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THEMA: Reflexion von Licht auf nassen Oberflächen bzw. Wasser

Reflexion von Licht auf nassen Oberflächen bzw. Wasser 16 Dez 2018 12:55 #45969

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Hallo zusammen,

ich würde mal gerne eine Frage stellen, auf die ich bisher keine zufriedenstellende Antwort finden konnte. Und zwar würde mich interessieren, warum die Reflexion von Lichtquellen auf nassen Oberflächen wie z.B. einer Straße oder auch einer Wasseroberfläche als längliche Striche erscheinen, die sich senkrecht nach unten erstrecken (bzw. senkrecht zur Oberfläche).

Hier zwei Beispiele:



Für mich ist klar, dass aufgrund der Unebenheiten der Oberfläche und der "Spiegelwirkung von Wasser" das Licht in alle möglichen Richtungen gestreut wird und deshalb kein Spiegelbild der Lichtquelle zu sehen ist, sondern ein verwaschenes verteiltes Bild. Ich kann aber nicht erklären, warum die Reflexion dann nicht wie eine ausgedehnte Fläche aussieht, sondern eben wie ein senkrechter Strich.

In einem der letzten Videos von Herrn Gaßner ging es ja gerade um die Lichtreflexion und ich habe dabei gelernt, dass das Reflexionsgesetz, so wie man es in der Schule lernt, eigentlich so nicht korrekt ist, weil das Licht tatsächlich in alle möglichen Richtungen reflektiert wird, nicht nur in Richtung Einfallswinkel=Ausfallswinkel. Nur eliminieren sich gewisse Lichtbeiträge anscheinend gegenseitig, so dass eine Reflexion als Einfallswinkel=Ausfallswinkel erscheint. So 100%ig habe ich die Erklärung aber nicht verstanden, um ehrlich zu sein (dafür war sie wohl zu sehr vereinfacht).
Und ich gehe jetzt mal davon aus, dass die von mir gestellte Frage auch gar nicht so trivial zu erklären ist, wenn schon das Refelxionsgesetz in seiner eigentlichen Natur viel komplizierter ist.

Ich würde mich daher über eine verständliche Erklärung freuen, oder noch besser: Ein Video zum Thema ;)
Wenn Gleichungen die Erklärung einfacher machen, ist das für mich auch in Ordnung.

MfG, Marco

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Reflexion von Licht auf nassen Oberflächen bzw. Wasser 17 Dez 2018 20:30 #46036

Ersetze die Wasseroberfläche durch 5 Spegel in einer Kreuzförmigen Anordnung.
Dann überlege dir was du bei unterschiedlicher Ausrichtung der Spiegel jeweils zu sehen bekommst.
.
.
.
Die beiden Spiegel oberhalb bzw. unterhalb des mittleren können leicht so ausgerichtet werden das eine Lichtquelle die sich auf der selben Linie wie die Spiegel befindet ebenfalls in dein Auge reflektiert wird. Mit den beiden quer liegenden Spiegeln geht das nicht.
Deshalb erscheinen an der Wasseroberfläche gespiegelte Objekte in die Senkrechte verwaschen und nicht in die Breite

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Reflexion von Licht auf nassen Oberflächen bzw. Wasser 20 Dez 2018 16:08 #46106

  • Marco
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Hallo Merilix,

vielen Dank für die Antwort. Allerdings erklärt das den Effekt nicht, denn einen Spiegel kann man quasi immer so ausrichten, dass man die Lichtquelle sieht, er muss nur entsprechend gedreht werden. Und bei einer zufällig gewellten Wasseroberfläche oder einer rauen Straßenoberfläche kann das Licht theoretisch von jedem Punkt aus in jede Richtung reflektiert werden, weshalb ich erwarten würde Reflexionen über die Oberfläche verteilt zu sehen und eben nicht einen dicken Strahl.

