Im Dunkeln hört man besser? E-Book

Jo Hermans

• Herausgeber: Wiley-VCH
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Serie: Erlebnis Wissenschaft
• Sprache: Deutsch
• Veröffentlichungsjahr: 2014

Seitenzahl: 293

Beschreibung

Wir alle kennen das: Wir konnten (vielleicht) schon mal erklären, warum es auf der einen Seite des Berges regnet und auf der anderen nicht, wie GPS-Navigation funktioniert, oder warum ein Ei in der Mikrowelle explodiert ? aber heute kriegen wir das nicht mehr überzeugend hin. Wie schade! Und: Wie gut, dass in diesem Buch der bekannte Wissenschaftsvermittler Jo Hermans viele dieser Alltagsphänomene nun so anschaulich erklärt, dass wir vergnüglich schmökern können und dabei vergessenes Wissen auffrischen und Neues dazulernen. Natur, Licht und Farbe, rundum das Haus ? Nein, es braucht wirklich kein Physikstudium, um zu verstehen, warum Eis so glatt ist ? oder Fragen zu klären wie die, ob man wirklich im Dunkeln besser hört oder man seine Wohnung mit dem Kühlschrank kühlen kann. Zumal Jo Hermans alles dafür tut, uns die Lektüre so abwechslungsreich wie möglich zu gestalten. Sich amüsieren und gleichzeitig etwas lernen ? das geht also doch! Es werden fünf Themenbereiche abgedeckt: freie Natur, Fahrrad und Auto, Licht und Farbe, Rundum das Haus, Geräusch und Hören. Verrückte Flummis, tollkühne Weingläser: Experimentieren macht Spaß! Für Leser, die obendrein gerne etwas ausprobieren, geizt Hermans nicht mit Vorschlägen für Experimente: ob Kaffeebechermusik, ichtzerlegung mithilfe von CDs, verrückte Flummis oder tollkühnes Weinglas. Überraschungen garantiert und inklusive! Und die Besserwisser unter den Lesern finden zusätzliche Informationen in den eingestreuten Boxen.

Leseprobe

INHALTSANGABE

IN DER FREIEN NATUR

Wie funktioniert die GPS-Navigation? Einstein sei Dank

Warum ist der Fö(h)n so warm?

Gefühlte Temperatur: Was steckt genau dahinter?

Warum ist Eis so glatt?

Wellen am Strand

Wie schnell fallen Regentropfen?

Warum fallen Nebeltropfen nicht?

Skydiving, wie schnell kann ein Mensch fallen?

Wie hoch steigt die Sonne heute?

Reisen zur Sonne

Lichtstreifen zur Sonne

Sommer und Winter, woher kommt der große Unterschied?

Warum laufen wir so, wie wir laufen?

FAHRRAD UND AUTO

Der menschliche Motor im Leerlauf

Ich, ein Staubsauger?

Wie halte ich meine Temperatur konstant?

Wie effizient ist Fahrradfahren?

Welche Kräfte muss ein Radfahrer überwinden?

Wie fahre ich 100 Kilometer pro Stunde mit dem Rad?

Wie schnell kann man auf dem Mond Radfahren?

Ist Radfahren mit Seitenwind wirklich anstrengender?

Wo steigt man ab, wenn man es eilig hat?

Der nasse Rücken des Radrennfahrers

Werde ich weniger nass, wenn ich schnell Rad fahre?

Rollwiderstand, Luftwiderstand und Benzinverbrauch

Wie viele Autos kann eine Straße verkraften?

LICHT UND FARBE

Gemütliche Kerzen

Warum ist eine Glühlampe so ineffizient?

Leuchtstoffröhre, Sparlampe, Leuchtdiode: eine blendende Idee

Warum ist der Himmel blau (und die untergehende Sonne rot)?

Zwei Arten Rauch aus einer Zigarette?

Das Schwimmbad ist tiefer als es aussieht

Blätterdach und Sonnenschein

Wie scharf können wir sehen?

Auge schlägt Kamera

Pfützen auf einer trockenen Straße

Die Sonne nach dem Sonnenuntergang sehen

Durchsichtige Scheibe, undurchsichtige Gardine

Scharf sehen unter Wasser

Taucher vom Hai überrascht

Wie entsteht ein Regenbogen?

Wie kommen Seifenblasen zu all den Farben?

Wie kommen all die Farben auf die CD?

Wie funktioniert ein Hologramm?

Warum ist das Meer so blau?

Eine polarisierte Brille, worin liegt ihr Vorteil?

GERÄUSCH UND HÖREN

Was hören unsere Ohren?

Warum ist die Lärmbelastung nicht höher?

Sprechen zum Preis von einem Cent

Die Sensibilität unserer Ohren und der Lautstärkeregler

Richtungshören

Verständlichkeit bei Stimmengewirr: der Cocktailparty-Effekt

Hört man besser im Dunkeln?

Können Geräusche wegwehen?

Lärmschutzwälle sind nicht immer effektiv

Kann man hören, ob die Vorhänge zugezogen sind?

Do - re - mi… Das Merkwürdige an der Tonleiter

Gute Stimmung im Orchester

RUNDUM DAS HAUS

Der Deckel auf dem Topf

Warum explodiert ein Ei in der Mikrowelle?

Kann ich mein Haus mit Hilfe des Kühlschranks kühlen?

Strömende Luft

Sonnenenergie, was haben wir davon?

Wandernde Läufer

Die Lichtmühle: Eine Quelle von Missverständnissen

Machen wir es uns einfach mit Kreisen und Kugeln

Vakuum zwischen Doppelverglasung?

Isoliert dickes Glas besser als dünnes?

