Zürich | 11.–17. Juli |

Die Wellen des Ozeans


Von Lionel Philippoz, Team Leader IPhO 2015 und Mitglied des Akademischen Komitees IPhO 2016

Es ist jetzt schon einige Tage her, seit unsere olympischen Abenteuer auf dem indischen Subkontinent zu Ende gegangen sind, und wir finden allmählich wieder in unseren Alltag in der Schweiz zurück. Doch das sollte uns nicht daran hindern, in Gedanken nach Mumbai zurückzukehren.

Wie üblich wurden im Verlauf der Erörterung der Prüfungen oder der anschliessenden Moderation, wenn die Leiter die Ergebnisse ihrer Studenten den lokalen Korrektoren gegenüber verteidigen müssen, unsere Konzentration, Beständigkeit sowie diplomatischen Fähigkeiten auf die Probe gestellt. Zum Glück waren einige Ruhephasen eingeplant, so dass wir etwas Zeit hatten, die Umgebung zu erkunden. Daher beschloss ich, einen friedlichen Nachmittag zwischen zwei Sitzungen zu verbringen und einen Spaziergang entlang der Küste zu unternehmen. Während ich meine Blicke gedankenverloren über den Ozean schweifen liess, bot dieser meinen Augen ein turbulentes Spiel.

Diese gewaltige, sich immerzu bewegende Oberfläche liess mich sofort an Gravitationswellen denken, die sich in unserem Raum-Zeit-Gefüge ausbreiten. Ihren fragenden Blicken entnehme ich, dass die meisten von Ihnen mit Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, aus der diese Konzepte stammen, nicht vertraut sind und sich wundern, wie ein einfaches Bild von einem wilden Ozean mit solch abstrakten Themen über unser Universum in Verbindung gebracht werden kann. Ein anderer Vergleich soll Ihnen das besser veranschaulichen.

Stellen Sie sich ein Tischtuch aus elastischem Gewebe vor. Solange nichts auf seiner Oberfläche liegt, bleibt das Tischtuch eben. Das dürfte einleuchtend sein. Legt aber jemand eine Murmel darauf, drückt sie das Tischtuch ein, wodurch sich eine Verformung bildet. Je massiver die Murmel nun ist, umso grösser ist die Deformierung. Und genau dieses Phänomen beschreibt die allgemeine Relativitätstheorie: Die Anwesenheit einer Masse oder Energie (unsere Murmel) krümmt und deformiert das Raum-Zeit-Gefüge (unser Tischtuch). Je massiver der Körper, umso ausgeprägter die Krümmung. Ist das nicht intuitiv?
Gravitationswellen lassen sich auf einfache Weise erklären: Beschleunigt jemand die Murmel (Masse), beginnt das Tischtuch (Raum-Zeit-Gefüge) zu vibrieren und es breiten sich Störungen (Gravitationswellen) auf seiner Oberfläche aus.

In Wirklichkeit ist die Amplitude der generierten Wellen sehr schwach. Um sie eines Tages tatsächlich direkt nachweisen zu können, müssen wir wohl grössere Systeme in Betracht ziehen, bei denen die typischen Dimensionen über die allgemeine Anschauung hinausgehen. Beispielsweise zwei Neutronensterne, die einander umkreisen (was man als ein binäres System bezeichnet); die Dichte eines solchen Sterns ist mit nichts zu vergleichen, was man auf der Erde kennt. Damit Sie sich das besser vorstellen können, wieder ein Bild: Kompressieren Sie unsere Sonne in eine Sphäre mit einem Radius von nur 10 km – dann haben Sie einen Neutronenstern. Natürlich gibt es sehr viel dichtere Systeme, z.B. ein Neutronenstern, der um ein schwarzes Loch kreist, oder zwei schwarze Löcher, oder sogar noch schwerer vorstellbare Quellen, aber das ist eine andere Geschichte…

Wenn Sie das nächste Mal auf eine Wasseroberfläche blicken, denken Sie vielleicht an andere Wellen als die, die sich vor Ihnen ausbreiten...

