Kann es ein Genuss sein, ein Lehrbuch zur Thermodynamik zu lesen? Ja, wenn der Inhalt köstlich verpackt wird. Das ist Rainer Müller in seinem neuen Buch sehr gut gelungen, ohne dabei nur leichte Kost zu servieren.
Wie bereits in seinem Buch "Klassische Mechanik - Vom Weitsprung zum Marsflug" wird der Leser durch interessante Kontexte und Anwendungen auf hohem fachlichen Niveau in die Thematik eingeführt: die Geheimnisse des Schnellkochtopfs, Cornelis Drebbels Wunderapparat, die Physik eines Geysirs, Wolkenbildung und Thermik, Wohnungsheizung mit Wärmepumpen und vieles mehr sind die heiße Spur, welcher der Leser gern bis zur Formel für das perfekte Frühstücksei folgt. Dabei wird der Bogen ausgehend von Dampfdruck und Phasenübergängen über das ideale Gas, die Hauptsätze der Thermodynamik, Entropie, Kreisprozesse bis hin zu Wärmeleitungsprozessen gespannt. Zahlreiche Hintergrundinformationen lockern die begleitende mathematische Formulierung immer wieder auf, und eine Fülle realer Daten sind Grundlage vieler praxisbezogener Beispielrechnungen.
Das Buch ist für jeden Lehrenden ein immenser Fundus für Anwendungs- und Rechenbeispiele. Es ist aber noch mehr: Es zeichnet sich neben seiner starken Kontext- und Alltagsorientierung vor allem durch sehr klare Formulierungen und Definitionen sowie einleuchtende lückenlose Erklärungen aus. Rainer Müller beweist ein feines Gespür dafür, wo typische Fehlvorstellungen liegen, und greift diese gezielt auf, wie beispielsweise die Schwammtheorie der Luftfeuchtigkeit oder die Interpretation der Wärme als etwas, von dem ein Körper mehr oder weniger "hat."
Konsequent wird mit sauber definierten Begriffen und Systemen gearbeitet und schlüssig argumentiert. Das schließt auch als besondere Herausforderung den Entropiebegriff ein, der hier zuerst anschaulich und begreifbar über die Nutzbarkeit von Energie eingeführt und später durch die mikroskopische Deutung ergänzt wird.
Dadurch ist das Buch für Lernende und Lehrende ein Highlight auf dem Lehrbuchsektor. Es ist sehr gut lesbar, manche Stellen sind so spannend, dass man es nicht aus der Hand legen möchte. Dennoch handelt es sich keinesfalls um "weichgekochte" Physik, sondern um ein Lehrbuch, das Studierenden und Lehrenden viel zu bieten hat.
Elke Heinecke, Berlin
Es scheint zum Allgemeingut zu gehören, dass Physik, insbesondere die Mechanik ein leidlich hartes und darüber hinaus sehr trockenes Brot zu sein hat. Aber das ist weit gefehlt! Dass es nämlich auch anders geht - ganz anders, beweist Rainer Müller eindrucksvoll in dem vorliegenden Lehrbuch. Es beginnt mit grundsätzlichen Prinzipien, allen voran dem Trägheitsgesetz. Am Beispiel einer stürzenden Skateboarderin und eines Auffahrunfalls werden sowohl Denk- als auch Herangehensweise an physikalische Probleme vermittelt - und das zunächst noch ohne Formeln.
Doch ohne Mathematik kommt die Physik nicht aus, und so wird auch hier eine mathematische Basis vorausgesetzt. Der Leser sollte mit den Grundregeln von Vektorrechnung, Differentiation und Integration vertraut sein. Dementsprechend wendet sich das Buch in erster Linie an Studierende der Naturwissenschaften, Ingenieur- und Lehramtsstudiengänge der ersten Semester. Im Anhang befindet sich zwar eine Zusammenfassung des mathematischen Handwerkszeugs, das zur Bearbeitung der Kapitel benötigt wird, allerdings dient diese hauptsächlich der Übersicht, respektive der Auffrischung.
Aber auch für Schulabsolventen, die dessen ungeachtet keine Berührungsängste mit Formeln und Zahlen haben, eröffnet sich ein Sammelsurium an überaus spannenden Experimenten.
