Warum ist der Himmel blau?

Die Bilder aus dem Weltall zeigen es: Eigentlich ist der Himmel ja schwarz. Warum erscheint er uns auf der Erde als blau?

Das weiße Licht der Sonne besteht aus rotem, blauem und grünem Licht. Trifft das kurzwellige blaue Licht auf die Luftmoleküle unserer Atmosphäre, wird es herausgefiltert und weit gestreut, die anderen Lichtfarben dagegen nicht. Das ist die so genannte Rayleigh-Streuung: Das weit gestreute Blau gibt unserem Himmel seine Farbe.

Bionik

Die Evolution hat im Laufe der Zeit geniale Lösungen für die Anpassungen an extreme Lebensräume entwickelt. Ob im Wasser, an Land oder in der Luft - wer überleben will, braucht besondere Fähigkeiten zudem auch besondere Eigenschaften. Viele Tiere können sich - je nach Lebensraum - extrem energiesparend fortbewegen, sich unter schwierigen Bedingungen orientieren und verständigen. Andere wiederum verfügen über ultraleichte, aber sehr stabile Körperpanzer. Bioniker versuchen, die Geheimnisse von Naturprinzipien zu entschlüsseln und sie als Vorbild für die Entwicklung neuer technischer Lösungen zu nutzen.

1960 führte der amerikanische Luftwaffenmajor Jack E. Steele die englische Entsprechung "bionics" auf einem von der Luftwaffe gesponserten Symposium ein. Die Idee dahinter ist allerdings wesentlich älter. Bei der Eroberung des Luftraums stand die Natur von Anfang an Pate. Schon im 16. Jahrhundert erdachte Leonardo da Vincis Flugmaschinen nach dem Vorbild des Vogelflugs, darum gilt dieser auch als Urvater der Bioniker.

Später, Anfang des 19. Jahrhunderts, orientierte sich George Cayley bei der Konstruktion der ersten funktionierenden Fallschirme an den Flugsamen heimischer Pflanzen. Otto Lilienthal erkannte Anfang des 20. Jahrhunderts als Erster die Bedeutung der Flügelwölbung für den Auftrieb - und legte damit die Grundlage für die ersten erfolgreichen Gleitflüge. Selbst heute ist die Eleganz und Effizienz des Vogelflugs immer noch wegweisend und unerreicht. Die aufgespreizten Schwungfedern am Flügelende sind Vorbild für entsprechende Winglets, die an immer mehr Flugzeugtragflächen zu sehen sind. Diese reduzieren die Wirbelbildung am Flügelende - und damit auch den Luftwiderstand und den Treibstoffverbrauch.

Keine Kopiervorlage

Selbst wenn die Natur mit einer scheinbar perfekten Lösung aufwartet - aber es einfach zu kopieren oder besser gesagt Umzusetzen, da liegt die Schwierigkeit. Vom biologischen Phänomen bis zu einer technischen Umsetzung ist es meist ein langer Weg. Entscheidend dafür ist das Verständnis für das zugrunde liegende Prinzip: Beispiel Lotuseffekt.

Der Effekt, die selbstreinigende Eigenschaft der Lotuspflanze, ist schon lange bekannt. Aber erst die systematische Untersuchung zeigte, wie er zustande kommt: Die Blätter der Lotuspflanze sind mit mikroskopisch kleinen Wachsspitzen überzogen, an denen Wasser einfach abperlt und den Schmutz dabei mitnimmt. Bei der Übertragung des Effekts auf Wandfarben, Dachziegel oder Plastikboxen wurde später die Art der Oberflächenstruktur nachgeahmt.

Haie - schnelle Jäger der Meere

Haie zählen zu den besten und elegantesten Schwimmern unter den Meerestieren. Die besondere Oberflächenstruktur ihrer Haut macht es möglich. Die Haihaut besteht aus spitzen beweglichen Hautschuppen. Sie besitzen zusätzlich feine Rillen, die der Haioberfläche besonders strömungsgünstige Eigenschaften verleihen. Dank der Senkung des Reibungswiderstandes können Haie sich nicht nur sehr schnell, sondern auch sehr energiesparend fortbewegen.