Zürich, 17. Juli 2015

Tuk-Tuk, Hupp-Hupp, Röchel-Hust


Von Marco Gerber, Manager Hospitality and Events IPhO 2016

Mit einer etwas verklärten Vorstellung bin ich nach Indien gereist. Ein paar Dokumentar- und Art-House-Filme über das ländliche oder britisch-koloniale Indien haben wohl einen bleibenden, wenn auch falschen Eindruck hinterlassen. So waren die Strassen Indiens in meinem Kopf bevölkert von einem riesen Gewusel von Menschen – und natürlich Kühen –, unzähligen Autos, Motorräder und vor allem Fahrrad-Rikschas. Doch leider hat die Gegenwart letztere, diese humanbetriebenen Gefährte, eingeholt und schon fast gänzlich ersetzt. Und zwar mit den lautstarken Autorikschas, den Tuk-Tuks. Kühe gibt’s nebenbei auch viel weniger, als gedacht. Item.

In Indien kommt man nicht um diese motorisierten Rikschas drum rum. Zu tausenden drängen sie sich durch die oft verstopften Strassen der Grossstädte. Klein sind sie. Und genau das ermöglicht ihnen, auch mal an stehenden und stockenden Kolonen vorbei zu drängen, selbst wenn dabei teils etwas abenteuerliche Manöver in Kauf genommen werden müssen. Geführt werden sie dabei übrigens nicht mit einem Lenkrad, sondern mit einer Lenkstange. Ihre Popularität verdanken die Tuk-Tuks aber sicher auch dem Umstand, dass sie ihre Kunden und Kundinnen viel billiger durch die Gegen kurven als etwa herkömmliche Taxis. Jedenfalls, wenn die charmanten Fahrer – Frauen sieht man kaum am Lenker – den Kilometerzähler verwenden. Letzteres lassen sie bei blauäugigen Touristen gern auch mal sein, um dann mit „leicht“ überhöhten Preisen die Marge etwas erhöhen. Nun ja, man sollt’s ja wissen, eigentlich.
So drollig die dreirädrigen Dinger auch aussehen mögen, hupen tun sie wie die Grossen. Nicht, dass das im Dauergehupe des Stossverkehrs akustisch viel ausmachen würde. Den lautmalerischen Namen Tuk-Tuk verdanken die Vehikel übrigens den typischen Geräuschen der Zweitakt-Dieselmotoren.

Aber gerade diese Motoren und fehlende Katalysatoren sind es, welche die Tuk-Tuks auch in Indien aus ökologischen Gründen langsam in Verruf bringen. In Delhi, das wegen seiner weltweit rekordhohen Feinstaubbelastung unlängst negative Schlagzeilen machte, hat ein Gericht alle Tuk-Tuk-Besitzer gezwungen, auf Erdgas umzustellen. Mumbai wiederum verbannte die akustischen und luftverschmutzenden Gefährte gleich komplett aus seinem südlichsten Teil, der vor allem für die Finanz- und Tourismusindustrie von hoher Bedeutung ist.

Irgendwie schade. Doch wer weiss, vielleicht schaffen es die Ingenieurinnen und Physiker von morgen, mit innovativen Ideen und neuen, umweltschonenderen Antriebssystemen die Tuk-Tuks vor dem Schicksal der Fahrrad-Rikschas zu bewahren. Bevor sie von der Realität eingeholt werden und gänzlich verschwinden.

Mumbai, 13. Juli 2015

Von Laserlicht, der Sonne, Extremalprinzipien und Kernreaktoren


Von Daniel Oehry, Leader der Delegation aus Liechtenstein

Die IPhO in Mumbai ist mittlerweile die fünfte Olympiade, an welcher ich als Leader von Liechtenstein teilnehme. Es ist jedes Mal wieder von neuem spannend, wenn die Experimente und Theorieaufgaben vorgestellt werden. Einerseits deshalb, weil dir Art und Weise, wie die Aufgaben vorgestellt und die Diskussion geführt wird, viel über die Menschen dahinter aussagt, andererseits natürlich wegen der Physik. Mittlerweile sind die Prüfungen vorbei und so darf ich nun auch einen Einblick in die Aufgaben geben.

