meist mit größerem Aufwand an Energie und Materie verbunden ist, sind kurze Grenzen von Vorteil.
Das entsprechende Pendant im Räumlichen ist die Kugel. Sie begrenzt ein Volumen mit der kleinsten Grenzfläche. Weiterlesen →

Hunde wollt ihr ewig leben?

Er sitzt hier zwar schon einige Zeit und hat verschiedene Gestalten durchlaufen. Die dunklen Partien seines Fells sind erst in den letzten Tagen so richtig hervorgetreten. Ich bin gespannt, wie lange er es unter den derzeitigen Bedingungen noch macht.

Wer genaueres für diese merkwürdige Art der Strukturbildung wissen möchte, kann hier nachsehen.

Säulen der Erde

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 10 (2017), S. 68 – 69

Wenn Lava erstarrt, erzeugen Spannungen im abkühlenden Basaltgestein ein Netzwerk von Rissen. Die Spalten formen tiefe Säulen mit einem faszinierend regelmäßigen, meist sechseckigen Querschnitt. Weiterlesen →

Züngelnde Wasserflammen am Strand

Wie jeden Tag hatten ihn seine Schritte zum offenen Meer geführt. Sein Blick war vor ihm auf den Boden gerichtet, wo das abfließende Wasser züngelnde Flammen in den Sand gezeichnet hatte. Die Rinnsale, am Ende fadendünn, mündeten in immer beitere Verästelungen, in den weiten, lodernden Flächenbrand des Ozeans…
Lass die Wasserflammen brennen, lass die Wasserflammen brennen. Einmal sagt das Feuer: Es ist gut.* Weiterlesen →

Windbewegte Strukturen

„Anstatt Chaos und Unordnung vorzufinden, wird der Beobachter nicht umhin können zu staunen über eine Einfachheit der Form, eine Genauigkeit der Wiederholung und eine geometrische Ordnung, die in der Natur jenseits der Größenordnung der Kristallstruktur unbekannt ist. An bestimmten Stellen bewegen sich enorme, millionen Tonnen schwere Anhäufungen von Sand unaufhaltsam in geordneten Formationen über die Oberfläche des Landes, indem sie wachsen, dabei ihre Gestalt bewahren und sich sogar in einer Weise fortpflanzen, die in ihrer grotesken Nachahmung des Lebens auf einen fantasievollen Menschen leicht verstörend wirken könnten (Übs. HJS)“. Mit diesen geradezu poetischen Worten beschreibt der wohl erste „Dünen-“ und „Sandwissenschaftler“ Ralph Bagnold (1896 – 1990) in seinem Buch „The Physics of Blown Sand and Desert Dunes. London: Methuen 1954“ seine Begegnung mit den Sandstrukturen in der Wüste.
Wissenschaftler und Poeten scheinen gleichermaßen von den vielfältigen, ästhetisch ansprechenden Strukturen im Sand fasziniert zu sein. So berschreibt der Schriftsteller Raoul Schrott (*1964) – offenbar von Bagnolds Ausführungen inspiriert – seine Begegnung mit den gemeinsamen Werken von Wind und Sand mit den folgenden Worten.
„Die Springfracht desWindes bläst die Körner über Luv, kaum höher als ein oder zwei Fuß, bis sie am Kamm festgepreßt werden und schließlich wieder abgleiten; es ist wie mit den Wellen. Der Wind schiebt sie vor sich her. Manche stauen sich auf und werden so rund wie Walrücken.Einige kollidieren miteinander, rollen dann weiter und lassen hinter sich eine kleine, noch junge Düne zurück; solche grotesken Imitationen des Lebens wirken auf jemanden, der zu viel Phantasie hat, sehr leicht verstörend.“ (Raoul Schrott: Die Wüste Lop Nor. 2000).

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Rätselfoto des Monats August 2017

Wie könnte dieses Muster in einer Dünenlandschaft entstanden sein?

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Strecken und Falten – chaotisches Mischen

Obwohl 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 →

Eisenbahnschienen sind auch nur Straßen

Am Bahnsteig auf den verspäteten Zug wartend fällt mir ein regelmäßiges Muster auf den Schienen auf. Ich gehe davon aus, dass die darüberfahrenden Züge es selbst hervorgerufen haben. Denn auch nach einigen Wochen ist es noch vorhanden, obwohl viele Züge darüber gefahren sind und sie es eigentlich hätten glatt „bügeln“ müssen. Ich habe mich sogar dazu hinreißen lassen das Muster abzutasten und habe festgestellt, dass es eine fühlbare Stuktur besitzt. (Bitte nicht nachmachen!). Weiterlesen →

Zeichen im Sand

Ein Narre schrieb drei Zeichen in Sand,
Eine bleiche Magd da vor ihm stand.
Laut sang, o sang das Meer.

Sie hielt einen Becher in der Hand,
Der schimmerte bis auf zum Rand,
Wie Blut so rot und schwer. Weiterlesen →

Rätselfoto des Monats März 2017

Frage: Wie kommt es zu derartigen Waschbrettmustern auf Wegen und Straßen?

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Espirales de cera

Schlichting, H. Joachim. Investigación y Ciencia 11 (2016)

Sanddünen – das reinste morphologische Paradies

„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 →

Pop! Warum Popcorn knallt und 37 weitere überraschende physikalische Alltagsrätsel

Schlichting, H. Joachim. Spektrum der Wissenschaft Spezial 3 (2016), 82 Seiten

Der Alltag wartet mit einigen Überraschungen auf, wenn man bereit ist, seine Selbstverständlichkeiten zu hinterfragen. Oft sind es gerade die unscheinbaren Dinge, an die wir uns gewöhnt haben, die unversehens zu einer neuen Wirklichkeit werden. Wie schafft es beispielsweise das Wasser bis in die Baumspitzen? Warum springt Popcorn wild in der Pfanne herum?

Was verursacht die schillernden Farben, die wir manchmal beim Blick auf helle Lichtquellen sehen? Die hier versammelten Phänomene sind so verschieden und facettenreich wie der Alltag in der technischen und natürlichen Welt. Das Geheimnisvolle offenbart sich nicht selten im Trivialen, und das Erhabene liegt oft dicht neben dem Banalen. Der Physikdidaktiker H. Joachim Schlichting enthüllt, was sich hinter alltäglichen Phänomenen verbirgt. Die hier versammelten Beiträge stammen aus der Rubrik „Schlichting!“ in der Reihe „Spektrum der Wissenschaft“.

Weitere Informationen findet man hier.