Ich habe die Idee aber mal zum Anlass genommen ein Skript zu schreiben, welches via Raytracing simulieren soll, wie eine Lichtquelle (z.B. der Mond) auf einer spiegelnden Oberfläche (z.B. Wasser) reflektiert wird. Dazu wird quasi durch jeden Pixel der Kamera ein Strahl geschossen und geschaut ob er mit der Wasseroberfläche kollidiert. Falls ja, wird der Strahl am Kollisionspunkt reflektiert via Einfallswinkel=Ausfallswinkel und geschaut ob der die Lichtquelle (Kugel) trifft.
Falls nichts getroffen wird, wird der Pixel schwarz gezeichnet. Wird die Wasseroberfläche getroffen, aber nicht die Kugel, dann wird er blau gezeichnet. Und wird die Kugel direkt oder via Reflexion über die Wasseroberfläche getroffen, wird der Pixel weiß gezeichnet. Das Ergebnis sieht dann so aus:

Man sieht wie erwartet ein astreines Spielbild der Lichtquelle.

Jetzt kann man zusätzlich sagen, dass beim Auftreffen des Lichtstrahls auf die Wasseroberfläche ein zufällig ausgerichteter Mikro-Spiegel getroffen wird, der das Licht leicht ablenkt. Dazu habe ich mathematisch eine Ebenengleichung verwendet, deren Normalenvektor von dem der Wasserebene zufällig abweicht. Die Abweichung wird gleichverteilt bestimmt und liegt zwischen 0 und einem festen Maximalwert, z.B. 1°. Das sieht dann so aus:

Oder mit 10°:


Da das ziemlich verpixelt ist habe ich mal noch versucht pro Strahl insgesamt mehrere Mikro-Reflexionen zu berechnen, die dann, wenn sie die Kugel treffen, zu einem Farbwert zusammen gemittelt werden. Das sieht dann für eine maximale Abweichung von 1° so aus:

Und für 10° so:

Und für 45° so:


Und die Bilder zeigen das was ich auch erwarten würde: Ein Abbild der Kugel, das je nach Rauigkeit der Oberfläche immer mehr verwaschen wird (bis man praktisch bei diffuser Lichtverteilung landet). Ein Strich bildet sich hier aber nicht aus!
Das bedeutet, dass dieses Modell die Realität nicht korrekt wiedergibt. Wie sieht nun aber das korrekte Modell aus?

MfG, Marco

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Reflexion von Licht auf nassen Oberflächen bzw. Wasser 20 Dez 2018 21:48 #46116

Diese Bilder sind für große Entfernungen unrealistisch.

Sowohl die Strahlen der Sonne kommen praktisch parallel an und ebenso die Reflexionen, das Streulicht kommt nicht so weit. (meine Vermutung)

Bei der nassen Fahrbahn ist das so, wenn die Feuchtigkeit sehr glatt ist, da entsteht dann wenig Streuung.

Für das diffuse Bild müßten die Strahlen ja wie an einer seitlichen Wand reflektiert werden, dazu müßten also die Wellen vom Beobachter aus gesehen zB von rechts nach links laufen, in der Regel laufen sie aber auf die Küste (Beobachter) zu. Zudem müßten sie zusätzlich zur rechts-links-Reflexion auch oben-unten reflektiert werden ... also kompizierter als nur oben-unten wie beim strichförmigen Erscheinungsbild. (klingt schon besser, finde ich).

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Reflexion von Licht auf nassen Oberflächen bzw. Wasser 20 Dez 2018 22:25 #46121

ra-raisch schrieb: Diese Bilder sind für große Entfernungen unrealistisch.

Dann müssen sie auch für kleine Entfernungen unrealistisch sein, weil wir den Strich-Effekt beobachten, egal wie weit die Lichtquelle entfernt ist.
Ich finde die Frage echt spannend, habe sie mir auch schon oft gestellt.

Überall sieht man jetzt achteckige "Schneeflocken", wie mich das aufregt.

