Helmholtz - das Genie von der Havel

Ein Zeitstrahl mit Helmholtz' Meilensteinen
Bild: Infografik Julia Blenn

Hermann von Helmholtz,

„Die Physik galt damals noch für eine brodlose Kunst. Meine Eltern waren zu großer Sparsamkeit gezwungen; also erklärte mir der Vater, er wisse nicht anders zum Studium der Physik zu helfen, als wenn ich das der Medizin mit in den Kauf nähme.“

Viele Wissenschaftszweige bauen auf Helmholtz’ Errungenschaften auf. Aber auch ganz alltägliche Dinge, wie Lautsprecher oder medizinische Apparate, gehen auf Erkenntnisse oder Erfindungen des großen Naturforschers zurück.

Helmholtz hat seine Spuren auf allen wichtigen Gebieten der Physik hinterlassen – von Elektrodynamik, Akustik, Optik bis hin zur Strömungsdynamik. Anlässlich seines 200. Geburtstages möchte die Universität Potsdam in Kooperation mit proWissen Potsdam e.V. eine PhänoMINTa konzipieren und damit Helmholtz’ Errungenschaften für unsere heutige Zeit und Welt präsentieren.

Die Ausstellung, die vom 23.Juli bis 2. September 2021 in der Wissenschaftsetage im Bildungsforum Potsdam gezeigt wird, setzt die zahlreichen Erfindungen und Errungenschaften von Helmholtz in einen aktuellen Kontext. Welche heute als selbstverständlich geltenden Gesetzmäßigkeiten beruhen auf Helmholtz’ Arbeiten? Welchen Irrglauben saßen die Wissenschaftler des 19. Jahrhunderts auf und welche alltäglichen Phänomene lassen sich mit Helmholtz’ Entdeckungen erklären? Wie bebildert man Helmholtz’ wissenschaftliche Fragestellungen? Wie kann man sicht- und erfahrbar machen, wie und womit der Forscher sich zeit seines Lebens beschäftigt hat? Die PhänoMINTa soll Helmholtz’ Forschungsprozesse nachzeichnen, Methoden erläutern und Erkenntniswege illustrieren.

Hermann von Helmholtz,

„Die Physik galt damals noch für eine brodlose Kunst. Meine Eltern waren zu großer Sparsamkeit gezwungen; also erklärte mir der Vater, er wisse nicht anders zum Studium der Physik zu helfen, als wenn ich das der Medizin mit in den Kauf nähme.“

Helmholtz‘ bekannteste Erfindung - der Augenspiegel

Modell des Augeninneren
Foto: Harpreet Singh on Unsplash

Bis zur Erfindung des Augenspiegels war es unmöglich, einem Menschen durch die Pupille hindurch in den Augenhintergrund zu schauen. Der beobachtende Arzt stand mit seinem Kopf immer im Licht, das so nicht mehr durch die Pupille fallen konnte. Im Jahr 1850 erfand Hermann von Helmholtz, der sich gerade einmal drei Monate eingehender mit der Optik beschäftigt hatte, den Augenspiegel, für den er ein einfaches Prinzip nutze: Um der Lichtquelle nicht im Weg zu stehen, setzte Helmholtz einen halbdurchlässigen Spiegel ein, der das Licht durch die Pupille schickte, ohne dass der Arzt selbst die Lichtquelle verdeckte. So war es erstmals möglich, den sich verästelnden Gefäßbaum im Auge, die unterschiedlichen Breiten der Adern oder auch den Eintrittspunkt des Sehnervs zu beobachten. Helmholtz’ Augenspiegel ist eine der wenigen Erfindungen, die sich überall auf der Welt verbreiten konnten, da er ein so einfaches Funktionsprinzip zu nutzen wusste. Darüber hinaus gab der Augenspiegel einen wichtigen Anstoß zur Begründung der Augenheilkunde. Der Augenspiegel ist - mit kleinen Anpassungen modernisiert - immer noch weltweit im Einsatz.

