Datenblatt (dient als Titelblatt für die Projektarbeit)

Desiree Stofner und Marlene Hopfgartner | T 05 90 90 5 – DW 1231 und DW 1264 | M desiree.stofner@wktirol.at u. marlene.hopfgartner@wktirol.at

Wir nehmen am Wettbewerb „Jugend forscht in der Technik – Auf den Spuren des kleinen Albert“ teil!

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JUFOTech Jugend forscht in der Technik WKO.at/tirol/jufotech

DATENBLATT

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Datenblatt (dient als Titelblatt für die Projektarbeit)

Desiree Stofner und Marlene Hopfgartner | T 05 90 90 5 – DW 1231 und DW 1264 | M desiree.stofner@wktirol.at u. marlene.hopfgartner@wktirol.at

Kurzfassung unserer Arbeit:

WKO.at/tirol/jufotech

Eine Aktion der Kooperationspartner:Wirtschaftskammer Tirol, Förderverein Technik Tirol

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„Ich sehe was, was so nicht ist..“

Inhaltsverzeichnis

Nr. Inhalt Seite 1) Wie alles begann… 1 2) Zeichnen einer optischen Täuschung 2,3 3) Zu Besuch beim Optiker 4 4) Aus zwei mach drei! 5,6 5) Die Augenärztin 7,8 6) Illusionen 9

7) Ausstellung „Optische Illussionen“ 10 8) Zusammenfassung 10

1) Wie alles begann…

Mit knapp einer Milliarde Kilometer pro Stunde rast das kleine Teilchen namens Photon von der Sonne in Richtung Erde. Ein Großteil des Lichtes geht an das umliegende Universum verloren, doch ein kleiner Teil schafft es tatsächlich nach einem bis zu 170.000 Jahre langen Kampf im Sonneninneren endlich die Erdoberfläche zu erreichen. Sobald es die Korona der Sonne verlassen hat, kennt das kleine tapfere Teilchen kein Halten mehr, Geschwindigkeitsbegrenzungen sind im ein Fremdwort, es hofft einfach dass sich nichts in seinen Weg in Richtung Erde wirf. Es rast vorbei an Merkur und Venus - nur noch knapp 40 Millionen Kilometer bis zur Erde. Nach knapp acht Minuten hat es fast sein Ziel erreicht, vorbei am Mond - nur noch weniger als eine Sekunde und es sticht in die Erdatmosphäre ein; durch die Exosphäre, Thermosphäre, Mesosphäre und die Stratosphäre bis es die Wolkendecke an der Troposphäre durchbricht. „Gleich ist es soweit“ denkt sich das kleine Teilchen, „dann habe ich meine Aufgabe erfüllt“. Es rast am Nullmeridian entlang bis es schließlich bei 30° nördliche Breite von der Erdoberfläche reflektiert und in das Auge eines Touristen in der Sahara geschleudert wird und bei diesem den Sinneseindruck einer optischen Täuschung auslöst. Und dieser fragt sich, „wie entsteht denn eigentlich so eine Fata Morgana?“.

Diesen und mehreren Fragen sind wir im Rahmen der Projektarbeit „Ich sehe was, was so nicht ist..“ auf den Grund gegangen.

Wer nun meint, dass von optischen Täuschungen nur Wissenschaftler, oder dehydrierte Touristen in der Wüste betroffen sind, der täuscht sich gewaltig. Optische Täuschungen sind ein wesentlicher Bestandteil unserer modernen Welt. Ob es die Tiefenwirkung beim Fernsehen, das Zeichnen von 3D Objekten auf einem Blatt Papier oder der Kippeffekt des Silberstreifens auf dem Geldschein ist, ständig werden wir von unseren Augen getäuscht.

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2) Zeichnen einer optischen Täuschung

Von der Fülle an optischen Täuschungen im Internet waren wir schlichtweg überwältigt. Das Internet geht mit derartigen Bildern fast schon über. Es hat wahnsinnig Spaß gemacht, sich von seinem eigenen Gehirn täuschen zu lassen. Gerade letztes Jahr ging das Foto eines Kleides im Internet die Runde, das einige Menschen als schwarz mit blauen Streifen und andere als Gold mit weißen Streifen warnahmen. Um diesen Internethype abzukürzen: Es stellte sich heraus, dass dieses Bild sowohl schwarz-blau als auch gold-weiß war. Beide Varianten sind richtig. Lediglich die Beschaffenheit der Augen der unterschiedlichen Betrachter war ausschlaggebend dafür, wie die Farben des Kleides interpretiert wurden. Manche Menschen sind eben Nacht- andere hingegen Tagseher. Nach einer großen Auswahl an Bildmaterialien konnten wir uns Schlussendlich auf die folgenden fünf Täuschungen einigen, welche wir untersuchen wollten.

