Fingerübungen der Physik

Friedrich Hund, zu dessen vielen Schülern auch Michael Kaschke und der Rezensent gehören, schrieb im Vorwort seiner „Grundbegriffe der Physik“ (1979): „Einem Physiker oder einem an der Physik Interessierten mag gelegentlich der Wunsch kommen, sich Rechenschaft zu geben von den wesentlichen Grundbegriffen und Denkstrukturen dieser Wissenschaft.“

Diesem Wunsch kommen die vorliegenden „Fingerübungen“ in mehrfacher Hinsicht entgegen: Sie starten mit möglichst einfachen, mathematisch exakt lösbaren Modellen, etwa dem harmonischen Oszillator oder dem Kepler-Problem, auf denen vielfältige Anwendungen in der klassischen und der Quantenwelt beruhen. Die folgenden realitätsnahen Beispiele gehen über idealisierte Modelle hinaus und beziehen dafür Effekte wie die Reibung in der Mechanik oder die Dispersion in der Optik mit ein, wo die Schönheit der Physik beim Regenbogen buchstäblich sichtbar wird.

Die ersten beiden Bände der Reihe behandeln Mechanik bzw. Himmelsmechanik und Astrodynamik. Sie schlagen die Brücke von den Grundlagen zu realistischen Anwendungen, indem sie die physikalische Modellierung betonen. Zahlreiche Beispiele und Übungen zeigen detailliert den Weg von der Fragestellung zu den Gleichungen, die meist numerisch zu lösen sind. Erst diese Lösungen er­öffnen den Reiz der „realen“ Physik mit oft verblüffenden Einsichten.

Die Bände sind nicht als klassische Lehrbücher gedacht, führen aber stringent in die Grundlagen der Themengebiete ein, wie man das aus Vorlesungen kennt. Daher eignen sie sich auch gut als Repetitorium. Die Autoren kommen nach den Grundlagen rasch zu einer Vielzahl von Anwendungsbeispielen, die den größten Teil der Bücher einnehmen. In der Mechanik reichen sie von Achterbahnfahrten, Bungee- und Fallschirmspringen bis hin zum Kreiselkompass oder mittelalterlichen Steinschleudern. Im Band Himmelsmechanik – Astrodynamik findet man sehr realitätsnahe Ansätze für das Vielteilchenproblem aller Planeten des Sonnensystems oder Berechnungen von Sonnenuhren sowie zu Fragen der Raumfahrt.

In der Einleitung betonen die Autoren, dass ihnen das Üben der Lösungsstrategien besonders wichtig ist. Daher sind die Übungsaufgaben zahlreicher als die Anwendungsbeispiele, die von einfachen bis hin zu sehr anspruchsvollen Problemen reichen. Dabei fehlt es nicht an Unterstützung. Online-Arbeitsbücher und Zusatzmaterialien – jeweils im selben Umfang wie das gedruckte Buch – bieten online je nach Bedarf nicht nur sehr detaillierte Lösungen zu allen Aufgaben, sondern auch lauffähige Programme für die numerischen Lösungen.

Diese lassen sich dank KI-Systemen mittlerweile ohne großen Aufwand in einer Programmiersprache umsetzen. Nutzt man die Programme dafür, die in den Lösungen bereitgestellten Strategien zu verfolgen, stört es nicht weiter, dass die Autoren mit MATLAB auf eine kommerzielle Umgebung setzen, die nicht immer verfügbar sein dürfte. Eine Python-Umsetzung ist bereits angekündigt.

Die Bücher sind für all diejeni­gen ein Gewinn, die Spaß an realistischen Fragestellungen aus der Mechanik, Himmelsmechanik oder Astrodynamik haben. Physikalische Kenntnisse, die etwa denen der ersten Semester eines naturwissenschaftlichen oder technischen Studiengangs entsprechen, sollte man durchaus mitbringen.

Belohnt wird man dann mit beeindruckenden Beispielen, die man sonst selten in der Literatur und aufgrund ihres Umfangs noch seltener in Vorlesungen oder den zugehörigen Übungen findet. Auch für Dozenten und Lehrkräfte der Physik und Technikwissenschaften sind die Bücher ein echter Fundus.

Als Kernkompetenzen von Physi­ker:innen nennt Erich Runge im Februar-Heft (S. 3) realitätsbezogenes funktionales und strukturelles Denken, um den Wandel durch die KI mitzugestalten. Hierzu leisten die „Finger­übungen“ einen wichtigen Beitrag.

Prof. Dr. Peter Bussemer,
Duale Hochschule Gera-Eisenach