Wie kann man Energieverbrauch fühlen?

Wäre ein schwarzer Heizkörper vorteilhafter als ein weißer?

Wird dunkle Farbe heißer als helle?

Stetiges Wachstum: unerlässlich aber unmöglich

Braucht das Baby wirklich eine Wärmfasche?

Die trockene Luft im Winter: Woher kommt sie?

Wie überlebe ich die Sauna?

Weißwein und Rotwein

Verrückte Teeblättchen in unserer Tasse

Zum Schluss

Praktische Daten zum Nachschlagen

Stichwortverzeichnis

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Invasion der Waschbären und andere Expeditionen in die wilde Natur

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Originaltitel:

Hoor je beter in het donker? Antwoord op alledaagse vragen

Von Jo Hermans.

All Rights Reserved. Authorised Translation from Dutch language edition published by BetaText, Bergen NH, Niederlande. No part of this book may be reproduced in any form without permission of the original copyright holder, BetaText.

Alle Rechte vorbehalten. Genehmigte Übersetzung der niederländischen Ausgabe, veröffentlicht von BetaText. Kein Teil dieses Buches darf in irgendeiner Form ohne Genehmigung des ursprünglichen Verlages, BetaText, reproduziert werden.

Autor

Jo Hermans

Universität Leiden, Huygens Laboratorium, Leiden, Niederlande

Übersetzung:

Renate van der Laan-Elsner, Wijk bij Duurstede, Niederlande

Zeichnungen:

Peter-Paul Hattinga Verschure, Deventer, Niederlande

Diagramme:

Michael de Groot, Amsterdam, Niederlande

Fotografie:

Annette Heijn, Den Haag, Niederlande

Layout:

Ineke Heijn, Bergen NH, Niederlande

Umschlag:

© psdesign1 — Fotolia.com

Alle Bücher von Wiley-VCH werden sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen Autoren, Herausgeber und Verlag in keinem Fall, einschließlich des vorliegenden Werkes, für die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie für eventuelle Druckfehler irgendeine Haftung.

Bibliografische Informationder Deutschen Nationalbibliothek

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.

© 2014 WILEY-VCH Verlag GmbH&Co. KGaA, Boschstr. 12, 69469 Weinheim, Germany

Alle Rechte, insbesondere die der Übersetzung in andere Sprachen, vorbehalten. Kein Teil dieses Buches darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form — durch Photokopie, Mikroverfilmung oder irgendein anderes Verfahren — reproduziert oder in eine von Maschinen, insbesondere von Datenverarbeitungsmaschinen, verwendbare Sprache übertragen oder übersetzt werden. Die Wiedergabe von Warenbezeichnungen, Handelsnamen oder sonstigen Kennzeichen in diesem Buch berechtigt nicht zu der Annahme, dass diese von jedermann frei benutzt werden dürfen. Vielmehr kann es sich auch dann um eingetragene Warenzeichen oder sonstige gesetzlich geschützte Kennzeichen handeln, wenn sie nicht eigens als solche markiert sind.

Print ISBN 978-3-527-33701-9

ePDF ISBN 978-3-527-68096-2

ePub ISBN 978-3-527-68097-9

Mobi ISBN 978-3-527-68095-5

To Hanneke, Reinoud and Francine

who with their questions instigated me to write this book

VORWORT

Vielfach wird gedacht, dass Naturwissenschaften und Technik nur etwas für Leute mit einem solchen beruflichen Hintergrund sind. Das aber ist ein Irrtum. In einer Welt, in der Technologie in immer mehr Bereichen zu finden ist, kommt jeder mit Naturwissenschaft in Kontakt. Und dann ist ein gewisses Maß an Basiswissen unabdingbar. Ohne diese Kenntnisse wäre es, als wenn wir das moderne Leben mit zwei linken Händen meistern wollten.

Hinzu kommt, dass es auch einfach schön ist, die Welt um uns herum und die alltäglichen Naturgegebenheiten etwas besser zu begreifen. Und es ist gewiss auch interessant, Dingen auf den Grund zu gehen und zu erfahren, wie dies oder das funktioniert. Und dann stellt sich heraus, dass das Ganze auch noch unerwartet amüsante Seiten hat.

Das Interesse an Naturwissenschaften scheint zuzunehmen — vor allem bei Menschen ohne naturwissenschaftlich-technische Ausbildung. Das bei den Wissenschaftsrubriken von Zeitungen und Zeitschriften zu verzeichnende Wachstum illustriert dies, ebenso wie der Erfolg von wissenschaftlichen Fernsehprogrammen.

Dies ist eine begrüßenswerte Entwicklung. Dass sich mehr Menschen für Wissenschaft und Technik interessieren, ist ebenfalls im Zusammenhang mit wissensbasierter Wirtschaft und Innovation sehr positiv.

Dieses Buch möchte einen Beitrag dazu liefern, alltägliche Gegebenheiten für neugierige Leser begreiflich zu machen. Es enthält eine Sammlung interessanter Beispiele vor einem häufig unerwarteten Hintergrund. Die Sammlung basiert größtenteils auf Fragen von Familienmitgliedern, Freunden, Bekannten und Studenten, und ist damit rein willkürlicher Natur.

Der Vorteil dieses kleinen Buches besteht darin, dass es nicht in einem Zuge ausgelesen werden muss — alle Teile sind eigenständig und können separat gelesen werden, wenn auch die Reihenfolge logisch aufgebaut ist. Die als ‚Boxen‘ bezeichneten Elemente sind übrigens keine Pflichtlektüre. Sie sind für diejenigen Leser gedacht, die es vielleicht etwas genauer wissen möchten.

