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Tropfenfotos selbstgemacht

Ein Gastartikel von Olaf Simon

Kürzlich meldete sich ein (begeisterter) Leser unseres Buchs “Hacks für die Digitale Fotografie“, dem es insbesondere die Tropfenfotografie angetan hatte. Ich fragte ihn kurzerhand, ob er seine Ergebnisse nicht hier im oreillyblog vorstellen möchte – und Olaf Simon stimmte glücklicherweise zu. Alle Hintergründe zu seinen wirklich beeindruckenden Fotos (die hier ausnahmsweise auch hochauflösend zur Verfügung stehen – da müssen wir die Ladezeiten einfach in Kauf nehmen) gibt es nun an dieser Stelle, mehr zu Olaf Simon am Ende des Artikels.

Bild 1 – Tropfenkollision (TaT)

Bild 1 – Tropfenkollision (TaT) (Zur Vergrößerung bitte auf das Bild klicken.)

 

In den letzten Jahren sah man in Fotozeitschriften und auf Fotowettbewerben aufsehenerregende Fotos von Tropfen, Tropfenkollisionen und sog. Splashes. Daniel Nimmervoll, Tobias Bräuning und Markus Reugels sind nur einige der bekannten Fotografen, die sich sehr ausführlich mit der Tropfenfotografie beschäftigen und auf ihren Webseiten nicht nur tolle Fotos, sondern zusätzlich auch viele Tipps und Anleitungen zum Nachmachen veröffentlichen. Meine ersten Versuche mit einem Infusionsset (in Apotheken erhältlich) als Tropfenquelle und einer manuellen Kameraauslösung ergaben zwar schon Bilder mit den typischen Kronen (vgl. Bild 2), die beim Auftreffen eines Tropfens auf eine Flüssigkeits­oberfläche entstehen, eine TaT-Abbildung (Tropfen-auf-Tropfen) ist mir jedoch mit dieser Methode nicht gelungen.

Peter Recktenwald (Hacks für die digitale Fotografie, O’Reilly, 2014) beweist mit seinem Buch, dass der technische Aufwand, bessere Tropfenfotos zu machen, gar nicht so hoch ist wie ich zunächst angenommen habe. Notwendig ist eine DSLR mit der Möglichkeit, einen elektrischen Kabelauslöser anzuschließen sowie ein von der Kamera getrennter Aufsteck- oder Systemblitz. Der Autor beschreibt in ausführlichen Anleitungen, wie ein preiswertes Mikrocontrollerboard (Arduino Uno) mit einem Optokoppler-Modul zur Kameraauslösung und einem FET-Modul als Schalter zur Ansteuerung eines Magnetventils erweitert werden kann und damit auch schon alle Voraus­setzungen für die Produktion eigener Tropfenfotos erfüllt sind. Falls die Kamera das entfesselte Blitzgerät nicht per Kabel, Funk oder IR-Licht auslösen kann, können an den Arduino auch weitere FET-Module zum Auslösen des Blitzgerätes ange­schlossen werden.

Das Buch enthält die vollständigen Stücklisten und einen Bauplan für einen Fotoaufnahmetisch (sinnvoll, um einen stabilen Versuchsaufbau zu erhalten). Auf der Netzseite zum Buch erhält man den Processing-Quelltext für Modultests und die eigentliche Tropfen­foto­grafie. Hinweise zur Einrichtung der Arduino-Programmier­umgebung komplettieren das Bastel­projekt. Dazu enthält das gut bebilderte Buch weitere Peripheriebausteine wie Lichtschranke, Bewegungs­sensor, eine Schrittmotor­an­steuerung und auch alle Informationen, um sich z.B. einen motorisierten Kamera-Slider für Zeit­raffer­aufnahmen zu bauen. Weitere Projekte behandeln das Fokus-Stacking, Panorama­aufnahmen und viele andere Themen der Digitalfotografie. Grundkenntnisse der Elektronik­bastelei und der hardware­nahen Programmierung sollten für den erfolgreichen Nachbau der Projekte ausreichen.

Bild 2 – Kaffee mit einer Tropfen-'Krone'

Bild 2 – Kaffee mit einer Tropfen-‘Krone’ (Zur Vergrößerung bitte auf das Bild klicken.)

