Tropfen wundervoll in Szene gesetzt

„Es ist ein Glück, in der Strömungslehre zu arbeiten. So wie bei manchen KollegInnen, zum Beispiel in der Optik, ist unsere Arbeit leicht zu veranschaulichen.“
Milton Denman Van Dyke in An Album of Fluid Motion (1982)

Flüssigkeiten und Gase strömen um Hindernisse, mal ganz langsam und gleichmäßig, mal schnell und turbulent. Das sind die Gegenstände der Strömungslehre. Der Strudel im Badewasser, Rauchringe, Wassertropfen oder Seifenblasen – die Ästhetik dieser Phänomene ist wahrscheinlich den meisten Menschen offensichtlich.

Milton Van Dyke (1922-2010) war fasziniert von der Strömungslehre, er forschte sehr lange und erfolgreich auf diesem Gebiet. Einmal entdeckte er auf einer Reise den Atlas optischer Erscheinungen – fünfundvierzig Fotos sich brechender, beugender und überlagernder Lichtstrahlen – und war nachhaltig beeindruckt, denn diese Fotos von Experimenten stellen die der Natur innewohnende Schönheit über die technischen Aspekte. Seitdem er dieses Buch gesehen hatte, träumte Van Dyke von einem ähnlichen Album der schönsten Fotos strömender Fluide. Er erträumte An Album of Fluid Motion.

Etwa zwei Jahrzehnte später erschien es. Van Dyke hatte KollegInnen um Bilder gebeten, sie gesammelt und dann eine Auswahl getroffen. Das fertige Buch gab er 1982 in seinem eigenen Verlag The Parabolic Press heraus. Diesen hatte er einst gegründet, um sein erstes Buch weiter zu verlegen. Ein Lehrbuch der Strömungslehre, das der ursprüngliche Verlag trotz guter Verkäufe eingestampft hatte. Wahrscheinlich weil es nicht besonders viel Geld abwarf, denn Van Dyke hatte beim Vertragsabschluss auf einen maximalen Verkaufspreis bestanden, um das Buch allen Studierenden zugänglich zu machen.

Auch das Album sollte erschwinglich bleiben. Daher verzichtete Van Dyke auf farbige Abbildungen und inzwischen kann die elektronische Version sogar kostenlos beim Verlag heruntergeladen werden. Wer auf die Papierform wert legt, muss allerdings in einer Bibliothek nachschauen, eines der 400 bis 1000 Euro teuren Angebote im Internet erstehen oder einen Milton Van Dyke-Preis gewinnen. Da gehört eine Ausgabe dazu. Gedruckt wird das Buch nicht mehr.

Van Dykes Buch "An Album of Fluid Motion" in einer Bibliothek. — Milton Van Dykes Buch *An Album of Fluid Motion* in einer Bibliothek.

Der Milton Van Dyke-Preis

Wenn die Abteilung Strömungslehre der American Physical Society zur jährlichen Versammlung ruft, sind nicht nur technische Beiträge gefragt. Solche, die den ästhetischen Wert in den Mittelpunkt stellen, werden seit 2014 in einer eigenen Gallery of Fluid Motion gesammelt. Die jeweils etwa fünfzig Videos und einhundert Poster sind allesamt spektakulär. Die besten Beiträge werden mit dem Milton Van Dyke-Preis ausgezeichnet. Die Gewinnervideos der letzten Tagung im vergangenen Herbst setzen Wassertropfen eindrucksvoll in Szene. Sie sind absolut sehenswert und seien hier kurz vorgestellt und verlinkt.

Crystal Critters / Kristalltierchen

Im Wasser gelöste Salze bleiben beim Trocknen übrig. Die Salzbestandteile, die Ionen, können sich aber nicht einfach irgendwo hinlegen und ausruhen, sondern sie werden auf feste Plätze gezwungen, zum Beispiel auf die Ecken imaginärer Würfel. Es entsteht ein Kristall.

