Das Phänomen der sich rückwärts drehenden Räder

Da ich bereits mehrere Anfragen erhalten habe einen Artikel darüber zu schreiben, warum sich Räder von Autos, Kutschen etc. in Filmen oft rückwärts drehen, werde ich dieses Phänomen hier einmal erklären.

Zunächst muss man wissen, dass Filme eigentlich aus aneinandergereihten Einzelbildern bestehen. Etwa 25 Bilder pro Sekunde. Da unser Auge und unser Gehirn nicht in der Lage sind die Bilder einzeln zu erkennen, werden sie von uns als fortlaufender Film wahrgenommen. Das Gehirn ist in der Lage, die „Lücken“ zwischen den Bildern mit logischem Inhalt zu füllen, so dass wir dann einen zusammenhängende Film sehen. Trotzdem sind es immer noch einzelne Bilder.

Nun stellen wir uns mal den Wechsel von einem zum nächsten Bild vor. Im ersten Bild ist ein Rad mit Speichen zu sehen (z.B. von einer Kutsche). Die Speichen, die sich beim Fahren der Kutsche im Kreis bewegen, sind auf diesem Bild in einer bestimmten Stellung. Im nächsten Bild, das eine fünfundzwanzigstel Sekunde später aufgenommen wurde, hat sich das Rad weiter gedreht und die Speichen sind nun in einer anderen Stellung. Jetzt gibt es drei Möglichkeiten:

1. Das Rad dreht sich relativ langsam. Jede Speiche ist also auf dem nächsten Bild nur ein wenig weiter gedreht. In diesem Fall erkennt das Gehirn die korrekte vorwärtslaufende Kreisbewegung des Rades.
2. Das Rad dreht sich so schnell, dass die nächste Speiche im zweiten Bild nun an derselben Stelle steht, wie die andere Speiche im ersten Bild. In diesem Fall nimmt das Gehirn gar keine Veränderung war und es sieht so aus als würde das Rad sich überhaupt nicht drehen.
3. Bei etwas geringerer Geschwindigkeit als in 2. ist die nächste Speiche im zweiten Bild soweit gedreht, dass die kurz vor der Stelle steht, an der die andere Speiche im ersten Bild stand. Das Gehirn verbindet nun die beiden Bilder zu einer fließenden Bewegung, die uns dann aber sehen lässt, dass das Rad sich rückwärts dreht, obwohl die Kutsche vorwärts fährt.

Es kommt also auf die Geschwindigkeit an, mit der das Rad einer Kutsche oder eines Autos sich dreht. Wenn ein Auto in einem Film beschleunigt und die Reifen dabei zu sehen sind, wird es so aussehen als würden sich die Räder erst einmal immer schneller drehen, bis der oben erklärte Effekt eintritt. Ab diesem Zeitpunkt scheint das Rad sich rückwärts zu drehen und mit weiterer Beschleunigung langsamer zu werden, bis es komplett stehen bleibt. Das Gleiche wiederholt sich bei weiter steigender Geschwindigkeit.

Das gleiche Phänomen kann übrigens auch auftreten, wenn ein Auto hinter einem Zaun entlangfährt. Die Zaunbalken, die die Sicht auf das Auto verdecken erzeugen auch den Effekt der einzelnen Bilder. Diese entstehen nämlich dann, wenn der Blick zwischen den Zaunbalken durch fällt und der Autoreifen zu sehen ist.

Im Zusammenhang mit Filmen nennt man diesen Effekt „Wagenradeffekt“ oder „Speichenradeffekt„. Der allgemeine Begriff lauten „Stroboskopeffekt„.

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Flimmern über heißen Oberflächen

Jetzt in der warmen Jahreszeit wieder häufig zu beobachten: Ein merkwürdiges Flimmern auf Asphalt, schwarzen Fensterbänken oder anderen heißen Oberflächen. Hast du dich schon einmal gefragt woher das kommt? Hier gibt es die Erklärung.

Zuerst einmal benötigt es dafür eine heiße Oberfläche. Und zwar eine, die deutlich wärmer ist, als die Luft darüber. Diese Luft erwärmt sich im Bereich direkt über der heißen Oberfläche, z.B. Asphalt. (Es funktioniert natürlich auch mit anderen Wärmequellen) Wärmere Luft steigt immer nach oben, da mit steigender Temperatur die Dichte der Luft sinkt und sie somit leichter wird. Die aufsteigende Luft macht dadurch wieder Platz für „frische“ Luft, die auf die Oberfläche strömen kann und sich wiederum erhitzt. Außerdem kühlt die warme Luft beim Aufsteigen langsam wieder ab, so dass sich im Bereich über dem Asphalt mehrere Luftschichten unterschiedlicher Temperatur bilden. Die Aufwärtsbewegung dieser Schichten erfolgt aber in der Regel nicht gleichmäßig, sondern wild durcheinander. In der Technik nennt man eine solche Strömung „turbulent“. Wenn nun Licht, das später in unser Auge fallen soll, durch diese turbulente Strömung aus verschieden warmen Luftschichten fällt, wird es in jeder Luftschicht unterschiedlich gebrochen. (Für eine ausführliche Erklärung des Begriffes Brechung von Licht siehe: Wie entsteht eigentlich ein Regenbogen? ) Dieses „Wirrwarr“ aus gebrochenem Licht sehen wir dann als Flimmern, das aufzusteigen scheint, da sich die Luftschichten ja weiterhin nach oben bewegen.

