アイザック・ニュートン卿の運動の3つの法則は、巨大な物体の運動とそれらがどのように相互作用するかを記述しています。 ニュートンの法則は、今日の私たちには明白に思えるかもしれませんが、3 世紀以上前には革命的と見なされていました。 彼のアイデアは、現代物理学の基礎となった。 彼は、ガリレオやアリストテレスを含む以前の科学者の作品から出されたアイデアの上に構築し、過去に理論でしかなかったいくつかのアイデアを証明することができたのです。 彼は光学、天文学、数学を研究し、微積分を発明した。 (ドイツの数学者ゴットフリート・ライプニッツもほぼ同時期に独自に微積分を開発したとされている)。
ニュートンは、おそらく重力と惑星の運動を研究したことで最もよく知られている。 数年前に楕円軌道の証明を失ったことを認めた後、天文学者エドモンド・ハレーに促され、ニュートンは1687年に彼の法則を発表し、彼の代表的な著作「自然哲学の数学的原理」（Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica）で、外力の影響下で巨大な物体がどのように動くかの記述を形式化しました。 これによって彼は、摩擦、空気抵抗、温度、材料の性質などの要因を無視し、質量、長さ、時間の点のみで記述できる現象に集中することができたのである。 その結果、3つの法則は大きな剛体や変形可能な物体の挙動を正確に記述するために使用することはできないが、多くの場合、それらは適切に正確な近似を提供する。
ニュートンの法則は、ニュートン自身がそのような参照フレームを記述することはないが、時々ニュートン参照フレームと呼ばれ、慣性参照フレーム内の巨大物体の運動に関するものである。 慣性基準枠とは、静止または一様な直線運動をしている3次元座標系、すなわち加速や回転をしていない座標系と言える。 彼は、このような慣性参照枠内の運動は、3つの単純な法則で記述できることを発見した。
運動の第一法則は、”静止している物体は静止したままであり、運動している物体は外力によって作用されない限り運動したままである。”と述べている。 これは簡単に言うと、物体はそれ自体で始動したり、停止したり、方向を変えたりすることはできない、ということです。 そのような変化を起こすには、外から何らかの力が作用する必要がある。 このように、巨大な物体が運動状態の変化に抵抗する性質を、「慣性」と呼ぶことがある。
運動の第二法則は、巨大な物体に外力が作用したとき、それがどうなるかを説明している。 それは、”物体に作用する力は、その物体の質量にその加速度を掛けたものに等しい “と述べている。 これを数学的に書くと、F＝maとなり、Fは力、mは質量、aは加速度である。 太字は力と加速度がベクトル量であることを示し、大きさと方向の両方を持つことを意味します。 力は1つの力であることもあれば、2つ以上の力のベクトル和であることもあり、これはすべての力を合わせた後の正味の力である。
質量体に一定の力が作用すると、その質量体は一定の速度で加速する、すなわち速度を変化させる。 最も単純なケースでは、静止している物体に加えられた力は、その力の方向に加速させる。 しかし、物体がすでに運動している場合、またはこの状況を移動する基準フレームから見た場合、力の方向と物体と基準フレームが互いに相対的に移動する方向に応じて、その物体が速くなったり遅くなったり、方向を変えたりして見える場合があります。
運動の第三法則は、”すべての作用には、等しく反対の反作用がある “と述べている。 この法則は、ある物体が別の物体に力を及ぼしたときに、その物体がどうなるかを説明している。 力は常に対で発生するので、ある体が他の体を押すと、2番目の体も同じように強く押し返します。 例えば、カートを押すとカートが押し返す、ロープを引っ張るとロープが押し返す、重力で地面に引きつけられると地面が足を押し上げる、ロケットが燃料に点火すると、膨張した排気ガスがロケットを押して加速させる、など。
一方の物体が他方の物体よりずっとずっと重い場合、特に最初の物体が地球に固定されている場合、事実上すべての加速度が2番目の物体に与えられ、最初の物体の加速度は安全に無視することができます。 例えば、西に向かって野球のボールを投げる場合、ボールが空中にある間に地球の自転がわずかに速くなったことを考慮する必要はないでしょう。 しかし、もしあなたがローラースケートの上に立っていて、ボーリング玉を前方に投げたとしたら、あなたは顕著な速度で後方に移動し始めるでしょう。
この3つの法則は、過去3世紀にわたって無数の実験によって検証され、現在でも、私たちが日常生活で遭遇する種類の物や速度を説明するために広く使われている。 これらは、量子力学が扱う非常に小さなスケールよりも大きく、相対論的力学が扱う非常に速い速度よりも遅い速度で動く巨大な物体の研究である、現在古典力学として知られているものの基礎を形成しているのである。