Kleine Tropfen Salzwasser auf einer wasserabweisenden Oberfläche formen fast perfekte Kugeln. Durch einen beheizten Untergrund angetrieben verdampft das Wasser und die entstehenden Salzkristalle wachsen grob innerhalb der Kugelform. Doch dann passiert etwas überraschendes: den Kugeln wachsen Beine.

Im Labor von Kripa Varanasi am MIT in den USA filmte ein Team die Crystal Critters genannten Kristalltierchen und schauten sie sich genauer an. Die Beinchen sind hohl: es sind kleine Röhrchen aus denen das restliche Wasser strömt, das beim Austritt die Beinchen wachsen lässt (im Video etwa bei 1min 30s).

Video-Screenshot Kristalltierchen aus trocknenden Tropfen. Gewinner Milton Van Dyke-Preis 2019. — *“Die Krabbe – Der Elefant – Der Android: ‘Critters’ sind gut reproduzierbar und kommen in verschiedenen Formen vor.”* (Screenshot: YouTube/APS physics)

Trockenblumen

Irmgard Bischofberger und ihr Student Paul Lilin vom MIT, sowie Guillaume Sintès und Philippe Bourrianne haben auch trocknende Wassertropfen gefilmt, allerdings auf einer benetzenden Oberfläche. So breiten sich die Tropfen kreisrund aus. Statt gelöster Salze schwimmt in den Tropfen Quartzsand. Die Sandkörnchen sind so fein (20 Nanometer), das sie Nanopartikel genannt werden. Wenn die Tropfen vom Rande her austrocknen, bleibt eine dünne Sandschicht übrig.

Zwar werden die Sandkörnchen nicht auf feste Gitterplätze gezwungen wie die Salzionen, dennoch halten sie sich gegenseitig leicht fest. Dadurch schieben und ziehen sich die Körnchen beim Trocknen hin und her bis Risse in der Sandschicht entstehen. Die Ränder biegen sich nach oben und es entsteht eine transparente Blüte. Wie viele Blätter sie hat und wie stark sie gekrümmt sind, darüber entscheidet die Menge der beigefügten Nanopartikel.

Video-Screenshot Blütenmuster in trocknenden Tropfen. Gewinner Milton Van Dyke-Preis 2019. — *“Die Blütenblätter biegen sich auch weniger…”* Die Prozentzahl über den drei Blüten gibt an, wie viel Sand in den Tropfen war. Der schwarze Balken unten rechts ist einen Millimeter lang. (Screenshot: YouTube/APS physics)

Aufgespießte Tropfen

Das Lutetium Projekt, ein YouTube-Kanal französischer Studierender, hat schon zum zweiten Mal den Milton Van Dyke-Preis abgestaubt. Zusammen mit dem PMMH der Hochschule für angewandte Physik und Chemie der Stadt Paris filmten sie diesmal Wassertropfen beim Aufprall auf verschiedene Hindernisse.

Die Tropfen fallen zunächst auf eine sehr saubere und ebene Glasscheibe. Sie verformen sich zu einem Pfann- bzw. Eierkuchen und benetzen die Oberfläche kreisförmig. Wenn das Glas aber wasserabweisend beschichtet ist, verhindert die Oberfläche das Benetzen. Dann kann sich der Eierkuchen nicht richtig ausbreiten, zieht sich schnell wieder zusammen und springt zurück in die Höhe, streckt sich der Länge nach und birst schließlich in kleinere Kugeln.

An komplizierteren Oberflächen werden die Tröpfchen regelrecht aufgespießt. Durch die wasserabweisende Schicht wird der Eierkuchen am Ausbreiten gehindert, außerdem dehnt sich das Loch um den “Spieß” herum aus – der Eierkuchen wird zum Donut. Der kann sich auch wieder zusammenziehen oder zerplatzen. Dieses Video hat meditative Wirkung!