Praktische Hinweise zur Tropfenfotografie

Für mein Kameramodell (Nikon D7100) war es zur Erzielung einer reproduzierbaren Auslöse­ver­zögerung notwendig, vor dem Auslösen eines Tropfens mit einem kurzen Impuls auf den Fokus­kontakt die Kamera sicher aus dem Sleepmodus zu wecken. Nach dieser kleinen Programm­modifikation und dem etwas nervenaufreibenden Suchen der richtigen Verzögerungszeit, konnten TaT-Aufnahmen beinahe in Serie erstellt werden. Die Fotos einer selbsterstellten Zeitreihe und Highspeed-Videos im Netz erleichtern die Auswertung, ob für ein gewünschtes Motiv eine zu hohe oder zu niedrige Kamera­aus­löse­verzögerung eingestellt ist: Direkt nach dem Auftreffen eines Tropfens auf eine Flüssigkeitsoberfläche sind zunächst kreisförmig kleine Tropfenspritzer (Krone) beobachtbar (Bild 6). Danach bildet sich ein Krater mit einem gröberen aber immer noch kronenartigen Rand (Bild 2) aus dem anschließend eine Säule (Jet, Bild 6a) ausgestoßen wird. Diese Säule kann sich im oberen Teil in einzelne, kleinere Tropfen zerlegen, die nacheinander wieder zurückfallen. In der Endphase sind nur noch konzentrische Wellen zu beobachten. (vgl. Abb. 5-7 in P. Recktenwald).

Tropfenkollisionen habe ich mit zwei 15 ms langen Tropfen im Abstand von 90 ms erhalten. Die Kamera wurde dabei ca. 270 ms nach der Ventilschließung des zweiten Tropfens ausgelöst. Bei höher viskosen Flüssigkeiten (z.B. Milch) war es erforderlich, die Ventilöffnungszeiten auf 20 ms zu erhöhen, um eine sichere Tropfenablösung zu erreichen.

Als Flüssigkeitsbehälter habe ich eine ausgediente Glasreiniger­flasche aus Kunststoff verwendet. Diese Flasche enthielt im Schraubverschluss ein Plastik­röhrchen, welches bis zum Boden reichte. Das Röhrchen um ca. 3 cm gekürzt ergab eine perfekte Mariotte’sche Flasche. Das Magnetventil wurde durch ein passend gefeiltes Bohrloch direkt in den Flaschenboden geschraubt, ein O-Ring reichte als Dichtung. Das Anbringen der Befestigungsmutter innerhalb der Flasche ist wegen des geringen Drucks überflüssig, die Fallhöhe der Tropfen beträgt in meinem Aufbau ca. 50 cm.

Als Belichtungszeit habe ich an der Kamera 1/250 s gewählt. Mit ISO 200 und Blendenwerten um f/16 erhielt ich im manuellen Modus korrekt belichtete Aufnahmen, ohne dass das Umgebungslicht einen störenden Einfluss hatte. Externe Blitzgeräte wurden ebenfalls im manuellen Modus mit 1/32 der maximalen Leistung betrieben. Laut Handbuch (Nikon SB 910) wird damit eine Beleuchtungs­dauer von 1/20.000 s erreicht. Der eingebaute Blitz der D7100 wurde mit einem IR-Filter abge­deckt, so dass mit ihm nur die Auslösung der externen Blitze getriggert wurde. Optional können die Blitzgeräte mit vorge­setzten Farbfolien ausgerüstet werden. Schöne Beleuchtungs­effekte wurden erzielt, wenn ein Blitz im Gegen­licht durch eine opake Acrylglasscheibe die gesamte Szene aus­leuchtet und ein weiterer Blitz mit einem aufgestecktem Rohr aus Pappe (Begrenzung des Streu­lichts) in einer anderen Farbe von der Seite Akzente setzt (Bild 3). Falls man nur ein einzelnes Blitzgerät verwendet, kann man auch in der Bildbearbeitung das fertige Foto passend einfärben (vgl. Bild 1).

Für die Aufnahmen habe ich ein 100 mm Makroobjektiv verwendet. Als Auffanggefäß nutzte ich ein Backblech, ca. 2 cm hoch mit Wasser gefüllt. Den Kameraabstand habe ich bewusst größer gewählt als technisch möglich, um so eine größere Schärfentiefe zu erzielen und auch die Spiegel­bilder der Tropfenkollisionen zu erfassen. Die Bildbearbeitung (Gimp) beschränkte sich in der Regel auf das Beschneiden, die Korrektur des Kontrastes und auf das Entfernen störender Flecken im Hintergrund. Außerdem wurden die Bilder etwas geschärft.

Bild 3: komplementärfarbige Akzente mit einem zweiten Blitzgerät von der Seite

Bild 3: komplementärfarbige Akzente mit einem zweiten Blitzgerät von der Seite (Zur Vergrößerung bitte auf das Bild klicken.)

Weitere Experimente

Das beschriebene Arduino-System erlaubt weitere Experimente, die zwar nicht so spektakuläre Bilder liefern, aber dennoch interessante Einblicke in die Dynamik derartiger Systeme erlauben. So kann z.B. das Ablösen eines Tropfens oder der Übergang eines Wasserstrahls vom laminaren Fließen in den turbulenten Bereich beobachtet werden. In Bild 4 ist das Abschnüren eines Tropfens von dem darüber hängenden Faden sehr gut zu sehen.