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Reflexion von Licht auf nassen Oberflächen bzw. Wasser 20 Dez 2018 22:39 #46123

Skadi schrieb:

ra-raisch schrieb: Diese Bilder sind für große Entfernungen unrealistisch.

Dann müssen sie auch für kleine Entfernungen unrealistisch sein, weil wir den Strich-Effekt beobachten, egal wie weit die Lichtquelle entfernt ist.
Ich finde die Frage echt spannend, habe sie mir auch schon oft gestellt.

Es gibt durchaus auch das Sprenkelmuster. Aber meine weiteren Überlegungen zur erforderlichen doppelten Spiegelung halte ich für durchaus schlagkräftig.

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Reflexion von Licht auf nassen Oberflächen bzw. Wasser 20 Dez 2018 22:41 #46124

Ich habe selber ein paar Jahre lang gerne Spiegelungen gefilmt, Bilder wie das folgende (nicht von mir) sind keine Seltenheit.

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Reflexion von Licht auf nassen Oberflächen bzw. Wasser 20 Dez 2018 22:43 #46126

ra-raisch schrieb:

Skadi schrieb:

ra-raisch schrieb: Diese Bilder sind für große Entfernungen unrealistisch.

Dann müssen sie auch für kleine Entfernungen unrealistisch sein, weil wir den Strich-Effekt beobachten, egal wie weit die Lichtquelle entfernt ist.
Ich finde die Frage echt spannend, habe sie mir auch schon oft gestellt.

Es gibt durchaus auch das Sprenkelmuster.

Ach so, ich dachte, du hättest dich jetzt speziell auf das Vorhandensein oder Nicht-Vorhandensein vom Strichmuster bezogen.

Überall sieht man jetzt achteckige "Schneeflocken", wie mich das aufregt.

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Reflexion von Licht auf nassen Oberflächen bzw. Wasser 20 Dez 2018 23:05 #46129

Skadi schrieb:

ra-raisch schrieb:

Skadi schrieb:

ra-raisch schrieb: Diese Bilder sind für große Entfernungen unrealistisch.

Dann müssen sie auch für kleine Entfernungen unrealistisch sein, weil wir den Strich-Effekt beobachten, egal wie weit die Lichtquelle entfernt ist.
Ich finde die Frage echt spannend, habe sie mir auch schon oft gestellt.

Es gibt durchaus auch das Sprenkelmuster.

Ach so, ich dachte, du hättest dich jetzt speziell auf das Vorhandensein oder Nicht-Vorhandensein vom Strichmuster bezogen.

Nein, ich habe eher die Wahrscheinlichkeit für ihre Entstehung gegeneinander abgewägt. Wie gesagt, müßte ein Strahl beim Sprenkelmuster sowohl seitlich als auch an der Oberfläche reflektiert werden. Makroskopisch ist das nicht flächig hinzubekommen (daher schwaches Sprenkelmuster), bei Nahaufnahmen (schönes skurriles Muster) ist das kein Problem.
Und wie gesagt, erfordert es Wellen, die (zumindest teilweise) senkrecht zum Betrachter ausgerichtet sind also seitlich wandern. An einem Fluss müßte das besser zu beobachten sein als an der Küste, oder eben mit einer entsprechenden Strömung, was am Meer oder an einem See eher selten ist.

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Reflexion von Licht auf nassen Oberflächen bzw. Wasser 21 Dez 2018 04:17 #46140

Hallo Marco,
ich habe mich mit dem Problem beschäftigen müssen, weil ich Bilder male und Reflektionen darin eine große Rolle spielen. Ich habe mich gefragt, wie groß ein Objekt im Spiegelbild ist (herkömmlicher Spiegel), abhängig vom Betrachtungswinkel und bin zu der Einsicht gekommen, dass sich die Größe mit dem Cosinus des Betrachtungswinkels verändert.