Video-Screenshot Aufgespießter Tropfen. Gewinner Milton Van Dyke-Preis 2019. — Ein Wassertropfen im Moment des Aufpralls auf eine kleine Störung in einer sonst glatten Oberfläche. (Screenshot: YouTube/APS physics)

Die Galerie

Neben den Videos sind auch die Poster eine Augenweide. Und wer von den aktuellen Beiträgen nicht genug hat, kann alle älteren Galerien online bestaunen. Meine persönliche Best of-Liste der Poster ist:

Schottische Whiskys trocknen anders als Amerikanische Whiskeys und mehr aus 2018
Heiße Wachstropfen fallen in kaltes Wasser und mehr aus 2017
Muster in einfrierenden Wassertropfen und mehr aus 2016
Salzwasser formt “Rauchringe” und mehr aus 2015
Angeschnittener Apfel an Klarem Wasser und mehr aus 2014

Auch in diesen fünf Beispielen ist die Ästhetik offensichtlich, ohne den physikalischen Hintergrund zu kennen.

Eine kurze Biografie Van Dykes gibt es in englischer Sprache von L.W. Schwartz.

©Niko Komin (@kokemikal)

Bodenerosion nimmt seit 4000 Jahren zu

Bodenerosion ist ein weltweites Problem, das durch die landwirtschaftliche Nutzung stetig zunimmt. Wasser und Wind tragen die oberen Schichten ungeschützter Böden ab, das Material wird zu einem großen Teil über Flüsse weiter transportiert und kann sich dann in Seen als Sediment ablagern. Mitgeführte Pflanzenpollen zeichnen das Bild der Vegetation im Einzugsgebiet und erlauben außerdem, die abgelagerten Schichten zu datieren.

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„Connected Car“: Gehacktes gefährdet Stadtverkehr

Mit Sensoren bestückt und mit dem Internet verbunden wird ein Auto ein „Connected Car“. Dieses soll Fahrer unterstützen, Beifahrer unterhalten, den Verkehr führen oder den Zustand des Autos in die Ferne melden. „Connected Cars“ sind schwer in Mode, ob bei der heute beginnenden „Tokyo Motor Show“ oder bei der letzten IAA im September. Aber was, wenn ein Programmierfehler oder ein böswilliger Eindringling den Computer abstürzen lässt?

Das Fahrzeug zum Stillstand zu bringen erscheint als eine Möglichkeit, niemanden zu gefährden. Doch bleiben viele Autos auf der gleichen Straße stehen, behindern sie den Verkehr und wie sich zeigt, könnte das eine ganze Stadt zum Erliegen bringen. Für Manhattan gilt: werden im Hauptverkehr 20% aller Autos lahmgelegt, bricht der gesamte Verkehr zusammen. Krankenhäuser oder Feuerwachen wären nicht mehr erreichbar.

Physiker vom Yunker Lab in Georgia, USA, haben sich angeschaut, wie sehr ein organisierter Angriff auf mehrere Autos gleichzeitig den Verkehr beeinflussen kann (PhysRevE (2019), arXiv).

In drei Schritten zum Ergebnis

Zunächst simulierten sie eine dreispurige Straße mit liegenbleibenden Autos. Dann fassten sie das Ergebnis in einer mathematischen Gleichung zusammen und benutzten diese, um in einer weiteren Simulation das Straßennetz Manhattans nach und nach zusammenbrechen zu lassen.

Eine Straße und viele Autos

Diagramm Verkehrsfluss und Verkehrsdichte. Ersterer steigt bis zur optimalen Auslastung und fällt danach wieder ab. — Wie viele Autos passieren eine Straße, wenn der Verkehr dichter wird?

Die dreispurige Straße wird mit dem Intelligenten-Fahrer-Modell simuliert. Diese fast zwanzig Jahre alte Computersimulation bewegt virtuelle Autos so, dass die erlaubte Geschwindigkeit angestrebt und ein Sicherheitsabstand eingehalten wird. Es verhält sich echtem Verkehr sehr ähnlich: mit zunehmender Autodichte erhöht sich zunächst der Verkehrsfluss. Wenn jedoch zu viele Autos auf der Straße sind, verlangsamt sich der Verkehr und weniger Fahrzeuge passieren die Straße pro Stunde.