Nr. Optische Täuschung Erklärung Bild 1 Penrose Treppe Alle Stufen liegen auf derselben

Höhe. Aber weil unser Gehirn die Zeichnung dreidimensional wahrnimmt, führt diese Treppe sowohl hinunter als auch hinauf, je nachdem von welcher Seite man hinsieht.

2 Hering-Täuschung

Die Seiten des Quadrats schneiden die Kreislinien. Dadurch schätzt unser Gehirn die Winkel falsch ein. Dadurch erscheinen die geraden Linien verbogen.

3 Ponzo- Täuschung

Diese Täuschung ist eine Frage der Perspektive. Was weiter entfernt liegt muss kleiner sein. Es erscheint aber größer, also muss der hintere Balken länger sein.

4 Jastrow-Täuschung

Die grüne Figur liegt mit ihrer kürzeren Seite an der längeren Seite der roten Figur an. Unser Gehirn lässt sich durch den Größenvergleich der angrenzenden Linien täuschen.

5 Rubinische Vase Diese optische Täuschung ist ein „Kippbild“. Unser Gehirn wechselt zwischen Figur und Hintergrund und bevorzugt z.B. die helle Fläche und schiebt sie in den Vordergrund. Dadurch werden die Gesichter unwichtig.

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Am Schwierigsten gestaltete sich die Penrose Treppe (unmögliche Treppe), die auf den britischen Mathematiker Lionel Penrose und dessen Sohn zurückgeht. Weitere derartige bekannte unmögliche Figuren sind das Penrose-Dreieck, der unmögliche Würfel sowie die Teufelsgabel.

Das Zeichnen der Penrose Treppe gestaltete sich als am Schwierigsten. Das Problem war, dass die verschiedenen Vierecke, welche die Treppen bildeten, nicht einfach nur Rauten waren, es waren alles allgemeine Vierecke mit je vier unterschiedlichen Winkeln. Da kann man sich gut vorstellen, wie wir beim „Konstruieren“ ins Schwitzen kamen.

Dennoch ist es uns gelungen, worauf wir sehr stolz sind. Generell sind wir mit der gesamten Auswahl unserer optischen Täuschungen sowie unseren selbst gemalten Bildern sehr zufrieden.

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3) Zu Besuch beim Optiker

Unser Wissenshunger war nun geweckt, und wir wollten unbedingt mehr über unser Auge lernen. Dazu besuchten wir einen Optiker in Innsbruck, der uns ausführlich den Optikerberuf und die Messgeräte erklärte. Wir durften sogar selbst die Ränder von Brillengläsern schleifen. Nun war Präzisionsarbeit angesagt. Ein falscher Handgriff und das Glas wäre wertlos geworden !

Anschließend ging es weiter zur Tonometrie. Mit dem sogenannten Tonometer wurde unser Augeninnendruck gemessen. Das war an sich schon lustig genug. Man musste sich dazu vor das Messgerät setzen und durch ein Fernglas dort hineinblicken. Plötzlich wurde dem Betrachter Luft ins Auge geblasen. Obwohl uns der Optiker erklärt hatte, wie die Messung funktionieren und was passieren wird, sind wir alle bei der ersten Messung erschrocken. Diese Messung ist sehr wichtig um möglichen Augenkrankheiten zu entdecken. Zum Beispiel kann man dadurch feststellen, ob man an grauem Star erkrankt ist.

Anschließend machten wir-ähnlich wie bei der Schulärztin- einen Sehtest mit Buchstabentafeln. Manche hatten kein Problem die Buchstaben zu lesen und einer unserer Mitschüler hatte sogar eine Sehkraft von über 100%! Ein anderer hingegen braucht unbedingt eine Brille, da er sehr verschwommen sieht. Unser Optiker hat uns gezeigt, wie unser Mitschüler ohne Brille die Welt sieht. Dazu hat er in eine Brille Linsen gesteckt, um das Bild unscharf zu machen. Wir waren erschrocken, wie verschwommen uns die Umwelt plötzlich erschien.