Die in diesem Buch vorgestellten Experimente können alle mit einfachen Mitteln im Wohnzimmer durchgeführt werden. Sie sind anschaulich und werden den Leser überraschen — und manche haben dazu auch noch einen hohen Unterhaltungswert. Alle jedoch zeigen, dass Naturwissenschaften absolut nicht langweilig sind — im Gegenteil!

Jo Hermans

Oegstgeest, im Januar 2014

IN DER FREIEN NATUR

Wie funktioniert die GPS-Navigation? Einstein sei Dank

Stellen wir uns einfach Folgendes vor: Ich bin mit dem Rad im Münchner Norden unterwegs und ich weiß nicht, wo ich bin. Zumindest habe ich daran gedacht, eine Detailkarte von diesem Gebiet mitzunehmen. Auf einer Straßenkreuzung steht glücklicherweise ein Hinweisschild, das mir sagt, dass ich mich 6 km von Garching und 5 km von Unterföhring befinde. Ich befinde mich somit auf einem Kreis um Garching herum mit einem Radius von 6 km und gleichzeitig auf einem Kreis um Unterföhring herum mit einem Radius von 5 km. Die zwei Kreise schneiden einander in zwei Punkten. Mein Standort ist somit einer dieser zwei Punkte — aber welcher?

Glücklicherweise stellt sich heraus, dass einer der zwei Punkte im Feringa-See liegt, und dort befinde ich mich bestimmt nicht. Also muss es der andere Punkt sein. Auf der Karte kann ich nun ungefähr finden, an welcher Kreuzung ich stehe. Wenn ich die Entfernungen zu den anderen Orten auf dem Hinweisschild auch noch mit einbeziehe, wird meine Standortbestimmung zuverlässiger, und dann scheidet der Feringa-See automatisch aus.

Unser GPS-Empfänger bestimmt unsere Position in analoger Weise, benutzt dazu jedoch drei Dimensionen, und zwar nicht nur den Punkt auf der Karte, sondern auch die Höhe. Dies geschieht mit einer erstaunlichen Präzision. Wie funktioniert das GPS eigentlich? Und wie funktioniert Galileo, das europäische Gegenstück? Zu letzterem lässt sich sagen, dass sich Galileo noch in der Aufbauphase befindet und wahrscheinlich erst um das Jahr 2020 seinen Betrieb aufnehmen wird. Aber im Prinzip funktioniert es genau wie das uns vertraute GPS. Und damit kommen wir zur Eingangsfrage zurück: Wie funktioniert GPS eigentlich?

In groben Zügen sieht das folgendermaßen aus: Das Global Positioning System (GPS) bestimmt unsere Position mit Hilfe von 24 Satelliten, die sich in einer Entfernung von ungefähr 20.000 Kilometern um die Erde bewegen; dabei schaffen sie zwei Umrundungen pro Tag.

Sie senden Radiosignale aus, die vom GPS-Empfänger aufgenommen werden. Dieser kann sich im Auto, auf dem Fahrrad oder in unserer Hand befinden. Mindestens vier Satelliten müssen für eine genaue Positionsbestimmung ‚zu sehen‘ sein, wie später in diesem Text deutlich wird.

Zwei Dinge müssen wir erfahren, um unsere eigene Position bestimmen zu können, nämlich die Position der Satelliten, die unser GPS-Empfänger sieht und die Entfernung zu jedem dieser Satelliten. Die Position aller Satelliten wird von einer Reihe Bodenstationen, die über den Globus verteilt sind, genau verfolgt und von der ‚Mutterstation‘ in den USA koordiniert, wo das System ursprünglich für militärische Zwecke entwickelt wurde. Diese Daten werden von der Erde aus an die Satelliten weitergeleitet. Jeder Satellit kennt so seine eigene Position und gibt diese seinerseits an unseren GPS-Empfänger weiter.

Nun müssen wir noch die Entfernung zu jedem dieser Satelliten messen. Dies erfolgt, indem wir die Zeit messen, die ein Radiosignal von einem Satelliten aus braucht, um zu unserem GPS-Empfänger zu gelangen. Es geht also um die zeitliche Differenz zwischen dem Versendezeitpunkt und dem Ankunftszeitpunkt. Wenn wir diese Entfernung in Bezug auf (mindestens) drei Satelliten kennen, dann ist unsere Position bekannt. Dies ist dann analog zur Fahrradgeschichte im Münchner Norden. Die Entfernung zum ersten Satelliten sagt mir, dass ich auf einer imaginären Kugel rund um diesen Satelliten sitze und zwar mit einem Radius, der mit der gemessenen Entfernung identisch ist. Das Gleiche gilt für den zweiten Satelliten. Auch dieser führt zu einer imaginären Kugel rund um diesen Satelliten. Ich muss mich nun auf beiden Kugeln zugleich befinden, das heißt auf dem Kreis, der entsteht, wo die zwei Kugeln einander schneiden. Dies ist genau so wie bei zwei Seifenblasen, die aneinander kleben. Zu dem dritten Satelliten gehört auch wieder solch eine Kugel. Diese wird den Kreis in zwei Punkten schneiden. Glücklicherweise stellt sich heraus, dass es einer dieser Punkte nicht sein kann, weil er beispielsweise zu tief in der Erde liegt oder aber viel zu hoch. Der Punkt, der übrig bleibt, ist meine Position. Natürlich gibt es immer eine gewisse Fehlerspanne bei den Messungen. Wenn mein GPS-Empfänger mehr Satelliten sehen kann, wird die Fehlerspanne sinken.