Weil 2015 als das Jahr des Lichts gefeiert wird, ging es beim experimentellen Teil um die Beugung von Laserlicht. Bei einem der Versuche wurde ein Laserstrahl auf eine sehr kleine Feder gerichtet. Aus dem daraus resultierenden Beugungsmuster konnten verschiedene Parameter der Feder (Drahtdicke, Steigungswinkel, Drahtabstand) sehr genau bestimmt werden. Besonders schön an diesem Experiment ist, dass ein ähnlicher Aufbau – jedoch mit Verwendung von Röntgenstrahlung anstelle von Laserlicht – es ermöglichte, dass Rosalind Franklin 1953 die Doppelhelixstruktur der DNS nachweisen konnte.

Die Theorieaufgaben sind erfahrungsgemäss weniger anschaulich und es wird auch eine ganze Menge Mathematik für die verlangten Berechnungen benötigt. Ich muss jedoch sagen, dass mir die drei indischen Aufgaben ganz gut gefallen haben.

Im Zentrum der ersten Aufgabe standen die Sonne und ihre Physik. Verlangt wurden unter anderem Berechnungen zur Temperatur der Sonne inner- und ausserhalb. Darüber hinaus gab es auch Aufgabenteile, welche der Frage nachgingen, „wie“ die Sonne scheint und wie wir das, obwohl wir ja 150 Millionen Kilometer entfernt sind, überhaupt wissen können.

Bei der zweiten Aufgabe ging es um das sogenannte "Extremalprinzip" in der Physik. Dieses Prinzip besagt, dass viele Vorgänge so ablaufen, dass eine bestimmte Grösse möglichst klein wird. Licht beispielsweise nimmt immer denjenigen Weg, für welchen die Zeit, welche das Licht benötigt, am Kleinsten ist. In der Aufgabe wurde Physik vom 17. bis zum 20. Jahrhundert, von der Mechanik über die Optik bis zur Quantenmechanik, behandelt.

Indien ist ein Land, welches auf Atomenergie setzt. In der letzten Aufgabe ging es deshalb um das Design eines Kernreaktors, welcher mit Brennstäben aus natürlichem Urandioxid und schwerem Wasser als Moderator betrieben wird. Es konnte errechnet werden, dass so ein Reaktor etwa 6 Meter Durchmesser und ebenfalls 6 Meter Höhe hat und etwa 100 Tonnen Brennmaterial benötigt werden.

Zu Beginn habe ich erwähnt, dass die Art und Weise der Vorstellung der Aufgaben auch viel über die Menschen dahinter aussagt. Diesbezüglich haben mich die indischen Physiker wirklich sehr überzeugt. In den Diskussionen haben sie gezeigt, dass sie wirklich bereit sind auf Kritik einzugehen und nach der bestmöglichen Lösung zu suchen und man spürte, dass viel Wissen und Engagement in die Vorbereitung der Aufgaben gesteckt wurde.

Mumbai, 10. Juli 2015

Monsun oder der sanftmütige Indra


Von Andrea Schneider, Geschäftsführerin IPhO 2016

„Juli ist die Hauptmonsunzeit in der Region um Mumbai. Nehmt unbedingt wasserfeste Schuhe und eine Regenjacke mit, einen Schirm werdet ihr von uns erhalten“, haben uns die Organisatoren der IPhO 2015 angewiesen.

Die stärkste Ausprägung des Monsuns und darum auch seinen Wortursprung hat er im Raum des Indischen Ozeans. Durch die mitgeführte starke Luftfeuchtigkeit hat der Monsun einen starken Einfluss auf den Naturraum und leitet eine hohe wirtschaftliche und kulturgeschichtliche Bedeutung ab.

