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19.05.2012  |  von  |  0 Kommentare

Wochenende Wenn sich Kutschenräder scheinbar rückwärts drehen

Stroboskop-Effekt? „Nie davon gehört“ wird so Mancher wahrscheinlich antworten.

Im Trab voran – in Filmen ist eine solche Kutschfahrt ein beliebtes Motiv, und oft scheintes dabei, als obsich die Räderrückwärts drehten.  Bild: AFP



Dabei ist dieses Phänomen den allermeisten Menschen schon einmal aufgefallen. Mir zum Beispiel erstmals vor Jahrzehnten beim Reparieren meines Fahrrads. Der alte Drahtesel stand umgekehrt, also mit Lenker und Sattel nach unten und die Räder nach oben, auf dem Boden der zur Werkstatt umfunktionierten Waschküche. Ich drehte kräftig mit der Hand die Pedale. Klar, ganz am Anfang, als sich das Hinterrad langsam bewegte, konnte ich die einzelnen Speichen noch erkennen. Je schneller ich kurbelte, desto rascher drehte sich natürlich das Rad und recht bald war von den Speichen absolut nichts mehr zu erkennen. Das war zu erwarten, schließlich ist unser Auge recht träge. Wenn beim Projizieren eines Films mindestens etwa 16 Bilder pro Sekunde gezeigt werden, kann das Gehirn die Einzelbilder nicht mehr als solche erkennen, sondern nimmt eine fließende Bewegung wahr – das uralte Prinzip des Kinofilms.

Aber zurück zum Stroboskop-Effekt und zu meinem Fahrrad. Einmal, im Spätherbst, war es schon dunkel, als ich wieder mal einen Platten flicken musste und deshalb schaltete ich in der Waschküche das Licht an. Wieder drehte ich mit der Hand die Fußpedale erst langsam und dann schnell und immer schneller – und entsprechend rotierte auch das Hinterrad. Diesmal allerdings sah es bei einer ganz bestimmten Umdrehungszahl so aus, als würde das Rad still stehen, obwohl ich doch genau wusste, dass es sich schnell drehte. Kurbelte ich ein klein wenig langsamer oder schneller, drehte sich das Rad scheinbar langsam vorwärts oder rückwärts.

Ich war ratlos und mein Vater, sonst um eine kluge Antwort fast nie verlegen, war es auch. Am nächsten Tag fragte ich meinen Physiklehrer am Singener Hegau-Gymnasium (das damals allerdings noch namenlos war), Oberstudienrat Hube. Der parierte erst einmal mit einer Gegenfrage: „In der Waschküche gibt's sicher eine Neonröhre?“ Er hatte Recht und demonstrierte diesen Stroboskop-Effekt, wie er ihn nannte, auch gleich in der nächsten Physikstunde. Eine größere, drehbare, mit Mustern verzierte Scheibe wurde zuerst mit einer Glühlampe beleuchtet – die Muster waren auf der rotierenden Scheibe nicht zu erkennen, wenn sie nur schnell genug gedreht wurde, denn Auge und Gehirn sind träge. Mit der Neonröhre als Beleuchtung änderte sich das gründlich. Wieder stand die Scheibe scheinbar still oder drehte sich langsam vor- oder rückwärts, je nach Umdrehungszahl. Der kluge Physiklehrer hatte auch eine Erklärung dafür parat: Jede Leuchtstoffröhre flackert, allerdings so schnell, dass wir es nicht sehen können. Leuchtstofflampen sind sogenannte Gasentladungslampen. Die Gasentladung erlischt, wenn die ständig zwischen Plus und Minus pendelnde Wechselspannung erlischt. Die Lampe zündet deshalb 100mal pro Sekunde neu. Das heißt, sie sendet jede Sekunde 100 kurze Lichtblitze aus, die wir allerdings wegen unserer trägen Augen nicht einzeln wahrnehmen können. 100mal pro Sekunde wird also die Scheibe ganz kurz angestrahlt. Steht das sich drehende Muster dabei immer an derselben Stelle, dann sieht es so aus, als würde es still stehen. Dazu muss die Scheibe natürlich genau 100 Umdrehungen pro Sekunde machen. Bei 200, 300 oder 400 Umdrehungen steht sie scheinbar auch still, denn dann ist das Muster auch wieder immer an derselben Position, wenn ein Lichtblitz kommt. Dreht sich die Scheibe ein klein wenig schneller oder langsamer, zum Beispiel mit 103 oder nur 97 Umdrehungen, dann verschiebt sich das sichtbare Muster etwas und wandert langsam vor- oder rückwärts.

Erstmals beschrieben wurde der Stroboskop-Effekt, der manchmal auch als Wagenrad-Effekt bezeichnet wird, von dem englischen Arzt Peter Marc Roget (1779-1869), der eine vorbeifahrende Kutsche durch die Spalten eines dunklen Zaunes beobachtete und seine Erkenntnisse, die er daraus zog, 1825 veröffentlichte. Der belgische Physiker, Astronom und Fotopionier Joseph Antoine Ferdinand Plateau (1801-1883) machte sich den Effekt zur Imitation von Bewegungsabläufen zunutze und konstruierte das „Phenakistiskop“ mit 16 Zeichnungen von Tänzern auf einer sich drehenden Kreisscheibe, die einen Bewegungsablauf simulierten. Der Österreicher Simon Ritter von Stampfer (1790 bis 1864) brachte die ähnlich funktionierenden Zauberscheiben, auch „optische Zauberscheiben“, „Lebensrad“ oder „stroboskopische Zauberscheiben“ genannt, auf den Markt. Da sich die Erfindung des Mathematikers weiter verbreitete, setzte sich letztendlich auch seine Bezeichnung der „stroboskopischen Scheibe“, die später zu „Stroboskop“ verkürzt wurde, durch. Auch der englische Physiker Michael Faraday (1791-1867) beschäftigte sich mit dem Phänomen der optischen Täuschung durch sich drehende Zahnräder, deren Bewegung das menschliche Auge nicht mehr oder nur verfälscht wahrnehmen konnte.

Optische Zauberscheiben oder „Lebensräder“ sind nur noch Kuriositäten im Museum, denn heute können wir mit Videokameras Bewegungen leicht aufzeichnen und dann auf dem Bildschirm oder der Leinwand vorführen. Wozu also ist der Stroboskop-Effekt zu gebrauchen? Heute wird er zum Beispiel vielfach verwendet, um Umdrehungszahlen, zum Beispiel von Druckmaschinen, Drehbänken oder Web stühlen, zu messen: An der Welle, deren Umdrehungszahl gemessen werden soll, wird einfach eine Markierung (es reicht ein gut sichtbarer Strich mit einem Filzstift) angebracht und diese wird dann mit einer Lichtquelle, die in ihrer Frequenz regelbare Lichtblitze abgibt (einem sogenannten Stroboskop), beleuchtet. Die Frequenz des Stroboskops wird so lange geändert, bis die Markierung an der Welle für den Betrachter still steht. Die Frequenz des Stroboskops und der Welle sind dann gleich (oder die Welle ist exakt doppelt, dreimal, viermal so schnell, was zu Messfehlern führen kann). Auch die Umdrehungszahl von teuren Plattenspielern wird so gemessen. Schließlich spielt die Messung von Umdrehungszahlen per Stroboskop-Effekt auch in Kfz-Werkstätten eine Rolle.

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