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Schattenmessung

Mathematik 4-k
3 Minuten gelesen

Wie misst man die Höhe eines Kirchturms, Baumes oder Hauses, ohne hinaufzuklettern, ohne Drohne und ohne Laser?

Erstaunlich einfach:

Man misst seinen Schatten.

Dazu braucht man lediglich einen Zollstock, etwas Sonne und einen Gegenstand, dessen Höhe bekannt ist.

Das Experiment

Stellen wir einen 1 Meter langen Stab senkrecht auf den Boden.

Sein Schatten ist beispielsweise 1,50 Meter lang.

Zur gleichen Zeit messen wir den Schatten eines Kirchturms. Dieser ist 45 Meter lang.

Jetzt kennen wir bereits alles, was wir brauchen.

Denn die Sonnenstrahlen treffen Stab und Kirchturm im gleichen Winkel.

Es entstehen zwei Dreiecke mit denselben Winkeln.

Und deshalb besitzen sie auch dieselben Seitenverhältnisse.

Jetzt kommt die Rechnung

Für unseren Stab gilt:

1 m Höhe ÷ 1,5 m Schatten

Für den Turm muss dasselbe Verhältnis gelten:

Turmhöhe ÷ 45 m Schatten

Also:

Turmhöhe = 45 × 1 ÷ 1,5

Das ergibt:

30 Meter.

Ohne den Turm auch nur betreten zu haben, kennen wir seine ungefähre Höhe.

Noch einfacher: Benutze dich selbst

Nicht einmal der Stab ist unbedingt notwendig.

Wer beispielsweise 1,80 Meter groß ist, kann seine eigene Schattenlänge messen.

Angenommen, der eigene Schatten beträgt 2,40 Meter und der Schatten eines Baumes misst 20 Meter.

Dann gilt:

1,80 ÷ 2,40 = Baumhöhe ÷ 20

Daraus folgt:

Baumhöhe = 15 Meter.

Der eigene Körper wird damit zum Messinstrument.

Dahinter steckt ein alter Bekannter

Das mathematische Prinzip nennt man Ähnlichkeit von Dreiecken.

Die Sonne ist so weit von der Erde entfernt, dass ihre Strahlen für diese Betrachtung praktisch parallel verlaufen.

Der kleine Stab und sein Schatten bilden deshalb geometrisch dasselbe Grundmuster wie der große Turm und dessen Schatten.

Nur der Maßstab verändert sich.

Was auf dem Papier nach trockener Schulgeometrie aussieht, wird draußen plötzlich zu einem ziemlich brauchbaren Werkzeug.

Probieren kann es jeder

Das Experiment lässt sich praktisch überall durchführen.

Man benötigt:

einen senkrechten Gegenstand bekannter Höhe, ein Maßband und Sonnenschein.

Wichtig ist lediglich, beide Schatten zur selben Zeit zu messen, weil sich der Sonnenstand und damit die Schattenlänge ständig verändern.

Bei ebenem Gelände funktioniert die Methode erstaunlich gut. Unebener oder stark geneigter Boden kann das Ergebnis dagegen verfälschen.

Mathematik macht Unerreichbares messbar

Genau darin steckt die eigentliche Faszination.

Wir müssen einen Gegenstand nicht mit einem Maßband von unten bis oben vermessen.

Wir messen etwas völlig anderes: seinen Schatten.

Aus einer horizontalen Strecke auf dem Boden berechnen wir eine vertikale Strecke, die wir möglicherweise überhaupt nicht erreichen können.

Ein Kirchturm kann 30, 50 oder 100 Meter hoch sein.

Sein Schatten liegt trotzdem einfach vor unseren Füßen.

Und plötzlich wird aus ein bisschen Sonnenlicht ein riesiger Zollstock.

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Mathematik 3-k
3 Minuten gelesen

Wie bestimmt man den Umfang der Erde, wenn es keine Satelliten, kein GPS, keine Flugzeuge und nicht einmal ein Teleskop gibt?

Man nimmt einen Stock, beobachtet seinen Schatten und benutzt Mathematik.

Genau das gelang dem griechischen Gelehrten Eratosthenes bereits im 3. Jahrhundert vor Christus. Seine Methode gehört zu den genialsten Anwendungen einfacher Geometrie in der Wissenschaftsgeschichte.

Zwei Orte und die Sonne

Eratosthenes wusste, dass die Sonne zur Sommersonnenwende in Syene, dem heutigen Assuan in Ägypten, mittags nahezu senkrecht stand. Überliefert wurde unter anderem die Beobachtung, dass das Sonnenlicht dort bis auf den Grund eines Brunnens gelangen konnte.

Zur gleichen Zeit warf ein senkrechter Gegenstand im weiter nördlich gelegenen Alexandria jedoch einen Schatten.

Aus diesem Schatten ließ sich der Winkel der Sonnenstrahlen bestimmen.

Er betrug ungefähr:

7,2 Grad.

Eine unscheinbare Zahl mit gewaltiger Bedeutung.

Jetzt kommt die Mathematik

Ein vollständiger Kreis besitzt 360 Grad.

Und:

360 ÷ 7,2 = 50

Der gemessene Winkel entsprach also ungefähr einem Fünfzigstel eines vollständigen Kreises.

Wenn die Erde kugelförmig ist und die Sonnenstrahlen aufgrund der enormen Entfernung der Sonne praktisch parallel auf die Erde treffen, musste auch die Strecke zwischen Syene und Alexandria ungefähr einem Fünfzigstel des Erdumfangs entsprechen.

Damit wurde die Rechnung verblüffend einfach:

Entfernung zwischen den Orten × 50 = Erdumfang

Eratosthenes gab die Entfernung mit etwa 5.000 Stadien an.

Also:

5.000 × 50 = 250.000 Stadien

Wie genau war das Ergebnis?

Hier wird es etwas komplizierter, weil wir nicht mit Sicherheit wissen, welche Länge des antiken „Stadions“ seiner Berechnung zugrunde lag.

Je nach angenommener Länge ergeben moderne Umrechnungen unterschiedliche Ergebnisse. Häufig wird eine Größenordnung von ungefähr 39.000 bis 46.000 Kilometern genannt.

Der tatsächliche Erdumfang am Äquator beträgt rund:

40.075 Kilometer.

Selbst wenn man über die genaue Umrechnung seines Ergebnisses streiten kann, bleibt die Methode beeindruckend.

Vor mehr als zwei Jahrtausenden konnte ein Mensch die Größenordnung unseres gesamten Planeten bestimmen, ohne ihn umrunden zu müssen.

Er musste die Erde nicht von außen sehen

Das ist vielleicht das Faszinierendste an der Geschichte.

Eratosthenes brauchte kein Bild der Erde aus dem Weltraum.

Er brauchte lediglich:

zwei Orte, die Sonne, einen Schatten, eine Entfernung und Geometrie.

Aus einem wenige Meter langen Schatten wurde eine Information über einen Planeten mit rund 40.000 Kilometern Umfang.

Und die Geschichte zeigt noch etwas anderes: Die Vorstellung einer kugelförmigen Erde ist keineswegs eine moderne Entdeckung. Griechische Gelehrte diskutierten die Kugelgestalt bereits Jahrhunderte vor Eratosthenes.

Er ging einen entscheidenden Schritt weiter.

Er berechnete, wie groß diese Kugel sein musste.

Ohne Computer.
Ohne Satelliten.
Ohne GPS.

Nur mit Beobachtung und Mathematik.

Manchmal braucht es erstaunlich wenig Technik, um eine erstaunlich große Frage zu beantworten.

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