Es geht somit alles in allem darum, die Zeit zu messen. Das muss unglaublich genau erfolgen, da sich die Radiosignale mit Lichtgeschwindigkeit bewegen: 300.000 Kilometer pro Sekunde. Bei einem Fehler von einer Millionstel Sekunde liegen wir bereits 300 Meter neben unserem Zielpunkt. Mit einer Stoppuhr kann diese Berechnung nicht gelingen, soviel ist wohl klar.

Um die erforderliche Genauigkeit zu erreichen, verfügen alle Satelliten und Bodenstationen über Präzisionsuhren. Sie basieren auf einem äußerst genauen und stabilen Übergang innerhalb eines Cäsium-Atoms. Uhren dieses Typs erreichen eine sagenhafte Präzision: Die genauesten Uhren, die auf der Erde zu finden sind, funktionieren so präzise, dass sie im Laufe von tausend Jahren problemlos noch nicht einmal ein Zehntel einer Millisekunde voneinander abweichen! So gut brauchen die Uhren in den Satelliten auch wieder nicht zu sein, müssen jedoch innerhalb einer Abweichung von einer Milliardstel Sekunde voneinander bleiben.

Die Uhr in unserem GPS-Empfänger ist keine so teure, genaue Atomuhr. Das ist auch nicht erforderlich: Man hat sich nämlich einen Trick ausgedacht, wobei man einen extra Satelliten einschaltet, der dann für die genaue Zeitmessung sorgt. Darum braucht man mindestens vier Satelliten, nämlich drei, um die erforderlichen drei Entfernungen zu bestimmen und einen, um die Uhr in unserem GPS-Empfänger mit den Satellitenuhren zu synchronisieren.

Klar ist dabei, dass alles von der Genauigkeit der Zeitmessung abhängt. Aber jetzt passiert etwas Unerwartetes: Wir brauchen Einstein und seine Relativitätstheorie dazu. Einstein selbst hätte nie vermutet, dass seine Arbeit — solch eine unfassbare Abhandlung über theoretische Physik — jemals eine derart wichtige Rolle in einer so praktischen Angelegenheit wie dem Global Positioning System spielen würde. Dies ist somit auch ein schönes Beispiel für die unerwartete und unbeabsichtigte Anwendung von bahnbrechender Grundlagenforschung.

Aber wie hängt nun das Eine mit dem Anderen zusammen? Der Relativitätstheorie zufolge werden die Uhren in den Satelliten aus zwei Gründen nicht ebenso schnell laufen, wie sie laufen würden, wenn sie auf der Erde stünden. Da sie eine hohe Geschwindigkeit haben, gehen sie etwas langsamer. Aber weil sie in dieser großen Entfernung viel weniger Schwerkraft spüren (nur ein Viertel), gehen sie schneller. Dieser letztgenannte Effekt ist größer, und so gehen sie pro Tag ungefähr 38 Millionstel Sekunden schneller als die Uhren in den Bodenstationen. Dies erscheint uns nicht so sehr viel, kommt aber nach einem Tag schon einem Fehler von gut 11 Kilometern gleich! Solch ein Fehler würde unser GPS völlig unbrauchbar machen.

Um diesen Effekt der Relativitätstheorie zu kompensieren, werden die Uhren in den Satelliten, bevor sie ins All geschossen werden, ein bisschen langsamer gemacht, so dass sie nach dem Start, wenn sie ihre Umlaufbahn erreicht haben, genau zeitgleich mit den Uhren in den Bodenstationen auf der Erde gehen.

Das Problem ist gelöst — unser Ziel ist erreicht. Einstein sei Dank.

Warum ist der Fö(h)n so warm?

Der Fön, mit dem wir unser Haar trocknen, wird natürlich ganz normal elektrisch beheizt. Aber wie sieht es mit dem Föhn aus, dem warmen Wind, der unserem Haartrockner seinen Namen gegeben hat? Er weht als warmer Wind aus den Alpen kommend ins Tal — vor allem im Winter. Wieso zeigt er sich so trocken und so warm, wo er doch aus den kalten Bergen kommt? Er entsteht aus Luft, die ursprünglich feucht war und über die Berge hinweg zieht. Um zu sehen, wie das kommt, gucken wir uns erst an, was mit trockener Luft passiert, die über die Berge hinweg zieht.

Wir machen uns klar, dass der Luftdruck oben auf dem Berg niedriger ist als unten im Tal. Luft, die einen Berghang entlang nach oben strömt, dehnt sich aus und kühlt sich dadurch ab. Letztgenannter Punkt ist genau die Umkehrung dessen, was in einer Fahrradpumpe passiert: In dieser wird Luft zusammengepresst, die sich dadurch erwärmt. Beim Aufsteigen und Ausdehnen kühlt sich die Luft ab, und zwar um ungefähr 1 Grad Celsius pro 100 m, wenn keine anderen Einflüsse mit hineinspielen. Dies erklärt direkt, warum es kälter wird, wenn wir auf die Berge steigen. Wenn die Luft zum Beispiel 2000 m aufsteigt, dann wird sie um ca. 20 Grad Celsius kälter. Wenn sie an der anderen Seite des Berges wieder nach unten strömt, wärmt sie sich mit derselben Geschwindigkeit wieder auf. Der Netto-Effekt ist somit gleich null: Kein Fö(h)n also.

Schematisch betrachtet sieht das Ganze in dieser Skizze so aus:

In diesem Modell-Beispiel hat die Luft aus dem Tal zu Anfang 20 Grad Celsius, kühlt sich auf der Bergspitze auf 0 Grad ab und steigt dann wieder auf 20 Grad Celsius im Tal.