Während der Monsunzeit sind entsprechend wenige Touristen in Indien anzutreffen. Initiativen wie „Romancing the Monsoon“ versuchen, die Vorteile der Reisesaison hervorzuheben, „Travel to one of the perfect getaways to savour the magic of rain“, heisst eine Ueberschrift einer Zeitschrift und weiter „Monsoons in India are a rhapsody of bliss, beauty and relief from the scorching summer sun“. Empfohlen werden unter anderem Regionen wie Goa, Kerala und auch Maharashtra, in welcher auch Mumbai liegt.

Wir waren also aufs Schlimmste gefasst, auf tagelange Regengüsse, überflutete Strassen und auf improvisierte Wäscheleinen zum Trocknen der nassen Kleidung in unseren Badezimmern.

Es kam anders. Während den 9 Tagen Konferenzdauer haben die Teilnehmer nicht einmal eine handvoll kurzer Regenfälle erlebt, keiner dauerte mehr als ein paar Minuten. Kann es sein, dass die Organisatoren in Indra einen Verbündeten gefunden haben?

Indra ist eine frühindische, vedische Gottheit, die zusammen mit Feuergott Agni und Windgott Vaju die vedische Göttertriade bildete – grosszügig zu vergleichen mit den drei Hauptgottheiten des heutigen Hinduismus, dem Schöpfer Brahma, dem Erhalter Vishnu und dem Erneuerer Shiva.

In der vedischen Religion wird Indra als der höchste, kriegerische Gott des Himmels vorgestellt, der Gott des Sturmes und des Regens, der Fruchtbarkeit und der Schöpfung. Er ist der in den Veden am meisten angerufene und besungene Gott. Die Waffe des Königs der Götter ist der Donnerkeil. Wohnen tut Indra in einem Palast auf der Spitze des Berges Meru und herscht über das Kriegerparadies in den Wolken, ähnlich dem germansichen Walhalla. Indras Eltern sind Himmel und Erde, die Indra gleich nach seiner Geburt für immer voneinander trennt.

Und so bedanke ich mich gerne im Namen der Organisatoren und aller Teilnehmern für die Sanftmütigkeit Indras. Unvergessliche Momente durften wir erleben in der Stadt mit Namen Maximum City und da wir keinen Schirm halten mussten, blieben beide Hände frei, um Fotos zu schiessen.

Wollt ihr wissen, ob es sich lohnt, durch den Regen zu rennen, um weniger nass zu werden? Minute Physics weiss mehr.
Minute Physics - is it better to walk or to run in the rain?

Mumbai, 13. Juli 2015

(Bild: Andreas Schilling)

Des Physikers schöne Kleider


Von Andreas Schiling, Präsident des Akademischen Komitees IPhO 2016

Ich nehme zum ersten Mal an einer Physik-Olympiade teil, und dies auch nur in der bequemen Position als Beobachter.

Die Teilnehmenden sind alles zukünftige Studierende, viele wahrscheinlich einmal Doktorierende oder Professoren in Physik. Auch die Leader und Oberserver sind zu grössten Teilen Physiker.

Als Professor bin ich regelmässig an grossen Konferenzen mit Forschenden in Physik und so war ich erstaunt (oder auch nicht), dass die IPhO mit diesen Konferenzen doch einiges gemeinsam hat.

Sie finden meist in qualitativ sehr hochstehenden, auf ein internationales Publikum ausgerichteten Hotels oder Kongresszentren statt, welches nicht selten etliche Flugstunden von Zürich entfernt.

Das Erkennungsmerkmal für eine Physiker-Konferenz (und wie ich sehe, auch für die IPhO), ist die Einstellung der Physiker zur Kleidung. Je luxuriöser der Aufenthaltsort (und die ausgewählten Hotels in Mumbai sind solche), desto krasser der Unterschied zwischen den an der Konferenz teilnehmenden Physikern und den übrigen Gästen, die sich in den grossen Hotel- und Kongressräumlichkeiten häufig kreuzen.

Den Physiker erkennt man sofort an Sandalen, Turn- oder Wanderschuhen, und bunt zusammengewürfelten Kleidungsstücken, welche dem einzigen Zweck dienen, den Körper zu bedecken und die Hauttemperatur entsprechend erträglich zu regulieren.