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4) Aus zwei mach drei

Wir waren gefesselt von diesem Projekt und beschäftigten uns sogar in unserer Freizeit freiwillig mit optischen Täuschungen. Einer unserer Mitschüler fand dazu ein tolles Video auf Youtube, das wir uns in der in der Schule ansahen.

Ein Youtuber bastelte aus alten CD-Hüllen einen 3D Projektor für Handybildschirme. Wir konnten uns nicht vorstellen, dass das funktioniert. Daher haben wir es einfach nachgebaut. Wir zerschnitten mit Teppichmessern wie im Video alte CD Hüllen in vier gleichschenklige Trapeze mit den Maßen (a=1cm c=6cm h=3,5cm).

Das Zurechtschneiden gestaltete sich schwieriger als gedacht; vermutlich hat der Youtuber dabei etwas getrickst. Als wir nach einigem Ärger und vielen kaputten CD-Hüllen die Trapeze endlich ausgeschnitten hatten, klebten wir diese provisorisch mit Klebeband an den Kanten zusammen. Nun sah es aus wie ein Pyramidenstumpf.

Wir suchten mit dem Handy ein 3D Holographic Video auf Youtube und stellten unseren Pyramidenstumpf verkehrt in die Mitte des Handybildschirms. Es war faszinierend, denn es funktionierte tatsächlich! Plötzlich bewunderten wir in 3D fliegende Schmetterlinge, wachsende Blumen, tanzende Menschen, schwimmende Quallen und noch vieles mehr. Selbst nachdem die Unterrichtsstunde vorbei war, konnten wir nicht aufhören, unser kleines selbstgebasteltes Wunder zu betrachten.

Doch so viel Wunder steckte da nicht dahinter. Das Wichtigste ist, dass das Bild an der CD-Hülle im 45° Winkel reflektiert wird. Es ist nur eine Spiegelung und keine optische Täuschung. Leider hatte unser Smartphone Hologrammprojektor auch nichts mit echter Holografie zu tun. Durch die

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Spiegelungen entlang des transparenten Kunststoffs wird der Eindruck einer freischwebenden -Darstellung erweckt.

Ein echtes Hologramm ist nämlich eine dreidimensionale Aufnahme eines Gegenstands. Im Gegensatz zur Fotografie, die abgebildete Objekte nur zweidimensional darstellen kann, verändert sich bei einem Hologramm das wahrgenommene Bild, wenn man den Blickwinkel ändert, genauso wie beim realen Gegenstand. Um ein Hologramm aufzunehmen, benötigt man einen Laser, der zu einem Teil ein Objekt beleuchtet und zu einem anderen auf einen Film fällt. Das Hologramm entsteht dadurch, dass sich im Film die vom Objekt reflektierten Lichtwellen mit denen, die direkt vom Laser ausgesandt wurden, überlagern. Bestrahlt man das Interferenzmuster, das dabei entsteht, nach der chemischen Entwicklung des Films mit Licht, das die gleiche Wellenlänge wie bei der Aufnahme hat, so ergibt sich ein dreidimensionales Bild des Gegenstands. (entnommen KIT Schülerlabor)

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5) Die Augenärztin

Wir wollten nun immer genauer wissen, wie Sehen nun wirklich funktioniert. Warum können wir sehen? Wie funktioniert unser Auge? Und sehen wir wirklich alles immer gleich?

Dazu haben wir eine Augenärztin eingeladen, die sich tatsächlich dazu bereit erklärte, uns sogar in der Schule zu besuchen. Sie hat uns sehr viel über das Auge erzählt. Die folgenden drei Fragen waren für uns die wichtigsten. Der vierten Frage, wie denn nun eine optische Täuschung funktioniert und was denn eigentlich eine Fata Morgana ist, sind wir im nächsten Kapitel ausführlich nachgegangen.

Warum können wir sehen?

Sehen können wir nur dann wenn Licht von einer Oberfläche reflektiert oder emittiert wird. Das heißt: „gibt’s kein Licht, gibt’s nichts zu sehen“. Licht wird in der Wissenschaft als Photon bezeichnet. Damit ein Photon entsteht, benötigt man Energie wie beim Feuer, der Sonne oder dem Fernseher.