Aber nun zum Föhn. Dazu brauchen wir feuchte Luft, die am Berghang entlang nach oben steigt. Sie kühlt sich dabei ab, ebenso wie die trockene Luft. Aber nun passiert noch etwas: Beim Abkühlen kondensiert der in der Luft enthaltene Wasserdampf und bildet Regen, ebenso wie sich Frühnebel über einer Wiese bildet, wenn die Temperatur sinkt, oder so wie der Wasserdampf in unserem Atem kondensiert, wenn wir eine kalte Scheibe anhauchen. Und bei der Kondensation wird Wärme freigesetzt: Es ist genau der umgekehrter Prozess wie beim Verdampfen, das nämlich gerade Wärme kostet.

Durch die Wärme, die beim Kondensieren freigesetzt wird, wird sich die aufsteigende Luft nicht so sehr abkühlen, wie dies bei der trockenen Luft der Fall war. Die Abbildung zeigt, was ungefähr dabei passiert.

Ergebnis: Die Temperatur erreicht in diesem Beispiel 27 Grad. Die Luft ist somit warm und außerdem trocken, denn sie hat den Großteil der Feuchtigkeit als Regen am luvseitigen Berghang beim Aufsteigen zurückgelassen. Die relative Feuchtigkeit kann dadurch auf unter 20% sinken. Warme und trockene Luft: Dass wir den Haartrockner ‚Fön‘ nennen, ist, wie wir gesehen haben, gar keine so verrückte Entscheidung.

Die Luft erreicht die Bergspitze nun nicht mehr mit 0 Grad Celsius, sondern hat beispielsweise 7 Grad. Aber beim nach unten Strömen auf der anderen Bergseite erwärmt sich die Luft sehr wohl um die ganzen 20 Grad.

Gefühlte Temperatur, was steckt genau dahinter?

Wenn es draußen kalt und dazu auch noch windig ist, frieren wir besonders schnell. Der Wind kühlt unseren Körper stärker ab, als stehende Luft dies vermag. Häufig spricht man dann von ‚gefühlter Temperatur‘ oder im Englischen von ‚wind chill‘. Für Eisschnellläufer, Radfahrer, Segler und Skiläufer ist es wichtig, dieses Phänomen zu berücksichtigen. Wer dies nicht tut, kann sich Erfrierungen zuziehen. Und trotzdem herrscht in puncto gefühlter Temperatur noch ziemliches Unverständnis. So war mal in der Zeitung zu lesen, dass das in den Heizungen unserer Autos befindliche Wasser sogar bei Temperaturen über null Grad gefrieren kann, wenn es dazu genug Wind gäbe. Natürlich ist das kompletter Unsinn. Solch eine Heizung nimmt auf die Dauer immer die Außentemperatur an. Kälter kann sie nicht werden, zumindest nicht, wenn sie trocken ist (denn Verdampfen kostet Wärme und würde die Heizung zusätzlich abkühlen).

Was für die Heizung gilt, gilt eigentlich für alle Dinge, die man in den Wind hängt: Sie nehmen einfach die Temperatur der Luft an und damit basta.

Bei einem Menschen liegt die Sache jedoch anders: Er produziert Wärme und hält seinen Körper auf einer Temperatur von ca. 37 Grad Celsius. Die Umgebung ist fast immer ein Stück kälter. Dadurch gibt unser Körper Wärme an die Umgebung ab. Wenn es windstill ist, ist dies relativ wenig: Sogar die ungeschützte Haut ist dann immer noch von einer isolierenden, ein paar Millimeter dicken Luftschicht umgeben, die wir, als wäre sie ein Pullover, mit uns herumtragen (siehe dazu das Kapitel Wie halte ich meine Körpertemperatur stabil?, Seite 38). Diese dünne Luftschicht hält den Wärmeverlust in Grenzen und sorgt dafür, dass die Haut noch relativ warm bleibt. Und nun kommt der Wind hinzu. Der Wind bläst diese dünne isolierende Luftschicht weg, so dass die Kälte näher an unsere Haut herankommen kann. Der Temperaturrückgang dicht an der Hautober-fläche nimmt zu. Ergebnis: Die Haut kühlt stärker ab. Sie wird kälter. Sie wird ebenso kalt wie sie normalerweise — ohne Wind — bei einer niedrigeren Lufttemperatur werden würde. Das ist dann die Temperatur, die bei windstillem Wetter einen ebenso großen Wärmeverlust verursachen würde, wie es der Fall ist bei der tatsächlichen Temperatur und herrschendem Wind.

Um an diesen Effekt auch tatsächlich Zahlen koppeln zu können, sind umfangreiche Messungen vorgenommen worden. Man hat beispielsweise die Abkühlung einer Art Flasche, die mit 37 Grad Celsius warmem Wasser gefüllt war, bei verschiedenen Windgeschwindigkeiten untersucht. Die Ergebnisse hängen auch noch von der Luftfeuchtigkeit, Sonneneinstrahlung und anderen Prämissen ab. Was die gängigsten Prämissen betrifft, so finden sich in der nachstehenden Tabelle eine Reihe von Temperaturwerten dazu. Links ist die echte Lufttemperatur zu finden, in den weiteren Spalten die gefühlte Temperatur in Grad Celsius bei verschiedenen Windgeschwindigkeiten. Als niedrigste Windgeschwindigkeit wurde 7 m/s gewählt, was 25 km/h entspricht. Das ist somit die Windgeschwindigkeit für jemanden, der still steht, gilt aber natürlich auch für jemanden, der sich bei windstillem Wetter mit einer Geschwindigkeit von 25 km/h fortbewegt, was ungefähr der Geschwindigkeit eines sportlichen Radfahrers entspricht. Außerdem werden Werte für eine still stehende Person bei Windgeschwindigkeiten von 13 bzw. 20 m/s angegeben. Diese entsprechen, anders gesagt, auch wieder jemandem, der sich unter windstillen Bedingungen mit einer Geschwindigkeit eines Supereisschnellläufers (47 km/h) oder eines Skiläufers auf einer schnellen Piste (72 km/h) fortbewegt.