Da ist beispielsweise der Testpilot Joe Kittinger, der im August 1960 über die "höchste Stufe der Welt" aus 30.000 Metern Höhe aus einer Ballonkapsel aussteigt, und von dem wir über Kräftegleichgewicht im freien Fall und Luftwiderstand in turbulenter Strömung lernen. Kann Bruce Willis alias Harry Stamper die Welt vor der Vernichtung retten, indem er einen Asteroiden sprengt? In dem Film "Armageddon" gelingt ihm dies; die "Klassische Mechanik" rückt dem Problem mit der Impulserhaltung zu Leibe und bringt Bruce in arge Bedrängnis.
Mit Jules Verne, einer Saturn V und den Raketengleichungen geht es in den Weltraum. Dort werden die Keplerschen Gesetze veranschaulicht, Drehimpulserhaltung diskutiert und mit den Hohmann-Übergangsbahnen eine energetisch günstige Möglichkeit beschrieben, wie andere Planeten besucht werden können. Besonders hübsch in diesem Zusammenhang fand ich die Darstellung von elastischen Stößen am Beispiel des Swingby-Mechanismus.
Aber nicht nur in großen Höhen und im Weltraum kann es spannend zugehen. Andere Kapitel führen den Leser durch verschiedene Sportarten vom Hammerwerfen, über den Weitsprung bis zum Bungeesprung; zur Veranschaulichung von Drehbewegungen gehen wir ins Ballett und lernen Pirouetten und Sprünge kennen. Schließlich, sozusagen als Ausgleich für die absolvierten Kapitel, dürfen wir uns Achterbahnen zu Gemüte führen - natürlich auch diesmal kräftig mit Physik gewürzt.
In vierzehn Kapiteln wird so ein großer Bogen über die klassische (relativistische und statistische sind außen vor) Mechanik gespannt und alle wichtigen Themen behandelt.
Fazit:
Möchte man tiefer in die Materie eindringen, gibt es sicherlich ausführlichere Werke. Aber für die dauerhafte Motivation habe ich bisher kaum ein Buch wie dieses entdeckt. Es ist reich bebildert mit Fotos und sehr genauen farbigen Grafiken. Eigentlich eine Selbstverständlichkeit in einer Disziplin, in der es auf Exaktheit ankommt, die aber leider nicht jedes Lehrbuch erfüllt. Immer wieder werden Themen aus früheren Kapiteln aufgegriffen - beispielsweise Impulssatz oder Stoßgesetz -, wodurch der bereits erarbeitete Kenntnisstand ständig kontrolliert werden kann.
Mit den erwähnten Voraussetzungen im Gepäck lässt sich die "Klassische Mechanik" weitgehend ohne große Probleme bewältigen und liest sich überwiegend wie kurzweilige Prosa. Für alle, denen bisher der rechte Zugang zu dieser "trockenen" Materie gefehlt hat und für diejenigen, die einfach Spaß an der Physik haben, gibt es in diesem Buch jede Menge blühender Oasen zu entdecken.
Copyright © 2011 by Michael Bahner (MB)
Gleich zu Beginn meiner Rezension des Lehrbuchs von Rainer Müller möchte ich mein Fazit bringen: Es ist das beste Lehrbuch zur Thermodynamik, welches ich jemals gelesen habe - und ich habe schon viele gelesen! Warum das? Es gibt so viele Lehrbücher auf dem Markt, und dies ist doch nur ein weiteres, könnte man denken. Aber weit gefehlt!
Rainer Müller hat einen Zugang zur Materie gefunden, der einerseits ungewöhnlich und neu ist, aber andererseits die fachliche Stringenz an keiner Stelle darunter leiden lässt. Am Anfang hat man das Gefühl, ein Kochbuch zu lesen, denn diese offensichtliche Alltagsanwendung der Thermodynamik zieht sich wie ein Roter Faden durch das Buch. Hervorragend wird die Biologie und Chemie des Kochens beschrieben, um dann im Abschnitt über Wasser und Dampf erste phänomenologische thermodynamische Prozesse kennenzulernen.