Und so kommt es zu auffälligen Kontrasten zu den übrigen Gästen, welche sich zur Erholung oder geschäftlich an solchen Orten aufhalten. Für sie hat die Kleidung die Aufgabe, elegant und gepflegt zu sein, im Stil zusammen passend, entweder einen gehobenen Lebensstil oder gute Geschäfte symbolisierend.

Diese Attribute kommen in keiner physikalischen Formel vor und sind deshalb wohl den meisten Physikern fremd. Das Zusammentreffen dieser zwei Kulturen kann amüsant sein; hier der, ich erlaube mir den Ausdruck, Schlabberlook, dort die ausgesuchte Eleganz.

Kurz, die IPhO hat mir bestätigt, dass hier tatsächlich junge talentierte Menschen auf guten Wege sind, “echte Physiker” zu werden, und die Tradition unserer Kleidungsphilosophie weiter zu pflegen.

Mumbai, 11. Juli 2015

Ode an die Klimaanlage


Von Simon Birrer, Co-Chairman IPhO 2016

Die IPhO-Statuten sehen vor, dass die vorbereiteten theoretischen und experimentellen Aufgaben vom sogenannten International Board abgesegnet werden. Dieses besteht aus 180 Leadern aus 90 Ländern, die sich in einem Raum versammeln, um den Ein- und Ausführungen zu den vorbereiteten Aufgaben zuzuhören, um die Richtigkeit entweder zu bestätigen oder allfällige Fragen und Verbesserungsvorschläge zu stellen und im Plenum zu diskutieren. Einmal abgesegnet, werden die Prüfungsaufgaben in 50 Sprachen übersetzt, die den jeweiligen Landessprachen der Teilnehmenden entsprechen. Diese Phase der Prüfungsabsegnung und Uebersetzung ist von grosser Wichtigkeit und somit Basis für die schriftliche Aufgabenstellung für die teilnehmenden Schülerinnen und Schüler.

Damit keine Fehler beim Beurteilen und Übersetzen der Prüfungen passieren, ist eine Temperaturregulation in den Kongress-Räumlichkeiten zentral, umso mehr, als bekannt ist, dass bei Temperaturen über 25° Celsius Menschen rasch an Leistungsfähigkeit und Konzentration verlieren.

Rechnen wir mal nach: Es sitzen insgesamt über 200 Leader und Observer im selben Raum. Jeder Mensch verbraucht in etwa 200 Watt an Leistung. Denken und Hirnleistungen sind dabei ein grosser Anteil. Dies bedeutet, dass die gesamte Wärmeleistung aller anwesenden Personen bei ca. 40‘000 Watt liegt. Eine Klimaanlage braucht also mindestens diese Leistung, um die Temperatur konstant zu halten.

Sollte nun die Klimaanlage ausfallen, wie schnell würde sich der Raum erhitzen?

Dazu brauchen wir noch die Informationen des Raums. Der Raum ist ausreichend gross (ca. 50 x 30 Meter) und einer hohen Decke (ca. 5 Meter). Die Masse der Luft ist etwa 1 kg/m^3, was in etwa 100‘000 kg Luftmasse in diesem Raum entspricht. Die spezifische Wärme der Luft, d.h. die Menge an Energie, um 1 kg Luftmasse um ein Grad Celsius zu erwärmen, ist etwa 1‘000 Joule.

Daraus ergibt sich, dass sich der Raum in wenigen Minuten nur schon um ein Grad Celsius erwärmt würde, einzig und alleine durch die Anwesenheit der Personen. Und so würde das Arbeiten ohne Kühlung innerhalb einer Stunde nicht mehr möglich sein.

Wie sind wir doch froh, gibt es hier eine verlässlich funktionierende Klimatisation, auch wenn die Leader im vorderen Drittel über zu kühle Temperaturen, diejenigen im hinteren Drittel über zu hohe Temperaturen klagen.