Meine, nicht abgesicherte Erklärung für die asymmetrische Verzerrung des Spiegelbildes durch die nasse Straße :

Wenn die Straße spiegelglatt wäre, dann würdest Du eine exakte spiegelverkehrte Abbildung des Autoscheinwerfers erhalten. In einem Winkel von 0° (mit dem Kopf auf der Fahrbahn) in Originaldimensionen. Wenn Du aufstehst zunehmend kleiner bis 0, wenn Du Dich genau über dem Scheinwerfer befindest (=90°).

Jetzt stell Dir ein verspiegeltes Wellblech vor, das Du vor das Auto legst. Und geh 20 Meter zurück. Es wird auf der Oberfläche des Wellbleches immer einen Winkel geben, der nach den Gesetzen der Optik (oder wie wir das jetzt nach dem neuen Video nennen wollen) das Licht des Autoscheinwerfers in Dein Auge leitet. Das Spiegelbild des Scheinwerfers erscheint gedehnt, aber es sind dunkle Linien eingeschoben. Es wechseln sich helle und dunkle Zonen ab. Dafür ist das Spiegelbild in die Länge gezogen.

Ich habe, um das zu überprüfen einen Versuch gemacht mit einer Stehlampe und einem Rasierspiegel: Die Lampe scheint nach unten zum Boden und kann bei waagerecht auf dem Boden liegenden Spiegel und definiertem Abstand Auge - Spiegel in genau einer Position des Spiegels betrachtet werden. Sagen wir eine Armlänge von mir weg. Schiebe ich den Spiegel weiter von mir weg, verschwindet die Lampe, zieh ich ihn näher, dann auch. ABER: Zieh ich ihn näher und kippe ihn leicht vertikal , dann sehe ich die Lampe auch hier. Das geht auf der ganzen Linie zwischen der Lampe und mir. Es geht nicht rechts und links davon. Dann müsste der Spiegel zusätzlich horizontal gekippt werden.

Eine horizontale Verkippung macht Glas mit. Wasser nicht. Wasser bleibt horizontal ausgerichtet (summa summarum). Eine nasse Straße ist in dieser Beziehung nicht anders, als ein See ohne Wind. Makroskopisch.

Leider ergibt sich mikroskopisch ein Einwand:

Die Mikrostruktur bildet an der Oberfläche Unebenheiten. Diese verwerfen die Oberfläche des Wasserspiegels, da Wasser nicht 100%ig eben zerfließt aufgrund der Oberflächenspannung und der Adhäsionskräfte. Das Wasser überschichtet die Unebenheiten und ist eben nicht eben. Und zwar in allen Richtungen. Wie Glasmurmeln.
Deshalb noch: Stellen wir uns ein Meer von Murmeln statt der Asphaltoberfläche vor dem Scheinwerfer vor: Jetzt werden sämtliche Murmeln einen Beitrag leisten an dem auf der Netzhaut eintreffenden Bild. Und zwar auch die entferntesten ganz rechts und ganz links. Das denke ich jedenfalls. Aber der Anteil wird rapide abnehmen nach den Seiten, weil die Lichtintensität mit dem Quadrat der Entfernung abnimmt und (das hab ich mir selber so überlegt, wer es besser weiß, gern korrigieren) weil der Betrachtungswinkel, unter dem ich die Kugel sehe immer spitzer wird und weil hier wieder die sichtbare reflektierende Fläche mit dem Cosinus abnimmt. 2 Effekte, die bewirken, dass der Lichtkegel ziemlich begrenzt bleibt auf den Bereich vor dem Autoscheinwerfer. Aber auch die Ränder müssten praktisch grenzenlos reflektieren.....

Und trotzdem: Diese erhabenen Anteile der Straße sind in der Summe nur ein kleiner Teil der Oberfläche. Etwa wie Inseln in Indonesien. Der größte und entscheidende Anteil der Oberfläche ist glatt, also horizontal liegend. Aber die Straße darunter ist nicht topfeben. Sie ist wie der Rasierspiegel von vorhin mal so, mal so gewölbt und geneigt. Aber ÜBERWIEGEND VERTIKAL. Und bildet unterm Strich eine Form wie ein Wellblech.