Durch liegenbleibende Autos wird der Verkehr nun behindert und kommt in den Simulationen immer wieder zum kompletten Stillstand. Zwei mögliche Gründe gäbe es dafür: ein „Stau aus dem Nichts“ (Wikipedia) und eine Blockade durch nebeneinander stehende Fahrzeuge. Bei genauem Hinsehen zeigte sich, dass vor allem Blockaden für den Zusammenbruch verantwortlich sind.

Aber wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, dass Autos nebeneinander liegen bleiben?

Mit ein paar Vereinfachungen können die Forscher die Frage genau beantworten. Gehen sie davon aus, dass Autos zufällig ausgewählt an zufälligen Orten stehen bleiben, alle Autos gleich groß und gleichmäßig über die Straße verteilt sind, dann erhalten sie eine fertige Formel. Aus Straßenlänge, Autodichte und Anzahl gehackter Fahrzeuge berechnet diese die gesuchte Wahrscheinlichkeit.

"Connected Car": Gehackt bleibt es auf der Straße liegen und blockiert den Verkehr. — Gehackte Autos in rot.

Im Straßennetz Manhattans

Mit dieser Formel können die Forscher nun Straßenabschnitte auswürfeln, in denen gehackte Autos den Verkehr blockieren. Die Physiker aus Georgia wählten dazu Manhattan. In verschiedenen Szenarien variieren die Verkehrsdichte und die Anzahl der gehackten Autos. Jedes Szenario wird mehrfach ausgewürfelt, da die Autos nicht immer an der gleichen Stelle liegenbleiben.

Straßennetze in einem 2x2km Quadrat in Manhattan und in Berlin. — Daten von „OpenStreetMap contributors“, extrahiert mit Hilfe von OSMnx.

Nehmen wir an, ein Angreifer ist in der Lage 20% der PKWs stillzulegen. Um drei morgens wäre hin und wieder ein Straßenzug unterbrochen aber der geringe Verkehr fließt im Großen und Ganzen weiter durch die Stadt. Bei mittlerem Verkehr sähe das schon anders aus. Es entstehen Inseln im Straßennetz, in die weder ein- noch ausgefahren werden kann. Und im Hauptverkehr bräche der Verkehr komplett zusammen. Da ist der Großteil aller Straßen isoliert und weniger als zehn Prozent aller Kreuzungen ist überhaupt noch mit einem Krankenwagen oder einer Feuerwehr erreichbar. In der Realität wären die Folgen noch drastischer, da die Staus durch die Behinderungen gar nicht berücksichtigt sind.

In Deutschland sind 20% aller Autos von Volkswagen. Aber Straßennetze verschiedener Städte können sich deutlich unterscheiden und die Ergebnisse können abweichen, ließen sich aber einfach ermitteln: „Das zweite Mal wäre viel schneller“, antwortet Co-Autor David Yanni in einer E-Mail. Das Frage ist jedoch, „ob es genug Daten gäbe. OpenStreetMap ist Schwarm-basiert wie Wikipedia und New York hat viele Details in den Daten. Wir brauchen mindestens genug, um den Algorithmus zu trainieren.“ Die Forscher extrahierten das Straßennetz aus OpenStreetMap und viele der Straßen haben keine Information über die Anzahl der Spuren. Diese ist aber notwendig und kann mit den Algorithmen aus den vorhandenen Informationen geschätzt werden.

Was tun?

Verschiedene Sicherheitslücken in einem „Connected Car“ wurden in der Vergangenheit öffentlich demonstriert. Wie beim heimischen PC wird die Dunkelziffer weitaus größer sein. Doch wie soll man dem Problem entgegentreten?

Nutzer eines solchen Autos können nicht viel tun, es sind in erster Linie die Hersteller gefragt. Warum sollen kritische Systeme des Autos mit dem Internet verbunden sein? Wenn ich den Motor meines Auto mit dem Handy aus der Ferne ein- und ausschalten kann, so kann das eventuell auch ein Angreifer. Ein Update für die Hauptsoftware aus der Ferne einzuspielen ist für die Hersteller billig und praktisch. Für die Hacker ist es ein interessantes Angebot.