Das gleiche Phänomen ist übrigens auch für die scheinbar nasse Straße verantwortlich. Licht kann nämlich an einer Grenze zwischen zwei unterschiedlich warmen Luftschichten auch reflektiert werden. (Für Begriffserklärung Reflexion siehe ebenfalls: Wie entsteht eigentlich ein Regenbogen? Was wir auf dem Boden als Pfütze sehen, ist eigentlich die Spiegelung des Himmels.

Im Allgemeinen nennt man eine solche Spieglung „Fata Morgana“. Dabei kann nicht nur der Himmel, sondern auch andere Gegenstände oder ganze Bergketten gespiegelt werden. Allerdings sollte für eine gut sichtbare Fata Morgana kein Wind wehen, um die Luftschichten möglichst nicht zu verwirbeln. Ist das der Fall, so entsteht eine deutliche Grenze zwischen einer kühleren und einer wärmeren Luftschicht, an der sich das Licht dann spiegeln kann.

In der Abbildung sieht man die Grenzschicht zwischen den Luftschichten (schwarzer Strich). Der Baum wird an dieser Schicht gespiegelt. Das Licht ist mit grauen Pfeilen gekennzeichnet. Aus Sicht des Betrachters, sieht es so aus, als wäre der Baum an der Stelle des grünen Punktes. In Wirklichkeit ist er deutlich weiter weg. Der Baum kann zwar bei einer einfachen Spiegelung auf dem Kopf stehen, doch ist das oft nicht so genau zu erkennen.

So kann es in der Wüste vorkommen, dass Nomaden Wasserstellen, Gebirgszüge oder sogar Städte an Stellen vermuten, an denen weit und breit nichts ist. Eine gespiegelte Stadt muss natürlich existieren, sie kann aber noch viel weiter weg sein als vermutet.

 

Quellen:

https://www.helles-koepfchen.de/lichterscheinungen/luftspiegelung-fata-morgana.html

https://physik.cosmos-indirekt.de/Physik-Schule/Hitzeflimmern

Benzin/ Diesel – Die Unterschiede der Motoren

In dem Beitrag über die Unterschiede der beiden Kraftstoffe Benzin und Diesel ( https://lustaufwissen.wordpress.com/2015/05/05/benzin-diesel-wo-liegt-denn-da-der-unterschied/ ) habe ich bereits angekündigt auch einen Beitrag zur Funktionsweise der beiden Motorenarten zu verfassen. Dass sie unterschiedlich funktionieren merkt man bereits daran, dass ein Benzinauto nicht mit Diesel gefahren werden kann und anders herum.

Nun zu den technischen Unterschieden. Sowohl im Ottomotor (Benzin) also auch im Dieselmotor gibt es vier Takte, die einen Bewegungszyklus des Motors darstellen. Daher auch der Name „Vier- Takt- Motor„. Was sich im Motor eigentlich bewegt, sind die Kolben in den Zylindern.

Der schwarze Rahmen ist der Zylinder. Der dunkel graue Block, der über eine Halterung an einem drehbaren Bauteil (im Auto die Kurbelwelle) befestigt ist, ist der Kolben. Dieser kann sich, mit Rotation der hell grauen Scheibe, hoch und runter bewegen.

Der erste Takt im Motor, das „Ansaugen„, birgt schon den ersten Unterschied. Im Benzinmotor wird ein Gemisch aus Luft und fein zerstäubtem Benzin in den Zylinder angesaugt. Der Kolben bewegt sich hierbei nach unten, wodurch ein Sog entsteht. Das tut der Kolben beim Dieselmotor auch, jedoch wird hier reine Luft angesaugt und der Kraftstoff kommt erst später dazu.