Ergo: Der Trick ist: Ich habe es bei meiner Straße mit vielen Spiegeln zu tun, von denen immer einer passt. Aber durch die Neigung des Wassers sich horizontal auszurichten wird das Licht, das zwischen mir und dem Scheinwerfer auf den Boden auftrifft eher zu mir gelangen, als die (selteneren) Reflektionen der in anderen Winkeln ausgerichteten kleinen Mikrospiegel in den Außenbezirken. (Die aber theoretisch auch da sein müssten).
Es liegt also am Wasser und dessen glatter Oberfläche auf einer nicht ebenen Unterlage.

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Reflexion von Licht auf nassen Oberflächen bzw. Wasser 21 Dez 2018 05:50 #46141

Ich habe das Phänomen inzwischen begriffen und würde gerne eine Skizze dazu hochladen. Leider kann man hier ja keine direkten Bilder hochladen. Wo ladet ihr eure Bilder hoch, ehe ihr sie hier verlinkt?

Überall sieht man jetzt achteckige "Schneeflocken", wie mich das aufregt.

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Reflexion von Licht auf nassen Oberflächen bzw. Wasser 21 Dez 2018 06:39 #46143

Skadi schrieb: Wo ladet ihr eure Bilder hoch, ehe ihr sie hier verlinkt?

Auf yukterez.net

,

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Reflexion von Licht auf nassen Oberflächen bzw. Wasser 21 Dez 2018 10:19 #46150

Es gibt viele kostenlose Provider für Bilder, diesen habe ich ein paarmal benützt de.imgbb.com/

Man kann das Bild hier auch anhängen und wenn es in Größe angezeigt werden soll, kann man nachträglich den Link (zusätzlich) in den Post einfügen.

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Reflexion von Licht auf nassen Oberflächen bzw. Wasser 21 Dez 2018 10:20 #46151

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Hallo zusammen und danke für die Antworten soweit!

Allerdings muss ich gleich sagen: Asche auf mein Haupt!
Denn als ich versucht habe das Wellblech in mein Raytracing Programm einzubauen ist mir ein Fehler aufgefallen: Ich habe den zufällig verdrehten Normalenvektor um die falsche Achse herum generiert! Und das obwohl ich das mehrfach überprüft hatte ... anscheinend immer den selben Denkfehler gemacht (mein Koordinatensystem ist aber auch nicht gerade intuitiv gewählt ...).
Wie dem auch sei, nach der Korrektur erhalte ich nun dieses Bild:

Das passt mal viel besser zur Realität! Sorry für die Verwirrung!

Die Erklärung des Phänomens ist damit wohl das was Merilix in seiner ersten Antwort gemeint hat: Um das Licht der Quelle auf direkter Sichtlinie zu reflektieren müssen "Mikrospiegel" weniger stark ausgerichtet werden als links/rechts davon. Je stärker der "Wellengang", desto weiter breitet sich die Reflexion auch nach links und rechts aus, siehe z.B. hier:


Das macht Sinn würde ich sagen.

Meine Bilder lade ich übrigens hier hoch: https://imgbb.com/ (via Google gefunden, keine Ahnung wie seriös)
Folgende Benutzer bedankten sich: Merilix

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Reflexion von Licht auf nassen Oberflächen bzw. Wasser 21 Dez 2018 10:24 #46152

Marco schrieb: Das macht Sinn würde ich sagen.

Sieht echt "echt" aus.