Das Buch ist durchsetzt mit ausgesprochen gut ausgewählten Beispielen, in diesem Fall etwa mit der Beschreibung der Funktionsweise eines Schnellkochtopfes. Nach und nach wird die Thermodynamik - ganz im klassischen Sinne - entwickelt, aber eben getrieben durch Beispiele des Alltags, wie die Beschreibung von Geysiren oder des "Wunderapparates" von Cornelius Drebbel. Immer wieder beeindruckt das Buch durch kleine aber sehr feine Einschübe, wie etwa der Beschreibung, wie man mit einer genauen Waage die Geschwindigkeit von verdunstenden Isopropanol-Molekülen messen kann! Natürlich sind auch die Kapitel über die Hauptsätze und Kreisprozesse wieder gespickt von sehr anschaulichen Beispielen, wie etwa der Thermodynamik des Backofens, die wunderbar erläutert wird. Äußerst gelungen sind auch die Kapitel über die Entropie. Hier schafft es der Autor, diese doch sehr sperrige Größe zunächst anschaulich und dann physikalisch exakt einzuführen und auch den recht schwierigen Übergang von der makroskopischen zur mikroskopischen Beschreibung hervorragend durchzuführen - wieder untermauert durch zahlreiche neue Beispiele, die ich so noch nicht kannte. Das Buch endet mit zwei Kapiteln zur Wärmeleitung und einem weiteren Paukenschlag: einer Formel für das perfekte Frühstücksei!
Rainer Müller meistert den Spagat zwischen physikalischer Exaktheit in der Argumentation und Anschaulichkeit der gewählten Beispiele in einer Art und Weise, wie ich sie vorher noch niemals in einem Lehrbuch der Thermodynamik gelesen habe. Besser geht es einfach nicht! Schon sein Lehrbuch über Mechanik ist außergewöhnlich gut gelungen, aber mit diesem Lehrbuch über Thermodynamik hat er sich nochmals übertroffen. Es sei nicht nur allen Lehrenden an Universitäten und Fachhochschulen wärmstens empfohlen, sondern auch Physiklehrkräften an Gymnasien und Gesamtschulen, die das äußerst unanschauliche Gebiet der Thermodynamik ihren Schülerinnen und Schülern mit Hilfe von wunderbaren Beispielen näher bringen möchten. Ich freue mich schon auf das nächste Lehrbuch von Rainer Müller, dann hoffentlich zur Elektrodynamik.
Prof. Dr. Metin Tolan, Fakultät Physik & DELTA, Experimentelle Physik I, Technische Universität Dortmund
Wenn jemand der 25 Jahre Erfahrung mit der physikalischen Fachdidaktik und den dabei auftretenden Lernschwierigkeiten hat, ein Lehrbuch zur Klassischen Mechanik vorlegt, so kann man schon einiges erwarten. Dass Motivation beim Lernen eine große Rolle spielt ist bekannt, aber aus den 25 Jahren Facherfahrung kommen auch noch das Wissen über die großen begrifflichen Hürden die Anfänger haben, wenn sie das erste Mal mit den physikalischen Abstraktionen konfrontiert sind.
Es ist das Ziel dieses Buches dem Leser Motivation durch spannende und durchaus alltägliche Problemstellungen zu geben und gleichzeitig behutsam, aber wohlbedacht über die Anfangsschwierigkeiten hinwegzuhelfen. Leicht einzusehende Alltagsprobleme, wie z.B. Bewegungen im Sport oder Sicherheit im Auto, bilden den Einstieg und überall dort wo Probleme in der Abstraktion oder Modellbildung auftreten können wird mit großem Geschick die fachdidaktische Erfahrung durch anschauliche Bilder und sinnvolle Redundanz eingesetzt.
Einen ganz wesentlichen Beitrag zur Motivation, aber auch zur Überprüfung des Erarbeiteten, stellen die immer wieder im Text gestellten Verständnisfragen und durchgerechneten Beispiele dar. Es ist wohltuend zu sehen, dass die Exaktheit der Darstellung keineswegs darunter leiden muss, wenn man sich einen leichteren Einstieg und eine motivierende Durchführung zum Ziel gesetzt hat.