Wir sehen, dass es ziemlich viel ausmacht, ob es stark weht oder nicht. Wenn es null Grad und sehr windig ist (oder wir fahren mit einer Geschwindigkeit von 72 km/h den Berg hinunter), dann fühlt es sich ebenso kalt an, als wenn es -20°C und windstill wäre. Und wenn minus zwölf Grad herrschen, dann hat man bei derselben Geschwindigkeit den Eindruck, als ob es minus 39 wären; geradezu sibirische Temperaturen sind das dann!

Warum ist Eis so glatt?

Es scheint so selbstverständlich zu sein: Eis ist glatt. Darum kann man darauf so gut eislaufen. Aber woher kommt es eigentlich, dass Eis so glatt ist? Natürlich ist der Grund nicht, dass es so eben ist, denn ein Spiegel ist auch ganz eben, aber eislaufen kann man auf einem Spiegel bestimmt nicht gut. Das sprichwörtliche ‚spiegel-glatt‘ ist also absolut nicht glatt.

Um wirklich gleiten zu können, braucht es mehr, eine Schicht Wasser beispielsweise. Eine Oberfläche, die eben ist, wird erst dann glatt, wenn sie nass ist. Wir rutschen auf einem nassen Fußboden aus, nicht auf einem trockenen. Eine Wasserschicht glättet somit einen ebenen Untergrund. Und das ist tatsächlich auch die Ursache dafür, warum Eis glatt ist: Eine Wasserschicht zwischen dem Schlittschuh und dem Eis funktioniert wie ein Schmiermittel. Es stellt sich nur die Frage: Woher kommt die Wasserschicht, wenn die Temperatur unter null Grad liegt? Ein altes Missverständnis lautet, dass diese durch den Druck des Eisläufers zustande kommt. Das volle Gewicht des Sportlers konzentriert sich auf eine winzige Oberfläche, nämlich die paar Quadratzentimeter, mit denen die Schlittschuhe das Eis berühren. Nun ist es tatsächlich der Fall, dass Eis unter Druck schon unter null Grad Celsius schmilzt. Das ist logisch, weil flüssiges Wasser ein kleineres Volumen hat als Eis. Wenn wir Eis zusammenpressen, dann wird es zu Wasser. Aber wenn wir ausrechnen, wie viel das im Fall des Eisläufers ausmacht, dann stellt sich heraus, dass es viel zu wenig ist, nämlich höchstens ein paar Zehntel Grad. Dann müsste es mit dem Eislaufen vorbei sein, sobald die Temperatur unter Null fällt. Und dies würde dann auch ganz und gar nicht zur Erklärung herangezogen werden können, warum ein leichter Gegenstand wie ein Eishockey-Puck mit solcher Leichtigkeit über das Eis schlittert.

Die Lösung ist in der Tatsache verborgen, dass Eis von Natur aus an seiner Oberfläche eine Wasserschicht aufweist. Das ist gut zu verstehen, wenn wir uns die Struktur des Eises anschauen. Sie setzt sich aus einem Gitter aus Wassermolekülen zusammen, die von ihren Nachbarn an allen Seiten festgehalten werden. Aber bei der äußersten Molekülschicht liegt der Fall anders: Diese haben an der Außenseite keine Nachbarn. Sie sitzen dadurch weniger fest und verhalten sich wie eine Schicht Wasser, auch wenn die Temperatur unter Null liegt. Bei Eis mit einer Temperatur von null Grad zeigt sich, dass die äußerste dünne Wasserschicht eine Dicke von ungefähr 200 Molekülen aufweist, das sind ca. 70 Nanometer. Das ist weniger als ein Tausendstel des Durchmessers eines Menschenhaares. Das ist noch immer sehr dünn, aber dick genug, um als Schmiermittel zu funktionieren. Die Wasserschicht wird durch das Schlittschuhlaufen selbst noch dicker gemacht. Dafür sorgt die geringe Wärmemenge, die durch die Reibung von Schlittschuh und Eis entsteht, und so das Gleiten noch einfacher macht.

Wenn die Temperatur weiter sinkt, dann wird die Wasserschicht dünner und nimmt damit das Schmiermittel ab. Wenn es kalt genug wird (weit unterhalb von −35°C), dann sind sogar die äußersten Moleküle festgefroren und die dünne Wasserschicht ist komplett verschwunden.

Nun könnte man somit erwarten, dass Eislaufen bei einer Temperatur knapp unterhalb des Nullpunktes den geringsten Widerstand erzeugt. Aber das ist nicht der Fall, da das Eis dann mechanisch gesehen nicht stark ist; der Schlittschuh gräbt sich ein bisschen ein und erfährt dadurch einen größeren Widerstand. Daher müssen wir die Temperatur senken, um schnell Schlittschuhlaufen zu können.

Das Optimum liegt — in Abhängigkeit von der Art der Schlittschuhe — bei minus 7 bis 8 Grad Celsius. Das ist kalt genug, um nicht zu weit ins Eis einzusinken, aber nicht so kalt, dass die Wasserschicht zu dünn wird. Das Rezept für Rekorde auf Natureis ist also ganz einfach: Wir brauchen windstille Witterungsverhältnisse und minus sieben Grad.