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Reflexion von Licht auf nassen Oberflächen bzw. Wasser 21 Dez 2018 14:28 #46156

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Hi Marco,

Marco schrieb: Ich habe die Idee aber mal zum Anlass genommen ein Skript zu schreiben, welches via Raytracing simulieren soll, wie eine Lichtquelle (z.B. der Mond) auf einer spiegelnden Oberfläche (z.B. Wasser) reflektiert wird. Dazu wird quasi durch jeden Pixel der Kamera


Also ich vermute, dass die Erklärung in Richtung Merilix geht, aber unter einer weiteren Vorraussetzung:
Die Lichtquelle darf kein Punkt sein, sondern eine Fläche. (was praktisch immer der Fall ist)
Rechnet Dein Raytracer die Lichtquelle als Fläche?

(falls ja, liege ich falsch, kannst Du diese strahelende Fläche mal stark vergrößern)

Meine Erklärung wäre also:

Die Strahlen der Quelle von Oben bis Unten erzeugen verschiedene Auftreffwinkel, die aber alle in die Beobachterrichtung gehen, und so die Reflexionslinie erzeugen.

Die Strahlen von Rechts und Links (der Quelle) dagegen liegen nicht in Richtung Beobachter?

PS: hatte nicht gesehen, dass Du es nun hinbekommen hast. :)


mvg Philzer

Das Unverzichtbare ist nutzlos - F.J.Hinkelammert

Außerinstrumentelle Denker sind die liebenswerten Verrückten - Philzer

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Das Unverzichtbare ist nutzlos - F.J.Hinkelammert

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Reflexion von Licht auf nassen Oberflächen bzw. Wasser 21 Dez 2018 16:27 #46160

https://ibb.co/m9SDSyQ
Den Boden kann man sich als Fläche aus einer riesigen Menge an winzigen, reflektierenden Spiegeln vorstellen, die je nach Ausrichtung das Licht der Lichtquelle (L) ins Auge des Betrachters (B) reflektieren oder nicht.
https://ibb.co/qNR33Bx
Wir sehen durch das längliche Reflexionsmuster gleichzeitig eine Art Wahrscheinlichkeitsverteilung dafür, ob die "Spiegel" im richtigen Winkel ausgerichtet sind oder nicht. Je weiter sie seitlich liegen, desto stärker müssten sie seitlich gekippt sein, um das Licht zum Betrachter zu werfen. Dies wird immer unwahrscheinlicher, je weiter sie von der Achte zwischen Quelle und Betrachter entfernt sind. Entlang der Achte nimmt die Wahrscheinlichkeit nach oben und unten hin auch ab, aber nicht so stark. :dry: Könnte das hinkommen?

- hat nicht geklappt mit den Bildern, ich habe keine Ahnung, was ich falsch mache. Fürs digitale Zeitalter scheinen mir ein paar Gehirnwindungen zu fehlen, das habe ich schon häufiger bemerkt.

Überall sieht man jetzt achteckige "Schneeflocken", wie mich das aufregt.

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Reflexion von Licht auf nassen Oberflächen bzw. Wasser 21 Dez 2018 17:25 #46166

Das Einbetten im Forum muss mit der vollen Adresse erfolgen
Folgende Benutzer bedankten sich: 1eddfa106f1bf2fa9b4260892a3f3e3b

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Reflexion von Licht auf nassen Oberflächen bzw. Wasser 22 Dez 2018 18:45 #46197

Hi,
ich denke man kann das rein geometrisch erklären. Die Wasseroberfläche besteht aus unregelmäßigen, mehr oder weniger kreisförmigen Kuppen und Tälern. Wenn man schräg darauf schaut sieht man hauptsächlich die Kuppen als Ellipsen. Die wirken dann wie das schon erwähnte Wellblech, quer zum Beobachter ausgerichtet. Seitlich haben sie kaum Flächen die das Licht zum Beobachter reflektieren können, entsprechend den seitlich gekippten Spiegeln.
Grüße,
Reinhard

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Reflexion von Licht auf nassen Oberflächen bzw. Wasser 08 Mär 2019 11:47 #49450

ra-raisch schrieb: Das Einbetten im Forum muss mit der vollen Adresse erfolgen


Hat es gut erklärt

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