Was bewirkt, dass Insekten von ihren Füßen aus große Schatten werfen?

Ich bin kürzlich über dieses interessante Bild einer Wespe gestolpert, die auf dem Wasser schwimmt:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Angenommen, dies ist nicht Photoshopping, habe ich ein paar Fragen:

  1. Warum sehen Sie sein Bild so (was ist die physikalische Erklärung; ich bin sicher, es gibt eine interessante)?

  2. Warum sind die Flecken rund um die Beine der Wespe kreisförmig? Wären sie quadratisch, wenn die „Füße“ der Wespe quadratisch wären?

Ich wusste nicht genau, welche Tags hier geeignet wären, ich wollte ihm den Tag „Phänomene“ geben, aber dieser wurde kürzlich entfernt, also können Sie die Tags gerne bearbeiten.
Es ist definitiv nicht gephotoshoppt. Oder wenn ja, können echte Bilder davon gemacht werden. Das sieht man oft im Sommer bei starker Sonneneinstrahlung, wenn man neben flachem, klarem Wasser an den Rändern von Bächen sitzt, auf deren Grund sehr sauberer Flusssand liegt. Aber trotzdem wunderbar schönes Bild.

Antworten (3)

  1. Der Mechanismus, der hier im Spiel ist, ist die Oberflächenspannung . Der Zusammenhalt der Wassermoleküle hält die Wespe über Wasser. Durch diese Kohäsion verhält sich die Wasseroberfläche wie eine Membran und ist nach innen gewölbt. Die Lichtstrahlen, die von der vollkommen ebenen Oberfläche gebrochen würden, treffen nun in einem veränderten Winkel ein und werden durch veränderte Winkel um die Spitze der Wespenbeine herum reflektiert oder gebrochen, daher der Schatten.

  2. Die Krümmung der Oberfläche zeichnet die Form des Objekts nach, das die Oberfläche berührt. Wie Sie jedoch sehen können, ist der Bereich des Schattens viel größer als die Spitzen der Wespenbeine. Die Form des Schattens wird daher immer abgerundet sein. Auch die Krümmungsradien lassen sich aus dem Druckunterschied zwischen Luft und Wasser berechnen .

+1 Ich würde auch denken, dass die hellen Ränder um die Schatten der "Füße" auf das gekrümmte Wasser zurückzuführen sind, das das Licht fokussiert.
Siehe auch Ätzmittel .

Das ist ein wirklich erstaunliches Bild! Ich bin kein Experte, aber ich habe eine Idee.

Wenn die Wespe auf dem Wasser steht, ist sie leicht nach unten gebogen. Das Licht, das auf diese Teile trifft, wird dann stärker nach außen gebogen, als wenn es nur auf normales Wasser trifft. Dies geschieht auf jeder Seite des Kreises, sodass das Licht immer herausgebogen wird und an diesen Punkten nicht den Boden erreicht.

Daher erhalten Sie diesen Effekt.

Außerdem, um Ihre zweite Frage zu beantworten, sind die Füße im Vergleich zum Schatten so klein, dass sie für die Form keine große Rolle spielen.

Dies ist ein großartiges Beispiel dafür, wie schön es sein kann, mit dem Fermatschen Prinzip über Lichtbrechung nachzudenken.

Reduzieren wir das alles auf 2 Dimensionen. Die Oberflächenspannung erzeugt so etwas:2Dschem-plain

Wenn wir nun wissen wollen, wohin ein Licht-„Strahl“ gehen muss, um von einer Lichtquelle zu kommen, müssen wir nur den Weg finden, der am wenigsten Zeit in Anspruch nimmt. Licht ist im Wasser langsamer, also will es in der Luft so weit wie möglich – natürlich nur, wenn es nicht zu lange dauert. So weit vom Insekt entfernt würde ein Lichtstrahl gerade senkrecht ins Wasser eintreten, da dies sowohl die Gesamtweglänge als auch den Weg im Wasser minimiert.2Dschem-Straightray

