Sir Isaac Newtonin kolme liikelakia kuvaavat massiivisten kappaleiden liikettä ja niiden vuorovaikutusta. Vaikka Newtonin lait saattavat tuntua meille nykyään itsestään selviltä, yli kolme vuosisataa sitten niitä pidettiin vallankumouksellisina.
Newton oli yksi kaikkien aikojen vaikutusvaltaisimmista tiedemiehistä. Hänen ajatuksistaan tuli modernin fysiikan perusta. Hän hyödynsi aiempien tiedemiesten, kuten Galileon ja Aristoteleen, töissä esitettyjä ajatuksia ja pystyi todistamaan joitakin ajatuksia, jotka olivat aiemmin olleet vain teorioita. Hän tutki optiikkaa, tähtitiedettä ja matematiikkaa – hän keksi laskennan. (Saksalaisen matemaatikon Gottfried Leibnizin katsotaan myös kehittäneen sen itsenäisesti suunnilleen samaan aikaan).
Newton tunnetaan ehkä parhaiten työstään painovoiman ja planeettojen liikkeen tutkimisessa. Tähtitieteilijä Edmond Halleyn kannustamana sen jälkeen, kun hän oli myöntänyt hukanneensa todistuksensa elliptisistä kiertoradoista muutamaa vuotta aiemmin, Newton julkaisi lainalaisuutensa vuonna 1687 uraauurtavassa teoksessaan ”Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica” (Luonnonfilosofian matemaattiset periaatteet), jossa hän virallisti kuvauksen siitä, miten massiiviset kappaleet liikkuvat ulkoisten voimien vaikutuksesta.
Kolmea lakiaan muotoillessaan Newton yksinkertaisti käsittelyään massiivisten kappaleiden kohdalla tarkastelemalla niitä matemaattisina pisteinä, joilla ei ole kokoa eikä kiertoa. Näin hän saattoi jättää huomiotta sellaiset tekijät kuin kitka, ilmanvastus, lämpötila, materiaaliominaisuudet jne. ja keskittyä ilmiöihin, jotka voidaan kuvata pelkästään massan, pituuden ja ajan avulla. Näin ollen näitä kolmea lakia ei voida käyttää kuvaamaan tarkasti suurten jäykkien tai muodonmuutoskykyisten kappaleiden käyttäytymistä; monissa tapauksissa ne tarjoavat kuitenkin sopivan tarkkoja approksimaatioita.
Newtonin lait koskevat massiivisten kappaleiden liikettä inertiaalisessa viitekehyksessä, jota joskus kutsutaan newtonilaiseksi viitekehykseksi, vaikka Newton itse ei koskaan kuvaillut tällaista viitekehystä. Inertiaalinen viitekehys voidaan kuvata kolmiulotteisena koordinaatistona, joka on joko paikallaan tai tasaisessa lineaarisessa liikkeessä, eli se ei kiihdy tai pyöri. Hän havaitsi, että liike tällaisessa inertiaalisessa viitekehyksessä voidaan kuvata kolmella yksinkertaisella lailla.
Ensimmäinen liikelaki sanoo: ”Levossa oleva kappale pysyy levossa, ja liikkeessä oleva kappale pysyy liikkeessä, ellei siihen kohdistu ulkoista voimaa.” Tämä tarkoittaa yksinkertaisesti sitä, että asiat eivät voi käynnistyä, pysähtyä tai muuttaa suuntaa itsestään. Tarvitaan jokin ulkopuolelta vaikuttava voima, joka aiheuttaa tällaisen muutoksen. Tätä massiivisten kappaleiden ominaisuutta vastustaa muutoksia liiketilassaan kutsutaan joskus inertiaominaisuudeksi.
Liikkeen toinen laki kuvaa, mitä massiiviselle kappaleelle tapahtuu, kun siihen kohdistuu ulkoinen voima. Sen mukaan ”kappaleeseen vaikuttava voima on yhtä suuri kuin kappaleen massa kertaa sen kiihtyvyys”. Tämä kirjoitetaan matemaattisessa muodossa F = ma, jossa F on voima, m on massa ja a on kiihtyvyys. Lihavoidut kirjaimet osoittavat, että voima ja kiihtyvyys ovat vektorisuuruuksia, mikä tarkoittaa, että niillä on sekä suuruus että suunta. Voima voi olla yksittäinen voima tai se voi olla useamman kuin yhden voiman vektorisumma, joka on nettovoima, kun kaikki voimat on yhdistetty.
Kun massiiviseen kappaleeseen vaikuttaa vakiovoima, se saa sen kiihtymään eli muuttamaan nopeuttaan vakionopeudella. Yksinkertaisimmillaan levossa olevaan kappaleeseen kohdistuva voima saa sen kiihtymään voiman suuntaan. Jos kappale on kuitenkin jo liikkeessä tai jos tilannetta tarkastellaan liikkuvasta viitekehyksestä käsin, kappale saattaa näyttää nopeutuvan, hidastuvan tai vaihtavan suuntaa riippuen voiman suunnasta sekä siitä, mihin suuntaan kappale ja viitekehys liikkuvat toisiinsa nähden.
Kolmannessa liikkeen laissa sanotaan: ”Jokaiselle vaikutukselle on yhtä suuri ja vastakkainen reaktio.” Tämä laki kuvaa, mitä kappaleelle tapahtuu, kun se kohdistaa voiman toiseen kappaleeseen. Voimat esiintyvät aina pareittain, joten kun yksi kappale työntää toista vastaan, toinen kappale työntää takaisin yhtä voimakkaasti. Esimerkiksi kun työnnät kärryä, kärry työntyy takaisin sinua vasten; kun vedät köydestä, köysi vetää takaisin sinua vasten; kun painovoima vetää sinua maata vasten, maa työntyy ylös jalkojasi vasten; ja kun raketti sytyttää polttoaineensa takanaan, laajeneva pakokaasu työntää rakettia vasten, jolloin se kiihtyy.
Jos toinen esine on paljon, paljon massiivisempi kuin toinen, erityisesti jos ensimmäinen esine on ankkuroitu maahan, käytännössä kaikki kiihtyvyys välittyy toiseen esineeseen, ja ensimmäisen esineen kiihtyvyys voidaan turvallisesti jättää huomiotta. Jos esimerkiksi heittäisit pesäpallon länteen, sinun ei tarvitsisi ottaa huomioon, että itse asiassa aiheutit maapallon pyörimisnopeuden kiihtymisen, kun pallo oli ilmassa. Jos kuitenkin seisoisit rullaluistimilla ja heittäisit keilapallon eteenpäin, alkaisit liikkua taaksepäin huomattavalla nopeudella.
Kolme lakia on todennettu lukemattomilla kokeilla viimeisten kolmen vuosisadan aikana, ja niitä käytetään vielä tänäkin päivänä laajalti kuvaamaan sellaisia esineitä ja nopeuksia, joita kohtaamme jokapäiväisessä elämässä. Ne muodostavat perustan sille, mitä nykyään kutsutaan klassiseksi mekaniikaksi, joka tutkii massiivisia kohteita, jotka ovat suurempia kuin kvanttimekaniikan käsittelemät hyvin pienet mittakaavat ja jotka liikkuvat hitaammin kuin relativistisen mekaniikan käsittelemät hyvin suuret nopeudet.