Bild 4: Abschnüren eines Tropfens

Bild 4: Abschnüren eines Tropfens

Stroboskopaufnahmen mit 100 Hz (max. Frequenz meiner Blitzgeräte) zeigen, wie sich eine entstandene Kollisions­fläche innerhalb von 10 ms absenkt und dabei weiter abflacht und konzentrisch aus­einander fließt. Ebenso ist zu erkennen, dass frei fallende Tropfen nicht immer kugelförmig, sondern auch eine abgeflachte Form besitzen können. (Bild 5, oberhalb des Eichstrichs).

Bild 5: TaT mit 100 Hz von der Seite fotografiert.

Bild 5: TaT mit 100 Hz von der Seite fotografiert.

Da die Tropfenkollisionen mit einer erstaunlichen Regelmäßigkeit erfolgen, kann man durch schritt­weise Erhöhung der Auslöseverzögerung Bildserien aufnehmen, um daraus Pseudosequenzen zu erzeugen (s. Film im Anhang). Das Milchtropfen/Kaffee-Video zeigt sehr schön, dass sich der einfallende Tropfen auf der Spitze der nach oben geschleuderten Wassersäule (Jet) befindet, eine Vermischung erfolgt zu einem großen Teil erst mit dem Zerfallen des Jets.

Bild 6: Spritzer beim ersten Auftreffen eines Milchtropfens (Zur Vergrößerung bitte auf das Bild klicken.)

Bild 6a: aufsteigende Säule aus Kaffee mit Milchtropfen und Schlieren

Interessant ist ebenfalls der Aufprall von Tropfen auf feste Oberflächen [7]. Für Bild 7 wurde gefärbtes Wasser auf einen weißen Teller getropft. Man erkennt – wie bei den TaT-Kollisionsflächen – eine Art Perlen­kette am Rand sowie innerhalb des Flüssigkeitskreises konzentrische Wellen. Die erste Phase des Aufpralls mit dem fast vollständigen Zerfließen des Tropfens erfolgt innerhalb einer Milli­sekunde und ist mit der hier eingesetzten Technik kaum aufzulösen.

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Bild 7: Wasser trifft auf feste Oberfläche (entzerrte Schrägansicht, kontrastverstärkt)

Bild 8: Milch trifft auf feste Oberfläche (Schrägansicht)

Bild 8: Milch trifft auf feste Oberfläche (Schrägansicht)

 Hinweise

Zu meinem Erstaunen ergab die Internetrecherche zu einer Literaturangabe aus [7], dass Arthur Mason Worthington bereits 1908 ein Buch zur Hochgeschwindigkeitsfotografie von Tropfen veröffentlicht hat (A study of Splashes)>. Der Text kann als pdf (22 MB) bezogen werden. Viele Fotos und die Beschreibung seines Versuchsaufbaus lohnen, sich diese Schrift einmal genauer anzusehen.Ein bekannterer Pionier der Highspeed-Fotografie ist Harold E. Edgerton, sein Bild eines auftreffenden Milchtropfens (1957) wurde oft publiziert. Auf der Seite edgerton-digital-collections.org findet man weitere Informationen über ihn, u.a. auch den Film Seeing the Unseen von 1936, der ebenfalls einige Tropfenaufnahmen enthält.

Heute ist aus diesem Gebiet eine eigene Disziplin mit vielen Anwendungen entstanden, man denke nur an Tintenstrahldrucker oder Kraftstoffeinspritzsysteme. Auf der Webseite weltderphysik.de finden sich hierzu Informationen über die technische Bedeutung der sog. Fluiddynamik sowie auch eine Simulation (Video) des Instituts für Thermodynamik der Luft- und Raumfahrt (ITLR), die das Auftreffen eines Wassertropfens auf eine Flüssigkeitsoberfläche zum Inhalt hat.
Zum Abschluss noch ein exotisches Experiment: wellenreitende Tropfen. Wenn man einen flüssigkeits­gefüllten Auffangbehälter periodisch bewegt, können auf der Oberfläche sog. Faraday-Wellen entstehen. Auf diesen Wellen kann man einen kleinen Tropfen surfen lassen, wie dieses Video (The pilot-wave dynamics of walking droplets) zeigt. Das wäre vielleicht auch ein spannendes Projekt für den kleinen Arduino-Tropfautomaten.

Quellen und Verweise

Über den Autor

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Olaf Simon, Jahrgang 1953, war nach einer naturwissenschaftlichen Ausbildung zu einem großen Teil seines Berufslebens in der Softwareentwicklung tätig. Heute ist er in Teilzeit als Systemadministrator beschäftigt und hat deshalb viel Zeit für seine Hobbys Fotografie und speziell Astrofotografie. Auf das Buch von Peter Recktenwald wurde Olaf Simon aufmerksam, weil er für Astro-Zeitrafferserien einen Kamera-Slider bauen möchte.

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