Direkt unter dem Insektenfuß funktioniert das jedoch nicht – der Fuß selbst ist nicht durchscheinend † – und, was noch wichtiger ist, etwas links oder rechts von rechts unter dem Fuß führt der schnellste Weg immer noch direkt durch den Fuß, da Bei jedem anderen Weg muss das Licht wesentlich mehr durch Wasser wandern, während die Gesamtweglänge nur geringfügig kürzer ist.2DSchema-verboteneKurve

also sind all diese Strahlen „unsichtbar“. Ob das auf diese Weise funktioniert, hängt davon ab, wie weit wir von rechts unter dem Fuß entfernt sind, sodass ein kreisförmiger Schatten entsteht, auch wenn der Fuß selbst eine andere Form hat.

† Eigentlich ist es irgendwie durchscheinend, nehme ich an, aber wir wissen, dass der kleine Fuß nur von einer winzigen Menge Licht getroffen wird. Wenn also dieses bisschen Licht über eine ganze Menge Boden verteilt werden muss, wird es dort unten nicht viel Intensität geben.

IMO, was an dem Punkt passiert, an dem der Fuß des Insekts das Wasser berührt, ist weder sehr interessant noch aufschlussreich. Warum sollte es sich nach links biegen und nicht nach rechts? Es wäre klarer zu zeichnen, was mit dem gebrochenen Licht passiert, wenn es sich dem Fuß immer nähert. Aufgrund der Krümmung auf dem Wasser wird Licht von der geraden Linie weg gebrochen, es ist nicht der Fuß, der Schatten wirft, sondern das Wasser, das Licht von dem Punkt weg bricht, an dem die Füße das Wasser berühren. Ob der Fuß durchscheinend ist oder nicht, spielt keine Rolle. Ein ähnlicher Effekt, der als Ätzmittel bezeichnet wird, tritt ohne Fuß auf.
Ich bin anderer Meinung: "Wenn es näher zum Fuß kommt", würde dies dazu führen, dass mit Snells Gesetz herumgespielt wird, das physikalisch weitaus weniger aufschlussreich ist als Fermats Prinzip. — Richtig – wie gesagt, der Fuß an sich spielt keine Rolle. Was zählt, ist, dass es einen "Hecht" gibt, wo eine ganze Reihe von Lichtstrahlen ihren schnellsten Weg nehmen (und daher keiner von ihnen viel Energie bekommt). Was "warum sollte es sich nach links biegen" betrifft, ist meines Erachtens klar, dass dies nur ein Beispielstrahl ist, wie der gerade.
Ja, aber der Hecht selbst spielt nur eine kleine Rolle im gesamten Prozess, da der Großteil der Brechung durch den Rest der Kurven erfolgt.
Brechung ist lediglich eine spezielle Betrachtungsweise der Photonenausbreitung, die nur für glatte (differenzierbare) Oberflächen funktioniert. Um so etwas wie dieses Phänomen zu beschreiben, muss man zuerst eine hässliche Grenzwertdiskussion führen (natürlich würden die meisten Physiker diesen Schritt nicht explizit machen). Dagegen wirkt das Fermatsche Prinzip direkt (da es der grundsätzlicheren Feynman-Pfad-Ausbreitung der Photonen entspricht) und kann somit direkt zur Beschreibung des kreisförmigen Schattens verwendet werden.
Aber selbst wenn Sie den Hecht leicht glätten, wäre der Schatten immer noch sehr gut sichtbar. Der Hecht ist weder eine notwendige noch die Hauptursache des großen Schattens. Obwohl diese Antwort gut ist, konzentriert sie sich IMO zu sehr auf die Diskontinuität, die meines Erachtens sehr wenig zum Schatten beiträgt als der Rest der Kurve.
Bei einem geglätteten Hecht wäre es jedoch kein wirklicher Schatten mehr, nur ein weniger hell beleuchteter, möglicherweise unscharfer Bereich. Nur für die Grenze von r p ich k e ≪ r d ich p Erhalten Sie die tatsächlichen scharfen kreisförmigen Schatten, um die es bei dieser Frage geht?
Was bewirkt, dass Insekten von ihren Füßen aus große Schatten werfen?
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