Bildnachweis:

Titelbild: Pixabay

©Niko Komin (@kokemikal)

Archäologie aus erster Hand

„Unsere Gefühle und unser Erstaunen, als uns das bessere Licht die fantastische Ansammlung an Schätzen offenbarte, sind schwer zu beschreiben.“
Howard Carter (1922)

So beschreibt Howard Carter in seinem Grabungstagebuch den Moment, als er am 26. November 1922 mit Taschenlampe und Kerze die berühmte Grabkammer Tutanchamuns erstmals erleuchtet. Zeugnisse menschlicher Aktivität nach so langer Zeit in Dunkelheit wieder ans Licht zu bringen, ist nur wenigen Menschen vergönnt. Einige von ihnen arbeiten im Deutschen Archäologischen Institut (DAI), welches sich seit 190 Jahren der Archäologischen Forschung widmet und laut Eigendarstellung von Anfang an „… antike Denkmäler und Objekte … einer breiten Öffentlichkeit in Publikationen zugänglich“ macht. Heute geschieht das unter anderem in Form der Blogs.

Dort präsentieren sich archäologische Funde, bevor eine Ausstellung im Museum überhaupt in Betracht kommt. Außerdem ist man beim Lesen hautnah dabei und kann den WissenschaftlerInnen quasi bei der Arbeit über die Schulter schauen. Da ein internationales Publikum angesprochen ist, sind leider nicht alle Beiträge auf Deutsch.

Geburtstag

Am 21. April 2019 feierte das Institut seinen 190. Geburtstag und startete das Blog „190 Jahre DAI“. Seitdem wird jeden Tag jeweils ein Grabungsort, ein Projekt oder eine Abteilung aus der ganzen Bandbreite des DAI vorgestellt und mit vielen Fotos und Kartenmaterial illustriert. Auch kommen WissenschaftlerInnen in Videos persönlich zu Wort. Besonders schön ist die Interaktive Karte, auf welcher die Orte der einzelnen Blogeinträge markiert sind.

Dieses Blog ist zunächst auf 190 Tage angelegt, veröffentlicht also nur noch bis zum 27. Oktober. Ab 2020 soll es dann laut der Pressesprecherin des DAI, Nicole Kehrer, in einer anderen Form weitergeführt werden. In bisher vier weiteren Blogs berichten einzelne Arbeitsgruppen von ihrer Forschung, weitere werden noch hinzukommen.

Steinzeitrituale

Zwei Meter hohe, T-förmige Säule (Nr. 56) aus Stein von Göbekli Tepe. (Foto: Nico Becker, DAI) — Diese „Säule 56“ aus Göbekli Tepe ist etwas über zwei Meter hoch. (Foto: Nico Becker, DAI)

Schon seit 2016 kommen die „Tepe Telegramme“ der Orient-Abteilung aus „Göbekli Tepe“, dem „im Netz am meisten diskutierte[n] Grabungsort des DAI“ (N. Kehrer). Unter diesem 15 Meter hohen „Bauchigen Hügel“ in der Türkei stehen in Kreisen angeordnet, reichhaltig verzierte, T-förmige Säulen aus Stein, die von unseren halb-nomadisch lebenden Jäger-und-Sammler-Vorfahren erbaut und wahrscheinlich nur saisonal benutzt wurden. Wozu genau ist noch unklar, möglich ist eine Nutzung für religiöse Feste oder für Bestattungen. Vor etwa 10.000 – 12.000 Jahren haben Menschen das Areal nach und nach begraben. Warum sie das taten ist eine weitere offene Frage.

Die „Tepe Telegramme“ sind eine reichhaltige Fundgrube an Texten und Bildern zu einem spektakulären Monument der Steinzeit und seiner Erforschung. Die meisten Beiträge sind von den beiden Archäologen Jens Notroff und Oliver Dietrich geschrieben. Die Kommentarfunktion ist freigeschaltet und die AutorInnen nehmen rege an den Diskussionen teil.