Wellen am Strand

Jeder, der schon mal am Strand entlang läuft, wird bemerkt haben, dass die Wellen alle genau parallel zum Strand auflaufen. Bei Westwind ist dies für einen von Nord nach Süd verlaufenden Strand noch ziemlich logisch. Aber ist es bei Nordwind nicht doch verrückt, dass die Wellen gar nicht darauf zu reagieren scheinen und doch einfach parallel zum Strand verlaufen? Dahinter versteckt sich ein kleines bisschen Physik. Die indirekte Ursache liegt darin, dass der Strand allmählich ansteigt. Oder anders ausgedrückt: Vom Meer aus in Richtung Strand gesehen wird das Wasser langsam seichter. Und die Tiefe wiederum hat Einfluss auf die Geschwindigkeit, mit der sich die Wellen bewegen. Wenn das Wasser flacher wird, dann nimmt die Geschwindigkeit ab (siehe Box auf der nächsten Seite).

Als Beispiel nehmen wir nun einmal schöne breite Wellen, die sich dem Strand im schrägen Winkel nähern, beispielsweise weil sie vom Nordwind fortgetrieben werden. Diese Wellen befinden sich an der einen Flanke in tieferem Wasser als an der anderen. Die Geschwindigkeit ist somit auf der tiefen Seite höher als auf der seichten Seite. Dadurch beschreiben die Wellen eine Kurve, wobei die tiefe Flanke automatisch eine Außenkurve beschreibt. Dadurch dreht sich die Welle zum Strand hin, und zwar genau so lange, bis die Geschwindigkeitsunterschiede zwischen beiden Flanken ausgeglichen sind. Und das geschieht erst dann, wenn sie parallel zur Küste verlaufen. Danach gibt es keinen Grund mehr vom rechten Kurs abzuweichen und so bleiben sie schön parallel. Dies alles geschieht unter der Voraussetzung, dass der Strand natürlich überall gleichmäßig ansteigt.

Wellenreiter haben also mit dieser schönen sanft ansteigenden holländischen Nordseeküste Glück — und natürlich mit den physikalischen Gesetzen.

Wie schnell fallen Regentropfen?

Manchmal fällt es uns auf: Wenn ein heftiger Regenschauer über uns hereinbricht, fallen erst die großen Tropfen, und je mehr der Schauer abebbt, desto mehr kommen die kleinen Tropfen an die Reihe. Große Tropfen fallen schneller als kleine.

Das ist doch verrückt! Im luftleeren Raum fällt alles gleich schnell nach unten, das wissen wir doch noch aus dem Schulunterricht. So fällt eine Vogelfeder in einer Vakuumröhre ebenso schnell wie eine Murmel oder eine Reißzwecke — das Gewicht ist ganz egal.

Aber Regentropfen fallen nicht in einem Vakuum. Sie fallen in der Luft und dabei spielt Reibung eine Rolle. Diese wirkt der Schwerkraft entgegen, sobald Dinge fallen.

Um den Unterschied zwischen kleinen und großen Tropfen zu begreifen, müssen wir kurz untersuchen, welche Rolle diese Reibung während des Fallens spielt. Dieser Prozess fängt genau wie im Vakuum an: Die Schwerkraft sorgt dafür, dass der Tropfen an Geschwindigkeit zunimmt. Aber sobald die Geschwindigkeit steigt, wird auch die Reibung größer. Diese richtet sich nach oben, verhält sich also entgegengesetzt zur Schwerkraft. Die Netto-Kraft nach unten nimmt demnach ab, und die Geschwindigkeit nimmt — gemäß Newtons „Kraft ist Masse mal Beschleunigung“ — weniger schnell zu. Die Geschwindigkeit steigt noch, bis die Netto-Kraft null ist und bleibt danach konstant. In dieser Situation gibt es somit ein Gleichgewicht zwischen der nach unten gerichteten Schwerkraft und der nach oben gerichteten Reibung. Und hierbei spielt die Größe der Regentropfen eine Rolle.

Bei fallenden Regentropfen, die größer als ungefähr 1 mm sind, ist die Reibung proportional zum Quadrat des Durchmessers. Das heißt: Wenn ein Tropfen zwei Mal so dick wird, dann wird er einen vier Mal so großen Widerstand bei derselben Geschwindigkeit erfahren. Das kommt daher, dass der Luftstrom turbulent wird, so wie dies auch beim Radfahrer auf Seite 45 und dem Auto auf Seite 63 der Fall ist. Das ist übrigens anders bei kleineren Tropfen, zum Beispiel bei Nebeltropfen; siehe dazu das folgende Kapitel Warum fallen Nebeltropfen nicht? Nehmen wir nun mal an, dass ein Tropfen mit einer bestimmten Geschwindigkeit fällt und plötzlich zum doppelten Durchmesser anwächst (beispielsweise dadurch, dass er andere Tropfen aufnimmt), dann wird die nach unten gerichtete Schwerkraft acht Mal so groß und die nach oben gerichtete Reibung nur vier Mal so groß. Plötzlich gibt es also eine Netto-Kraft nach unten, und der Tropfen fängt unmittelbar an, schneller zu fallen, genau so lange, bis die Geschwindigkeit so weit gestiegen ist, dass sich die Kräfte wieder im Gleichgewicht befinden. Damit ist klar, dass große Regentropfen schneller fallen als kleine.

Es stellt sich nun die Frage: Wie schnell fallen Regentropfen genau? Gibt es eine Grenze bei dieser Geschwindigkeit? Und wie groß werden Regentropfen eigentlich? Denn je größer, je schneller. Die Größe ist ein interessanter Faktor. Wassertropfen wollen gern kugelförmig werden: Sie streben eine möglichste kleine Oberfläche bei einem gegebenen Inhalt an, das Gleiche gilt für Luftballons. Bei Wassertropfen kommt dies durch die Anziehungskräfte zwischen den Molekülen. Die ‚Oberflächenspannung‘, die dadurch verursacht wird, zieht sozusagen eine Haut um den Tropfen herum.