Das Öffnen der Fenster wäre zur Kühlung des Raumes übrigens nicht hilfreich - die Aussentemperaturen in der Monsunzeit hier in Mumbai messen derzeit tags und nachts um die 30°, bei hoher Luftfeuchtigkeit.

Mumbai, 7. Juli 2015

Beschwingt vom Burj Khalifa zur IPhO nach Mumbai


Von Thomas Uehlinger, Leiter Akademisches Komitee IPhO 2016

Nun gilt es ernst, ich bin auf dem Weg an die Internationale Physik-Olympiade, die dieses Jahr in Mumbai stattfindet. Für uns als Mitglieder des Organisationskomitees und des akademischen Komitees der nächstjährigen Olympiade in Zürich ist dies die letzte Chance, wertvolle Eindrücke live zu sammeln, wie andere Länder die Olympiade organisieren.

Auf dem Weg nach Mumbai habe ich zwei Tage in Dubai verbracht - eine Stadt der Gegensätze. Auf der einen Seite sind da die in engen Gassen versteckten Souks, welche an die jahrhundertalte Handelstradition erinnern, auf der anderen eine innert kürzester Zeit in der Wüste erschaffene Finanz-, Shopping- und Unterhaltungswelt.

Als Physiker hat mich der Wolkenkratzer Burj Khalifa besonders fasziniert. Mit einer Höhe von 828 Meter ist es das höchste je von Menschenhand geschaffene Bauwerk der Welt. Neben seiner Höhe ist auch dessen Leergewicht von 500'000 Tonnen beeindruckend.

Unvorstellbar, was für Kräfte auf das Fundament wirken! Dieses besteht aus einer 3,7 Meter dicken Platte aus Stahlbeton, welche nochmals mit 192 über 50-meter-langen Säulen im Boden verankert ist. Aber wer jetzt meint, dass die Gravitationskräfte für die Planer dieses Bauwerks die grösste Herausforderung waren, irrt. Viel schwieriger ist nämlich der Umgang mit den Windkräften, weil sich diese dynamisch ändern und das Bauwerk zu Schwingungen anregen können: Bei starkem Wind schwingt der Turm in den obersten Stockwerken bis zu zwei Meter seitlich hin und her. Trifft der Takt einer solchen Schwingung nun noch die sogenannten Resonanzfrequenz der Struktur, kann es zu einem gefährlichen Aufschaukeln – einer Resonanzkatastrophe – kommen. Eine solche hat 1940 zum Einsturz der Tacoma-Narrows-Brücke in den USA geführt.

Wie wissen sich die Konstrukteure da zu helfen? Beim Burj Khalifa wurde eine auf dem Bild gut sichtbare unregelmässige Bauform gewählt. Damit wird zum einen verhindert, dass das Gebäude nur eine einzige Resonanzfrequenz, sondern breiteres Anregungsspektrum hat. Somit reduziert sich die Anfälligkeit auf eine fatale Aufwiegelung der Schwingung drastisch. Gleichzeitig minimiert die unregelmässige Bauform schon die Anfälligkeit auf Schwingungen, indem dadurch regelmässig organisierte Luftwirbel unterdrückt werden.

Beim Taipei 101, dem zweithöchsten Wolkenkratzer der Welt, wurde eine andere Strategie gewählt: Dort wurde ein „Tuned Mass Damper“ eingebaut. Im Falle des Taipei 101 ist dies eine 730 Tonnen schwere Stahlkugel, welche zwischen dem 88 und 92 Stockwerk im Inneren des Gebäudes aufgehängt wird. Die Kugel wirkt wie ein Pendel, welches die Schwingungen aufnimmt und damit die Bewegung des Wolkenkratzers um rund 40% reduziert. Dies ist besonders wichtig, da in Taipei auch eine sehr hohe Erdbebenwahrscheinlichkeit besteht.

Mumbai, 6. Juli 2015

(Photos: Wikipedia)

OrganisatorenPartnerUni ZürichPrincipality of LiechtensteinSwiss Science OlympiadsSwiss Physics OlympiadsState Secretariat for Education, Research and Innovation SERI

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