Ein weiterer positiver Effekt der spitzen, beweglichen Hautschuppen: Es können sich keine Fremdorganismen wie Seepockenlarven oder Muscheln anheften. Auch das senkt Reibungsverluste im Wasser. Ein neu entwickelter Bootsanstrich, der die Haihautoberfläche nachbildet, ist bereits auf dem Markt. Er steht als Alternative zu den herkömmlichen, chemisch wirkenden "Antifouling-Anstrichen" gegen Besatz an Bootsrümpfen zur Verfügung.

Sandfische - "schwimmend" durch den Wüstensand

Auch einige Landtiere haben ihren Reibungswiderstand perfekt minimiert. Der Sandskink, ein in der Sahara vorkommendes Reptil, taucht problemlos in den Wüstensand und kommt dort - ähnlich wie ein Fisch - mit schlängelnden Bewegungen erstaunlich schnell voran. Der Sandfisch verdankt diese besondere Fähigkeit ebenfalls seiner einzigartigen Hautoberfläche. Sie ist extrem glatt - glatter als bisher bekannte technische Oberflächen wie Teflon, Glas oder Stahl.

Auch was die Widerstandsfähigkeit angeht, braucht die Sandskink-Haut keinen Vergleich zu scheuen. Die Dauerbelastung im spitzen, scharfen Wüstensand führt zu keinerlei Abrieb - ein dachziegelartiger Aufbau lässt die Körner einfach abperlen. Dieses Prinzip könnte Vorbild für hochwertige kratzfeste Lacke und Farben werden.

Spinnen - konstruieren nach dem Leichtbauprinzip

In der Natur herrscht der architektonische Anspruch vor, möglichst im Leichtbauverfahren mit einem Höchstmaß an Stabilität neue Strukturen zu erschaffen. Diese Vorgaben spiegeln sich bei den Spinnen unter anderem in der hohen Reißfestigkeit und Elastizität der verschiedenen Netzvarianten wider. Ob Rad- oder Trichternetz, immer achtet die Spinne darauf, möglichst wenige Spinnenfäden zu verarbeiten, ohne dabei die Festigkeit des Netzes aufs Spiel zu setzen. Das ist möglich, weil die Fäden aus Spinnenseide bestehen, die fünfmal so reißfest ist wie Stahl und ein äußerst geringes Gewicht aufweist.

Insgesamt spart diese Vorgehensweise wertvolle Energie und Baumaterial, ist zudem sehr effektiv und vergleichsweise langlebig. Bioniker versuchen, Spinnenseide künstlich, aber naturgetreu nachzubilden, um sie als biokompatibles Material in der Medizintechnik oder für extrem reißfeste und wetterbeständige Kleidung einzusetzen.

Die Geschichte des Fahrrads

Die Fahrräder der Pionierzeit im 19. Jahrhundert sind teuer und finden ihre Kundschaft nur in wohlhabenden Gesellschaftsschichten. Da gilt Radfahren als schicker Freizeitvertreib und fordert insbesondere die Herren von Stand zu sportlichen Wettkämpfen heraus. Nach und nach entwickelte sich das Fahrrad dann aber zum beliebten Fortbewegungsmittel für die Massen.

Karl Friedrich von Drais kam auf die Idee, dass zwei Räder bei einem Fortbewegungsmittel ausreichen könnten um sich fort zu bewegen. Das Laufrad konnte über das Vorderrad gelenkt werden, so wie auch beim späteren Fahrrad. Der Fahrer des Laufrads ("Draisinenreiter") saß auf einem mit Leder gepolstertem Holzgestell und musste sich mit den Füßen abstoßen.