Wie funktioniert unser Auge?

Das Auge ist ein sehr kompliziertes und sensibles Organ. Es besteht aus sehr vielen unterschiedlichen Bestandteilen. Die wichtigsten sind die Iris, die Hornhaut, die Pupille, die Linse und die Netzhaut. Die Iris wird auch umgangssprachlich als Regenbogenhaut bezeichnet und ist dafür verantwortlich welche Augenfarbe wir haben. Nebenbei ist die Regenbogenhaut bei jedem Menschen so unterschiedlich wie der Fingerabdruck. Die Hornhaut schützt unser Auge – wie auch die Wimpern - vor Fremdkörpern, die nicht ins Auge gehören. Die

Pupille ist das schwarze Loch, durch welches Licht von draußen ins Auge fallen kann. Die Linse bricht das Licht, dh. die Lichtstrahlen werden im Auge umgelenkt und treffen anschließend gebündelt auf die Netzhaut. Die Netzhaut besteht aus Stäbchen und Zäpfchen. Die Stäbchen sind wichtig, damit wir zwischen hell und dunkel unterscheiden können. Die Stäbchen ermöglichen uns das Farbsehen. Doch das Skurrile ist, dass alles was wir sehen, verkehrt auf unserer Netzhaut abgebildet wird. Es steht einfach alles am Kopf. Doch

unser Gehirn rechnet das Bild um und dreht es nochmals um 180°, damit wir wieder richtig

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herum sehen. Unser Gehirn kann sogar leichte Fehlsichtigkeiten umrechnen, damit wir meinen, richtig zu sehen, doch davon bekommen wir auf Dauer Kopfweh, da es sehr viel Speicherplatz unseres Gehirns in Anspruch nimmt.

Doch die Natur ist einfallsreich, wenn es um das Sehen geht. So existieren neben unseren Augen noch die Facettenaugen bei Fliegen, Bienen und Co, sowie Lochaugen beim Nautilus.

Sehen wir wirklich immer alles gleich?

Bei der Beantwortung dieser Frage hat sich die Ärztin sehr viel Zeit gelassen, da es für uns sehr schwer verständlich war. Licht ist eine Welle. Einmal ist sie hoch und einmal ist sie tief. Das Verhältnis von Hoch zu Tief und die Entfernung der Wellen zueinander wird als Frequenz bezeichnet. Das war richtig schwer zu verstehen, doch wir haben uns ehrlich bemüht!

Anschließend hat uns die Ärztin gesagt, dass wir ständig von Wellen umgeben sind, wir aber nur einen kleinen Teil davon sehen können. Manche Wellen können wir gar nicht sehen, andere hingegen können wir spüren und wiederum andere sind für uns gar nicht wahrnehmbar. Zum Beispiel nutzen wir diese Wellen beim Radiohören oder in der Mikrowelle. Andere Wellen hingegen sind für uns sehr gefährlich wie radioaktive Strahlung. Wärmestrahlung hingegen können wir spüren, aber wir können sie nicht sehen. Eigentlich hatten wir immer gedacht, wir könnten alles sehen, doch die Augenärztin hat uns aufgezeigt, dass wir eigentlich gar nicht so toll sehen können wie wir dachten. Der größte Teil unserer Welt ist für uns unsichtbar!

Doch was uns am Meisten fasziniert hat, ist die Farbwahrnehmung. Wir konnten zwar alle Farben voneinander unterscheiden, die uns die Ärztin auf Tafeln zeigte, jedoch weiß keiner von uns, ob wir all die Farben wirklich gleich sehen können. Wir können nie herausfinden, ob jemand anders die Farbe Grün so sieht, wie ich es selbst tue oder wie es wer anders tut. Wir können zwar Dinge aufzählen, die die Farbe Grün besitzen, wie Wiesen, Bäume, Sträucher, oder Blumen, doch die Farbe selbst können wir nicht beschreiben.

Vielleicht sieht jemand das, was ich als grün sehe, so wie ich die Farbe Blau sehe und so weiter. Farben sind also nicht für uns alle gleich. Wir leben alle in unserer eigenen Welt der Wahrnehmung und das geniale dabei ist, jede dieser Wahrnehmungen ist richtig!