Das Buch besteht aus 14 Kapiteln, deren jedes einem wichtigen Teilgebiet der Mechanik gewidmet ist. Wann immer möglich wird den Kapiteln ein Alltagsproblem vorangestellt, das dann in verschiedenen Komplexitätsstufen behandelt wird. Gerade in den ersten Kapiteln fällt diese Strategie besonders auf: vom vereinfachten Modell durch Einbeziehung immer feinerer Parameter zu komplexeren Modellen, die die Wirklichkeit immer besser abbilden. Eine feine Ironie gegenüber allzu spontanem Herangehen an die Probleme und die Fallen der "Alltagsphysik" ist fast immer zu bemerken.
Neben den Kapiteln, die sich rund um Anwendungsprobleme bewegen gibt es vier Kapitel, die mit "Fundamentale Konzepte" überschrieben sind. In diesen Abschnitten werden ausführlich Trägheitsgesetz, das Newtonsche Bewegungsgesetz, das Arbeiten mit der Newtonschen Mechanik und die Energieerhaltung behandelt und es wird in der Folge immer wieder auf diese fundamentalen Erkenntnisse zurückgegriffen. Immer ist das zentrale Anliegen des Buches zu bemerken, neben dem nötigen mechanischen Faktenwissen, den Lesern Verständnis für physikalische Denk- und Arbeitsweisen nahe zu bringen und sie damit zum Ausprobieren von eigenen Lösungsansätzen zu motivieren. Zusammengefasst kann gesagt werden, dass dieses Buch äußerst gelungen ist und die gestellten Erwartungen bei Weitem übertrifft.
Manfred Husty (Innsbruck)
Rainer Müller, Physikdidaktiker an der TU Braunschweig, hat ein Buch der anderen Art geschrieben. Für so manch
einen ist Mechanik das trockenste Gebiet der Physik, und dieses Vorurteil widerlegt Müller kräftigst.
In diesem für Studienanfänger gedachten einführenden Kurs zur Newtonschen Mechanik steht die Anwendung der Newtonschen Bewegungsgesetze im Vordergrund: Sport, Verkehr, Ballet, Weltraumflug und schließlich Fahrten auf Achterbahnen (im letzten Kapitel "Zwangskräfte") erfüllen die in der klassischen Reihenfolge eingeführten Konzepte mit Leben. Große Aufmerksamkeit wird den Stolpersteinen gewidmet, die Lernenden regelmäßig Schwierigkeiten bringen. Daher wird dem Abgrenzen des "Systems" zu Recht viel Aufmerksamkeit geschenkt, ebenso den Scheinkräften. Die Extremalprinzipien und Formalismen (Lagrange und Hamilton) der theoretischen Physik werden nicht erwähnt.
Eine starke Kontextorientierung erfordert zahlreiche Beispiele. Sie sind allesamt ausführlich erklärt und vorgerechnet und so gewählt, dass die Motivation, dem Autor zu folgen, nicht schwindet. Wer wüsste nicht gerne, was den Nervenkitzel am Rummelplatz hervorruft? Wie ein Fallschirmsprung aus der Stratosphäre analysiert werden kann? Verdienstvollerweise wird auch der Frage nach der Muskelaktivität nachgegangen - der molekulare Mechanismus der Kräfte zwischen den Muskelfasern wird erklärt und damit wird Koffertragen als anstrengend anerkannt. Reine Übungsaufgaben zum mechanischen Üben sind nicht vorhanden, doch lebt der Text von ausgearbeiteten Beispielen. Das mathematische Niveau ist den Beispielen angemessen - gelegentlich wird eine Bewegungsgleichung integriert. Denn wichtiger als das Rechnen ist das Verstehen: Welche Kräfte greifen wo an? Wo sind die Systemgrenzen? Wie geht man mit beschleunigten Bezugssystemen um?
Neben der Zielgruppe, hauptsächlich Technik- und Lehramts-Studierende, sollte dieses Buch auch für Lehrkräfte und Olympiadeteilnehmer viele gute Anregungen bieten. Der Nutzen dieses Buches liegt hier in der Fülle interessanter Anwendungen und vor allem in der stets sauberen Analyse der physikalischen Situationen.
Helmut Kühnelt