Wenn solch ein Tropfen nun fällt, fühlt er den Luftwiderstand, den die vorbeiströmende Luft verursacht. Für größer werdende — und schneller fallende — Tropfen nehmen diese Kräfte stets zu. Sie führen dazu, dass die Tropfen von unten abgeflacht werden. Wenn die Tropfen einen Durchmesser von ungefähr 5 Millimeter erreichen, werden sie so instabil, dass sie in kleinere Exemplare zerfallen. Das kann man schön in einem Windtunnel mit einem vertikalen Luftstrom beobachten, wobei die Tropfen still hängen bleiben, wenn der Luftstrom die richtige Geschwindigkeit hat.

Wenn Regentropfen schön rund bleiben sollen, dann dürfen sie höchstens einen Durchmesser von ungefähr 3 Millimetern bekommen. Werden sie größer, dann werden sie an der Unterseite flacher. Daraus folgt dann, dass der Widerstand zunimmt und sie nicht mehr viel schneller fallen.

Wie hoch sind die Geschwindigkeiten? Für Tropfen mit einem Durchmesser von 1 Millimeter hat sich ergeben, dass es 16 km/h sind. Für Tropfen mit einem Durchmesser von 3 Millimetern sind es schon 28 km/h. Aber dann haben wir auch das Maximum schon fast erreicht: Für größere Tropfen wird einer weiteren Steigerung der Geschwindigkeit durch die Abplattung entgegengewirkt. Die schnellsten Tropfen sind diejenigen mit einem Durchmesser von 5 Millimetern. Sie erreichen so ungefähr 29 km/h. Das ist dann kaum mehr als bei den Tropfen mit 3 Millimeter Durchmesser.

Wenn wir also schnell mit dem Rad unterwegs sind, dann bewegen wir uns genau so schnell fort wie die schnellsten Regentropfen. Nur fallen diese vertikal und wir dahingegen fahren horizontal. Diese Tropfen treffen uns dann also - zumindest wenn es windstill ist — genau in einem Winkel von etwas weniger als 45° schräg von vorn. Das ist gut zu wissen, wenn wir den Regenschirm beim Fahrradfahren aufspannen.

Warum fallen Nebeltropfen nicht?

Regen und Nebel: Beide setzen sich aus Wassertropfen zusammen, aber vom Regen sagt man, dass er fällt und vom Nebel, dass er in der Luft hängt. Der einzige Unterschied besteht in der Größe der Tropfen. Und große Tropfen fallen viel schneller als kleine, wie wir im vorstehenden Abschnitt sahen. Nebeltropfen fallen nicht — oder kaum. Im Prinzip kommt es wieder daher, dass die Schwerkraft bei solchen kleinen Tropfen unverhältnismäßig klein ist. Die Schwerkraft ist nämlich proportional zur Masse des Tropfens, somit proportional zum Durchmesser hoch drei.

Bis hierher ähnelt die Geschichte der über die Regentropfen. Nur sind Nebeltropfen viele Male kleiner — und fallen so viel langsamer — so dass ein anderes Reibungsgesetz als für Regentropfen gilt. Das kommt vor allem dadurch, dass die Luft, die um die Tröpfchen herum strömt, sich ordentlich verhält. Sie bildet schöne Stromlinien, die mehr oder weniger parallel verlaufen: Die Strömung ist laminar, wie man das nennt, und nicht turbulent wie bei größeren und schnelleren Gegenständen. In diesem Fall (für Tropfen, die kleiner als ungefähr 0,1 mm sind) ist die Reibung direkt proportional zum Durchmesser. Somit gilt: Wenn ein kleiner Tropfen zwei Mal so dick wird, wird er bei derselben Geschwindigkeit auch einen zwei Mal so großen Widerstand spüren. Inzwischen wird jedoch die Schwerkraft in diesem Fall tatsächlich acht Mal so groß.

Bedeutet dies nun, dass Nebeltropfen letzten Endes doch nach unten fallen? Wahrscheinlich ja, aber ihre Geschwindigkeit ist dabei arg gering. Wir schauen uns Nebeltropfen mit einem Durchmesser von 0,002 mm an. Deren Größe entspricht ungefähr vier Mal der Wellenlänge des Lichts; damit sind sie groß genug, um vom menschlichen Auge als eine weiße Wolke wahrgenommen zu werden. Wenn wir uns nun ans Ausrechnen machen, kommen wir auf eine Geschwindigkeit von 0,1 mm/s bzw. 36 cm pro Stunde. Das ist nicht viel; weniger als 10 Meter an einem ganzen Tag. Ein Windhauch oder ein wenig Konvektion werden schnell dafür sorgen, dass solche Tröpfchen in der Luft hängen bleiben.

Aber es gibt etwas überraschendes: Manche Nebeltropfen schweben wirklich weiter, sogar wenn die Luft vollständig still ist; nur klein genug müssen sie dazu sein! So verrückt ist das nun auch wieder nicht. Letztes Endes fallen die losen Luft- und Wassermoleküle auch nicht auf die Erde, sondern bilden gemeinsam die Erdatmosphäre. Das ist die Folge der thermischen Bewegung, wodurch Gasmoleküle und andere kleine Teilchen weiter schweben und wodurch uns die Atmosphäre nicht auf den Kopf fällt, sondern sich kilometerweit nach oben erstreckt.