Die Räder waren noch bestanden aus Holz und ohne Luftreifen. Bei der Fortbewegung mit dem Laufrad ergab sich die Schwierigkeit, gleichzeitig mit den Füßen für den Antrieb zu sorgen und dabei die Balance zu halten. Hinzu kam, dass viele Wege und Straßen damals viel weniger befestigt waren als heute. Insofern setzte sich das Laufrad als Fortbewegungsmittel nur bedingt durch.

Erst ein halbes Jahrhundert später entwickelte sich das Laufrad zum echten Fahrrad weiter. Das 19. Jahrhundert war in Europa überhaupt eine Zeit der Erfindungen, man denke zum Beispiel an die Dampfmaschine, die Eisenbahn oder das Telefon. Die entscheidende Neuerung beim Laufrad war die Befestigung von Tretkurbeln und Pedalen am Vorderrad. In Frankreich entstand die erste serienmäßige Produktion dieser "Vélocipède" oder kurz "Velo" genannten frühen Form des Fahrrads.

In ganz Europa verlangte man nach den Velos, Fahrradrennen wurden äußerst beliebt. 1870 brach die französische Veloproduktion über Nacht ein, als die preußischen Truppen im Deutsch-Französischen Krieg in Paris einmarschierten. Danach wurde England zur Hauptproduktionsstätte für die Velos.

England: Entwicklung des "Hochrads" und des "Niederrads"

In England überlegte man, wie man die Velos noch schneller machen könnte. Durch die direkte Befestigung der Tretkurbeln und der Pedale am Vorderrad musste man logischerweise für eine Radumdrehung einmal mit den Pedalen im Kreis herum treten. Bei einem größeren Umfang des Vorderrads erreicht man natürlich mehr zurückgelegte Strecke pro Pedaltritt, auch wenn der Widerstand ein wenig größer wird.

Die Rechnung ging auf jeden Fall auf - das "Hochrad" erreichte Geschwindigkeiten von über 40 Stundenkilometern. Um das Aufsteigen auf das Rad zu erleichtern, baute man die Hinterräder noch kleiner, als sie sowieso schon waren. Beim Hochradfahren bedarf es akrobatischen Geschicks - Stürze vom Hochrad waren keine Seltenheit und führten wegen der großen Fallhöhe häufig auch zu schwereren Verletzungen.

Das "Niederrad" ist die Vorstufe des modernen Fahrrads - mithilfe einer Fahrradkette und der Zahnräder wurde die Kraft von den Tretkurbeln auf das Hinterrad übertragen. Durch die Trennung von Antrieb und Lenkung ließ sich das Rad sehr viel besser kontrollieren, die Sitzposition lag wieder zwischen Vorder- und Hinterrad. Das Niederrad taugte als erstes Fahrrad zum Massenverkehrsmittel. Die Niederräder waren den Hochrädern schließlich auch was die Geschwindigkeit angeht überlegen - dabei spielt das mechanische "Prinzip der Übersetzung von Kraft" und der Einsatz von verschieden großen Zahnrädern an Tretkurbel und Radachse eine Rolle.

Kettenantrieb und andere technische Neuerungen

Als Erfinder des Fahrrads mit Kettenantrieb gilt der Franzose André Guilmet. In England entwickelte John Kemp Starley das sehr verbreitete Modell "Rover"  - die Vorderradgröße war wieder deutlich geschrumpft, das Aussehen dem heutigen Fahrrad schon recht ähnlich. 1888 entwickelte der Ire John Boyd Dunlop den mit Luft gefüllten Reifen aus Kautschuk, der sich anschließend auch in der Fahrradindustrie durchsetzte (zuvor wurden die Räder mit Eisen oder Kautschuk bereift).

Das Baumaterial für den Rahmen bestand nun längst nicht mehr aus Holz, sondern aus Metallrohren - die sich durchsetzende Rahmenform wurde aufgrund ihrer Form als "Diamantrahmen" bezeichnet. Seit 1875 wurden die Fahrräder bereits mit einer Beleuchtung bestückt - zunächst in Form einer Ölfunzel. Nach der Wende vom 19. zum 20. Jahrhundert wurde eine Rücktrittsbremse - zuerst 1903 von Ernst Sachs in Deutschland unter dem Namen "Torpedo"  serienmäßig eingebaut.