Wer selbst einmal seinem Gegenüber in die Augen schauen und den Weg des Lichts verfolgen möchte, der probiert es mithilfe unseres Helmholtz-Mitmachexperiments selbst aus und erfährt etwas dazu, wie und warum wir überhaupt sehen können.

Modell des Augeninneren
Foto: Harpreet Singh on Unsplash

Was ist der „Grundton“ - der Helmholtz Resonator

Kugelresonatoren nach Helmholtz
Bild: Historische Instrumentensammlung der Physiologie der Charité / Felix Sattler

Jeder hat schon mal in eine leere Flasche gepustet und dabei einen Ton erzeugt. Wie der Ton klingt, ist von der Form der Flasche abhängig oder physikalisch ausgedrückt: Die Luftsäule im Inneren der Flasche schwingt mit einer bestimmten Frequenz, die von der Form der Flasche abhängt. Helmholtz hat solch einen akustischen Resonator gebaut, um in einem Gemisch aus verschiedenen Tönen den Grundton nachzuweisen. In seinem Werk "Lehre von den Tonempfindungen" formulierte Hermann von Helmholtz wichtige Erkenntnisse zu Schwingungsformen und Resonanz. Im Kern: In jedem Klanggemisch gibt es einen Grundton. Um ihn besser nachweisen zu können , entwickelte er einen Resonator, der Dank einer Öffnung im Resonanzkörper den jeweiligen Grundton verstärkt. Das Prinzip des Helmholtz-Resonators findet - genauso wie das Prinzip des Augenspiegels - auch heute noch Anwendung - bei Musikinstrumenten, bei Lautsprechern und bei Apparaten, die in Konzerthallen und Konferenzräumen Schallwellen dämpfen.

Zurück zur Flasche: Was passiert eigentlich, wenn man den Resonanzton der Flasche aufnimmt und von einem Lautsprecher in der Nähe einer Flasche abspielt? Kann Schall eine Flasche bewegen? Wer eintauchen möchte in die „Klang-“Welten von Helmholtz-Resonatoren, der kann mit unserem Helmholtz-Mitmach-Experiment die Phänomene der Akustik erforschen.

Kugelresonatoren nach Helmholtz
Bild: Historische Instrumentensammlung der Physiologie der Charité / Felix Sattler

Energieerhaltung oder Energieverbrauch - Erster Hauptsatz der Thermodynamik

Zwei Strommasten in unbebauter Landschaft
Foto: Fré Sonneveld on Unsplash

Obwohl wir im Alltag häufig von „Energieverbrauch“, „Energieverschwendung“ oder auch „Energieerzeugung“ sprechen, handelt es sich bei solchen Vorgängen lediglich um eine Umwandlung von einer Energieform in eine andere. Energie kommt in ganz verschiedenen Formen vor: beispielsweise in der Stahlung der Sonne, als Wärme, als Bewegungsenergie der Luft oder als chemische Energie, die in unserer Pasta gespeichert ist. Diese Energieformen können ineinander umgewandelt werden. Bei jeder Energieumwandlung bleibt die Gesamtmenge an Energie erhalten. Dieses Prinzip ist als erster Hauptsatz der Themodynamik bekannt. Hermann von Helmholtz formulierte in seiner 1847 erschienenen Schrift „Über die Erhaltung der Kraft“ den Energieerhaltungssatz als allgemeingültiges Prinzip. Eine besonders klare und einfache, auf Helmholtz zurückgehende Formulierung lautet: „Energie kann weder erzeugt noch vernichtet werden. Sie kann nur von einer Form in andere Formen umgewandelt oder von einem Körper auf andere Körper übertragen werden.“

Wer sehen möchte, dass aus ganz gewöhnlicher Hefe, mit der wir normalerweise Kuchen backen, eine Brennstoffzelle gebaut werden kann, die (anders als eine Batterie) sogar umweltfreundlich ist, der ist herzlich eingeladen, mit diesem Helmholtz-Mitmach-Experiment zu erforschen, wie Hefe elektrische Energie erzeugen kann - eine Technik der Zukunft!

Zwei Strommasten in unbebauter Landschaft
Foto: Fré Sonneveld on Unsplash