Für manch deutsche LeserIn mag es etwas schade sein, dass alle Blogeinträge auf Englisch sind. Alle anderen Blogs sind wesentlich jünger und daher auch noch eher klein. Dafür sind viele Artikel in deutscher Sprache.

Jüngere Geschichte in jüngeren Blogs

Auf dem Blog „Bridging Eurasia“ lesen wir von der ältesten bekannten Hose. Sie stammt aus dem Grab eines Mannes im Nordwesten Chinas und ist aufgrund der hohen Trockenheit in der Gegend sehr gut erhalten. Die Hose ist aus Schafwolle und wurde vor 3200 Jahren von einem Reiter getragen. Ötzi zum Beispiel, der etwa 2000 Jahre früher lebte, hatte dagegen zweiteilige Beinlinge aus Ziegenfell.

Um die Techniken der Herstellung besser zu verstehen, rekonstruierte Mayke Wagner mit MitarbeiterInnen des DAI und internationaler Hilfe das Kleidungsstück. Der Blogeintrag „Die Erfindung der Hose“ präsentiert das gleichnamige Buch und den zugehörigen Film. Er enthält auch einen kleinen Trailer, in dem die rekonstruierten Hose in Bewegung zu sehen ist. Weitere Informationen und Bilder finden sich auf „190 Jahre DAI – Tag 8“.

Archäologie im Experiment – Zwei Bilder einer Hose. Links: 3200 Jahre alt und löchrig, rechts: gleicher Schnitt und Material aber neu. Dunkelbraun mit beige-farbenen Mustern. (Foto: Dominic Hosner, DAI und Ulrike Beck, DAI) — Links die 3 200 Jahre alte Hose aus dem Grab im Nordwesten Chinas (Foto: Dominic Hosner, DAI). Rechts die moderne Rekonstruktion (Foto: Ulrike Beck, DAI).

Die Römisch-Germanische Kommission erforscht die Geschichte Europas von der Steinzeit bis in die Antike hinein und bloggt darüber in „crossing borders – building contacts“. Dort kann man unter anderem in einem Archäologieexperiment den Nachbau eines fast sechstausend Jahre alten Töpferofens aus der heutigen Republik Moldau sehen, der erfolgreich auf bis zu 850 Grad Celsius beheizt werden kann.

Ein gemeinsames Forschungsprojekt des DAI mit deutschen und türkischen Universitäten schaut auf die Veränderungen der Region um die Stadt Pergamon zwischen 300 v. Chr. und 300 n. Chr. In diese Zeit fällt eine Verdopplung des Stadtgebiets, die Errichtung von Monumentalbauten wie Theater und Stadion und damit einhergehend große Veränderungen der Umgebung. Eindrücke von den Arbeiten einer Ausgrabung mit vielen Fotos dokumentiert der Artikel „Lernen – Forschen – Kultur erhalten“ auf dem Blog mit dem etwas sperrigen Namen „Transformation of the PERGAMON Micro-Region“.

Schnell im Blick

Die Beiträge aller Blogs in allen Sprachen sind immer aktuell auf der Startseite (www.dainst.blog) gesammelt.

Wer noch größere Neugier auf archäologische Neuigkeiten stillen möchte, dem seien die sogenannten e-Forschungsberichte empfohlen. Nach Jahren sortiert sind hier hervorragend illustrierte Berichte einzelner Aktivitäten relativ leicht verständlich in deutscher Sprache beschrieben. Außerdem gibt es die Zusammenfassungen der einzelnen DAI-Projekte, auch da lässt es sich hervorragend stöbern.

Die neue Rubrik „Querverweis“ von Laika stellt Internetangebote von Wissenschaft für Laien vor. Die Autoren der Beiträge stehen in keinem Verhältnis zu den beschriebenen Seiten. Insbesondere gibt es keinen Einfluss auf den Inhalt des Beitrages und es gab und gibt keine wirtschaftlichen Verbindungen, Zuwendungen oder Vergünstigungen.

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