Weitere technische Neuerungen waren die Federung des Sattels und ein Mechanismus, der verhinderte, dass sich die Tretkurbeln und Pedale beim Rollen mitbewegen müssen ("Freilauf"). Außerdem wurde durch die Erfindung von Stahlspeichen mehr Stabilität für das Fahrrad gewährleistet.

Die Verbreitung des Fahrrads

Die Weiterentwicklung des Fahrrads passte zum Trend der Industrialisierung - bald wurde es zum unverzichtbaren Transportmittel für die arbeitenden Massen. Die Arbeiter pendelten mit dem Rad zwischen Fabrik und ihren Behausungen. Viele waren außerdem froh, mit dem Fahrrad Ausflüge an den Stadtrand und in die Natur machen zu können.

Fahrradliebhaber gab es allerdings vor allem in den gehobenen Gesellschaftsschichten. Dort wurden "Fahrradclubs" gegründet, zu denen man keinem Arbeiter je Zutritt gewährt hätte. Die Frauen mussten für die Gleichberechtigung beim Radfahren zunächst kämpfen, denn Frauen auf dem Fahrrad galten noch für Jahrzehnte als "unweiblich".

Ein neuer Berufszweig - besonders in den USA - entstand mit den "Fahrradkurieren". Damals waren viele private Haushalte noch ohne Telefonanschluss, so dass man Fahrradkuriere auch zur Übermittlung von Nachrichten einsetzte - vorwiegend in Form von "Telegrammen". Neben solchen Benachrichtigungen transportierten die Fahrradkuriere natürlich auch alle möglichen Waren von A nach B.

Fahrräder heute: Anspruchsvolle Technik und neue Werkstoffe

Mittlerweile gibt es eine Vielzahl von Fahrradtypen, deren unterschiedliche Anforderungen zum Einsatz neuer Werkstoffe geführt haben. Die Technik der Fahrräder ist zwar im Prinzip einigermaßen einfach, in der Umsetzung jedoch beliebig anspruchsvoll.

Kein Fahrrad wird heutzutage ohne Gangschaltung gebaut - durch verschieden große "Übersetzungsverhältnisse" der Kette auf die "Ritzeln" genannten verschieden großen Zahnräder am Hinterrad kann die Beinkraft sowohl bergauf als auch bergab optimal zur Wirkung gebracht werden. Die erste Kettenschaltung mit mehreren Ritzeln am Hinterrad wurde im Jahr 1927 gebaut.

In den 1970er Jahren ging man dazu über, den dadurch sehr viel leichteren Fahrradrahmen aus Aluminium zusammenzuschweißen. Auch danach war man auf der Suche nach immer leichteren Materialien - heute gibt es Rennräder, die nur noch wenige Kilogramm wiegen.

Der Schiefe Turm von Pisa

Auf der ganzen Welt ist der Schiefe Turm von Pisa bekannt. Gedacht war das Gebäude als freistehender Glockenturm für den daneben angesiedelten Dom in Pisa. Am 9. April 1173 fand die Grundsteinlegung für den Turm statt. Einige Jahre nach Beginn der Bauarbeiten gab der Boden unter dem Fundament nach. Zu diesem Zeitpunkt waren erst drei Stockwerke fertig. Aufgrund dessen wurde der Bau für ungefähr 100 Jahre unterbrochen. Um die schiefe Lage auszugleichen wurden die nächsten vier Stockwerke schräg gebaut. Nach dem der Bau danach nochmals unterbrochen wurde, war im Jahre 1372 der Bau des Turms abgeschlossen.