Der nächste Schritt ist die „Verdichtung„. Wenn der Kolben sich nun wieder nach oben bewegt, komprimiert er das vorher eingesaugt Luft- Kraftstoff- Gemisch (Benzin) bzw. die Luft (Diesel). Die Ventile, die in der Graphik blau dargestellt sind, sind geschlossen und somit wird das Gemisch verdichtet. Beim Dieselmotor ist die Verdichtung deutlich höher. Die angesaugte Luft wird also deutlich mehr zusammen gedrückt, als beim Benzinmotor – Unterschied Nummer zwei. Der Diesel, der bis jetzt in den Prozess noch gar nicht involviert war, wird nun in die stark verdichtete Luft eingespritzt. Und zwar über eine Düse, die den Kraftstoff sehr fein zerstäubt.

Die „Zündung“ – dritter Takt / Arbeitstakt: Der Benzinmotor benötigt hierfür eine Zündkerze, die einen Funken erzeugt. Dieser Funke entzündet das komprimierte Benzin- Luft- Gemisch, wodurch eine kleine Explosion entsteht. Beim Dieselmotor wird keine Zündkerze benötigt, da die noch stärker verdichtete Luft so heiß ist, dass sich der nun eingespritzte Diesel von selber entzündet. Es gibt also auch hier eine kleine Explosion. Die Explosion drückt jeweils den Kolben wieder nach unten. In dem Moment wird die Kurbelwelle im Auto angetrieben und somit Arbeit verrichtet, daher der Name Arbeitstakt.

Der letzte Takt, das „Auspuffen„, bezeichnet den Vorgang, bei dem die verbrannten Gase durch die Aufwärtsbewegung des Kolbens ausgetrieben werden. Dieser Teil ist bei beiden Motoren gleich, auch wenn die Zusammensetzung der Abgase unterschiedlich ist. Beim Dieselauto entsteht mehr CO₂ und Rußpartikel, welche krebserregend sind. Im Benzinmotor entstehen dafür gesundheits- und klimaschädliche Stickoxide.

Man sieht, es gibt einige Unterschiede aus technischer Sicht und beide Motorbauarten haben ihre Vor- und Nachteile. Deshalb werden auch immer noch beide Modelle gebaut.

Benzin / Diesel – Wo liegt denn da der Unterschied?

Die Auswahl der Tankstellen wird immer größer. Immer neue „Superkraftstoffe“ erweitern das Angebot weiter und weiter. Der Hauptunterschied beim Tanken liegt aber immer noch zwischen Benzin und Diesel. Hier sollte man sich beim Tanken auch nicht vertun, denn im schlimmsten Fall kann man damit den Motor seines Autos zerstören. Doch worin liegen eigentlich die Unterschiede zwischen Benzin und Diesel?

Zuerst einmal gibt es einen deutlichen Unterschied aus chemischer Sicht. Benzin und Diesel werden zwar beide aus Erdöl gewonnen, jedoch ist deren Zusammensetzung unterschiedlich. In der Raffinerie, in der das Erdöl verarbeitet wird, entstehen im Prozess unterschiedliche Fraktionen, die separat abgetrennt werden können. Benzin entsteht als erstes, da es sich aus relativ kleinen Molekülen zusammensetzt. Die größeren Moleküle des Diesels können erst später abgezogen werden. Der chemische Hauptunterschied ist also die Größe der Kohlenwasserstoffketten. Kohlenwasserstoffe sind Stoffe, die aus Kohlenstoff ( C ) und Wasserstoff ( H ) bestehen. Die C- Atome sind die, die durch die Verbrennung Wärme erzeugen, die im Motor später in Bewegungsenergie umgewandelt werden können. Da die größeren Moleküle des Diesels mehr C-Atome enthalten, kann bei der Verbrennung im Motor auch mehr Energie gewonnen werden. Damit wären wir schon beim zweiten chemischen Unterschied: Die Energiedichte bzw. Effizienz. Dieselkraftstoff ist effizienter als Benzin – Es entsteht mehr Wärmeenergie bei der Verbrennung im Motor. Das ist auch der Grund warum Dieselfahrzeuge im Allgemeinen einen geringeren Verbrauch pro 100km haben. Andererseits entsteht bei der Verbrennung auch pro Kohlenstoffatom ein Kohlenstoffdioxid Molekül ( CO₂ ), was wiederum schädlich für die Umwelt ist.

Jede der beiden Kraftstoffarten hat also seine Vor- und Nachteile. Diesel ist effizienter, dafür aber schädlicher. Benzinmotoren verbrauchen bei gleicher Leistung etwas mehr, sind jedoch auch ein wenig umweltfreundlicher. Hierbei sei allerdings erwähnt, dass Benzinmotoren andere umweltschädliche Gase produzieren. Die Umweltbilanz könnte also fast ausgeglichen sein.

Die Funktionsweise der Motoren ist im Übrigen auch unterschiedlich. Darauf möchte ich hier aber nicht eingehen. Siehe hierfür:

https://lustaufwissen.wordpress.com/2015/05/11/benzin-diesel-die-unterschiede-der-motoren/