Die drei Bewegungsgesetze von Sir Isaac Newton beschreiben die Bewegung massiver Körper und deren Wechselwirkung. Während uns die Newtonschen Gesetze heute selbstverständlich erscheinen, galten sie vor mehr als drei Jahrhunderten als revolutionär.
Newton war einer der einflussreichsten Wissenschaftler aller Zeiten. Seine Ideen bildeten die Grundlage für die moderne Physik. Er baute auf Ideen auf, die von früheren Wissenschaftlern wie Galilei und Aristoteles entwickelt worden waren, und konnte einige Ideen beweisen, die in der Vergangenheit nur Theorien gewesen waren. Er studierte Optik, Astronomie und Mathematik – er erfand die Infinitesimalrechnung. (Dem deutschen Mathematiker Gottfried Leibniz wird zugeschrieben, sie etwa zur gleichen Zeit unabhängig entwickelt zu haben.)
Newton ist vielleicht am besten für seine Arbeiten zur Erforschung der Schwerkraft und der Bewegung der Planeten bekannt. Auf Drängen des Astronomen Edmond Halley veröffentlichte Newton 1687 seine Gesetze in seinem bahnbrechenden Werk „Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica“ (Mathematische Grundsätze der Naturphilosophie), in dem er die Beschreibung der Bewegung massiver Körper unter dem Einfluss äußerer Kräfte formalisierte.
Bei der Formulierung seiner drei Gesetze vereinfachte Newton seine Behandlung massiver Körper, indem er sie als mathematische Punkte ohne Größe oder Rotation betrachtete. Dies erlaubte ihm, Faktoren wie Reibung, Luftwiderstand, Temperatur, Materialeigenschaften usw. zu ignorieren und sich auf Phänomene zu konzentrieren, die ausschließlich durch Masse, Länge und Zeit beschrieben werden können. Folglich können die drei Gesetze nicht verwendet werden, um das Verhalten großer starrer oder verformbarer Objekte genau zu beschreiben; in vielen Fällen liefern sie jedoch hinreichend genaue Näherungen.
Newtons Gesetze beziehen sich auf die Bewegung massiver Körper in einem Inertialbezugssystem, das manchmal auch als Newtonsches Bezugssystem bezeichnet wird, obwohl Newton selbst ein solches Bezugssystem nie beschrieben hat. Ein Inertialbezugssystem kann als ein dreidimensionales Koordinatensystem beschrieben werden, das entweder stationär ist oder sich in gleichmäßiger linearer Bewegung befindet, d. h. es wird nicht beschleunigt oder rotiert. Er fand heraus, dass die Bewegung innerhalb eines solchen Inertialbezugsrahmens durch drei einfache Gesetze beschrieben werden kann.
Das erste Bewegungsgesetz besagt: „Ein Körper, der ruht, bleibt in Ruhe, und ein Körper, der sich bewegt, bleibt in Bewegung, wenn keine äußere Kraft auf ihn einwirkt.“ Das bedeutet einfach, dass Dinge nicht von selbst starten, anhalten oder ihre Richtung ändern können. Es bedarf einer Kraft, die von außen auf sie einwirkt, um eine solche Veränderung zu bewirken. Diese Eigenschaft von massiven Körpern, sich Änderungen ihres Bewegungszustandes zu widersetzen, wird manchmal als Trägheit bezeichnet.
Das Zweite Gesetz der Bewegung beschreibt, was mit einem massiven Körper geschieht, wenn eine äußere Kraft auf ihn einwirkt. Es besagt: „Die Kraft, die auf ein Objekt wirkt, ist gleich der Masse des Objekts mal seiner Beschleunigung.“ Dies wird in mathematischer Form als F = ma geschrieben, wobei F die Kraft, m die Masse und a die Beschleunigung ist. Die fettgedruckten Buchstaben zeigen an, dass Kraft und Beschleunigung Vektorgrößen sind, d. h. sie haben sowohl einen Betrag als auch eine Richtung. Die Kraft kann eine einzelne Kraft sein, oder sie kann die Vektorsumme von mehr als einer Kraft sein, was die Nettokraft ist, nachdem alle Kräfte kombiniert wurden.
Wirkt eine konstante Kraft auf einen massiven Körper, so bewirkt sie, dass dieser beschleunigt wird, d.h. seine Geschwindigkeit mit einer konstanten Rate ändert. Im einfachsten Fall bewirkt eine Kraft, die auf ein ruhendes Objekt einwirkt, dass es in Richtung der Kraft beschleunigt wird. Befindet sich das Objekt jedoch bereits in Bewegung oder wird diese Situation von einem sich bewegenden Bezugsrahmen aus betrachtet, kann dieser Körper je nach Richtung der Kraft und den Richtungen, in die sich das Objekt und der Bezugsrahmen relativ zueinander bewegen, schneller oder langsamer werden oder seine Richtung ändern.
Das dritte Gesetz der Bewegung besagt: „Auf jede Aktion folgt eine gleich große und entgegengesetzte Reaktion.“ Dieses Gesetz beschreibt, was mit einem Körper passiert, wenn er eine Kraft auf einen anderen Körper ausübt. Kräfte treten immer paarweise auf. Wenn also ein Körper gegen einen anderen drückt, stößt der zweite Körper genauso stark zurück. Wenn du zum Beispiel einen Wagen schiebst, stößt der Wagen gegen dich; wenn du an einem Seil ziehst, stößt das Seil gegen dich; wenn die Schwerkraft dich nach unten gegen den Boden zieht, stößt der Boden gegen deine Füße; und wenn eine Rakete ihren Treibstoff hinter sich zündet, stößt das sich ausdehnende Abgas gegen die Rakete, wodurch sie beschleunigt wird.
Wenn ein Objekt viel, viel massiver ist als das andere, vor allem, wenn das erste Objekt auf der Erde verankert ist, wird praktisch die gesamte Beschleunigung auf das zweite Objekt übertragen, und die Beschleunigung des ersten Objekts kann getrost ignoriert werden. Wenn Sie zum Beispiel einen Baseball nach Westen werfen, müssen Sie nicht bedenken, dass Sie die Erdrotation tatsächlich ein wenig beschleunigen, während der Ball in der Luft ist. Wenn du aber auf Rollschuhen stehst und eine Bowlingkugel nach vorne wirfst, würdest du anfangen, dich mit einer merklichen Geschwindigkeit rückwärts zu bewegen.
Die drei Gesetze wurden in den letzten drei Jahrhunderten durch zahllose Experimente bestätigt und werden auch heute noch häufig verwendet, um die Arten von Gegenständen und Geschwindigkeiten zu beschreiben, denen wir im täglichen Leben begegnen. Sie bilden die Grundlage dessen, was heute als klassische Mechanik bekannt ist, d. h. die Untersuchung massiver Objekte, die größer sind als die sehr kleinen Skalen, die von der Quantenmechanik behandelt werden, und die sich langsamer bewegen als die sehr hohen Geschwindigkeiten, die von der relativistischen Mechanik behandelt werden.