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6) Illusionen

Doch nun gehen wir zu einer Frage, die uns seit Beginn unserer Projektarbeit verfolgt. Wie entsteht denn nun eine optische Täuschung? Bei der Beantwortung dieser Frage mussten wir feststellen, dass nicht nur unser Auge für die Täuschungen verantwortlich ist. Unser Auge zeigt uns lediglich was uns umgibt, jedoch interpretiert es die Sinneseindrücke nicht. Unser Gehirn spielt uns einen Trick! Unser Gehirn sieht was es eben sehen will, es interpretiert die eingefangenen Lichtstrahlen und verursacht optische Täuschungen. Diese Interpretationen sind auf Erfahrungen unserer Alltagswelt zurückzuführen. Unser Gehirn lässt uns also das sehen, was wir aufgrund unserer Alltagswelt als logisch erachten. Unser Gehirn geht sogar so weit, dass es uns Dinge sehen lässt, die eigentlich nicht da sind. Beispiele dafür sind das Kanizsa-Dreieck oder der Kanizsa-Würfel. Spannend sind auch Objekte, die in zwei unterschiedlichen Zuständen wahrgenommen werden können wie der Necker-Würfel. Der Würfel kann entweder von rechts oben oder von links unten betrachtet werden. Beide Sichtweisen sind richtig, doch es können nicht beide gleichzeitig wahrgenommen werden. Wie wir den Würfel zuerst sehen, beruht auf unsere Erfahrung. Obwohl es uns als unlogisch erscheint, können wir mit optischen Täuschungen sogar Bewegungen an einem sich nicht bewegendem Bild erkennen. Ein Beispiel dafür ist die „Rotating Snake“. Der Grund dafür, dass sich die Schlangen scheinbar bewegen ist der, dass das Bild aus starken Kontrastfarben wie blau und gelb und zusätzlich aus sich wiederholenden Mustern besteht. Dadurch kommt es in unserem Gehirn zu einer Fehlinterpretation, was uns denken lässt, die Schlangen würden sich bewegen.

In seltenen Fällen ist jedoch auch das Auge für die Täuschung verantwortlich. Zum Beispiel wenn wir ein Objekt lange genug betrachten, entsteht auf unserer Netzhaut ein Negativbild, das wir bei einem schnellen Richtungswechsel erkennen können.

Erstaunt waren wir, als wir bei unseren Recherchearbeiten herausfanden, dass eine Fata Morgana keine optische Täuschung ist, sondern ein physikalisches Phänomen, bei dem Licht an unterschiedlich warmen Luftschichten gebrochen und reflektiert wird. Eine Fata Morgana ist also keine Einbildung. Die Gegenstände gibt es wirklich, nur oft in weiter Entfernung. Wir haben uns gefragt, was eigentlich Brechung heißt und dazu den folgenden Versuch gestartet:

Wir haben gefärbtes Wasser und Öl in ein Becherglas gegeben und von der Seite betrachtet: Tritt der Lichtstrahl vom Öl ins Wasser, so wird er aufgrund der verschiedenen Geschwindigkeiten des Strahls in den verschiedenen Medien gebrochen. Daher konnten wir einen Knick im Strohhalm wahrnehmen, der in Wirklichkeit nicht bestand.

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7) Unser Besuch im Audioversum

Gerade als wir unsere Zusammenfassung für den Projektbericht schreiben wollten, wurde im Audioversum in Innsbruck die neue Sonderausstellung „Optische Illusionen“ eröffnet. Also haben wir noch 2 Projektstunden angehängt und uns zum Abschluss diese

Ausstellung angesehen. Vieles wussten wir schon, manches war uns neu.

Achterbahnfahrt

Marilyn oder Albert ?

Gerade Linien?

Achterbahnfahrt

Ein küssendes

Paar

Tiefenumkehr

8) Zusammenfassung

Wir haben während der Projektarbeit herausgefunden, dass dieses Kapitel wesentlich größer und komplizierter ist als wir dachten. Jetzt können wir auf diese Arbeit zurück blicken und können mit vollem Selbstvertrauen sagen, dass wir hart dafür gearbeitet haben und dabei eine Menge gelernt haben und einige Male rauchende Köpfe hatten. Doch die Anstrengungen waren es Wert. Und das Fazit aus dieser Arbeit ist „Lass dich von der Illusion faszinieren, doch schau immer zweimal hin.“