Architektur

Der 55 Meter hohe und 12 Meter durchmessende Campanile besteht aus 14.200 Tonnen weißen Carrara-Marmors und hat sieben Glocken. Er unterscheidet sich von den üblichen quadratischen Türmen Mittelitaliens und steht in einem großen Gegensatz zu den spitz zulaufenden Türmen des nördlichen Europa. Er ruht auf einem spiralförmigen Fundament aus 700 m³ Bruchstein und Mörtel, in 100 Metern Höhe wollte sein Erbauer Bonanno die Glocken läuten lassen. Der Mauerring um diesen Bereich herum ist 3,57 Meter dick. Neben dem Eingang sind Monat und Jahr des Baubeginns eingemeißelt: August 1173. In Urkunden wird jedoch stets 1174 genannt, denn für die Pisaner begann nach damaligem Kalender das neue Jahr bereits am 25. März.

Der Campanile hatte – außer dass er die Glocken tragen sollte – noch eine andere Funktion. Bei äußerer Gefahr flüchtete damals der Klerus (kleriker =  Diakone, Priester und Bischöfe) in den Turm. Maueröffnungen und -vorsprünge im Zylinderschacht machten es möglich, bei Bedarf in jedem Stockwerk Gebälk und Fußböden einzuziehen.

Jedes Stockwerk hat eine Tür hinaus auf die Säulengalerie, die jeweils aus 30 Säulen besteht. Auf der Südseite führen oben sechs Stufen zur Glockenstube hinauf, auf der Nordseite nur vier. Die Treppe zur obersten Aussichtsterrasse soll Brunelleschi inspiriert haben, einen ähnlichen Aufgang zur Laterne auf der Kuppel des Doms in Florenz zu bauen.

Vom 7. Januar 1990 an musste der 14.500 Tonnen schwere Turm für Besucher gesperrt werden, da die Schräglage zu gefährlich wurde. Es gab eine weltweite Aufforderung an Baustatiker, die besten Lösungen zur Stabilisierung auszuarbeiten und einzureichen.

Nach 13-jährigen Sanierungsmaßnahmen, bei denen der Turm wieder um 44 Zentimeter aufgerichtet wurde, ist er seit Dezember 2001 wieder für Touristen geöffnet. Besuchergruppen können den Turm zu jeder vollen und halben Stunde in Gruppen von maximal 40 Besuchern für eine Dauer von 30 Minuten besteigen.

Der schiefe Turm von Pisa ist nicht das schiefste Gebäude bzw. der schiefste Turm der Welt, wie viele denken. Dennoch gehört er mit zu den schiefsten Bauwerken, die – aufrecht geplant – unabsichtlich in eine Schieflage geraten sind.

Wie kommt das Muster ins Fußballfeld?

Streifen, Karos oder Kreise - der Fantasie der Greenkeeper sind keine Grenzen gesetzt. Doch: Wie kommen eigentlich die Muster in den Rasen des Fußballfelds hinein?

Die Rasenmäher haben Walzen. Beim Mähen wird das Gras abgeschnitten und direkt danach von den Walzen platt gedrückt. Immer in die Richtung, in die der Rasenmäher fährt. Weil man beim Mähen immer hin und her fährt, werden die Halme einmal in die eine und dann wieder in die andere Richtung gelegt.

Blickt man jetzt gegen die Fahrtrichtung des Mähers, dann schaut man mehr in die Rasennarbe hinein - das ist der dunkle Streifen. 

Blickt man in Fahrtrichtung, dann schaut man auf die Halme drauf - das ist der glänzende, helle Streifen.

Damit die Streifen auch exakt ausgerichtet sind, wird beim Mähen oft ein Seil gespannt. An dem richtet sich der Greenkeeper aus. 

Für ein Schachbrettmuster wird der Rasen doppelt gemäht - längs und quer. 

Das Kreismuster am Anstoßkreis entsteht durch einen Trick: Wie beim Zirkelschlag wird der Mäher an einer Leine um den Mittelpunkt im Kreis herum geführt. Insgesamt kann das Mähen und Bemustern eines Fußballfelds bis zu sechs Stunden dauern.