De drie bewegingswetten van Sir Isaac Newton beschrijven de beweging van massieve lichamen en hoe ze op elkaar inwerken. Hoewel Newtons wetten vandaag de dag voor de hand liggen, werden ze meer dan drie eeuwen geleden als revolutionair beschouwd.
Newton was een van de invloedrijkste wetenschappers aller tijden. Zijn ideeën werden de basis voor de moderne fysica. Hij bouwde voort op ideeën uit het werk van eerdere wetenschappers, waaronder Galileo en Aristoteles, en kon een aantal ideeën bewijzen die in het verleden slechts theorieën waren geweest. Hij bestudeerde optica, astronomie en wiskunde – hij vond de calculus uit. (De Duitse wiskundige Gottfried Leibniz wordt ook gecrediteerd voor de onafhankelijke ontwikkeling ervan in ongeveer dezelfde tijd).
Newton is wellicht het meest bekend om zijn werk in de studie van de zwaartekracht en de beweging van planeten. Aangespoord door de astronoom Edmond Halley, nadat hij had toegegeven dat hij zijn bewijs voor elliptische banen een paar jaar eerder was kwijtgeraakt, publiceerde Newton zijn wetten in 1687, in zijn baanbrekende werk “Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica” (Wiskundige beginselen van de natuurfilosofie) waarin hij de beschrijving van hoe massieve lichamen bewegen onder invloed van externe krachten formaliseerde.
Bij het formuleren van zijn drie wetten vereenvoudigde Newton zijn behandeling van massieve lichamen door ze te beschouwen als wiskundige punten zonder grootte of draaiing. Hierdoor kon hij factoren als wrijving, luchtweerstand, temperatuur, materiaaleigenschappen, enz. negeren en zich concentreren op verschijnselen die uitsluitend in termen van massa, lengte en tijd kunnen worden beschreven. Bijgevolg kunnen de drie wetten niet worden gebruikt om het gedrag van grote stijve of vervormbare voorwerpen nauwkeurig te beschrijven; maar in veel gevallen geven zij voldoende nauwkeurige benaderingen.
De wetten van Newton hebben betrekking op de beweging van massieve lichamen in een inertiaal referentiekader, dat soms een Newtons referentiekader wordt genoemd, hoewel Newton zelf nooit zo’n referentiekader heeft beschreven. Een inertiaal referentiekader kan worden omschreven als een 3-dimensionaal coördinatenstelsel dat ofwel stationair is ofwel in uniforme lineaire beweging, d.w.z. dat het niet versnelt of roteert. Hij ontdekte dat beweging binnen zo’n inertiaal referentiekader kan worden beschreven door drie eenvoudige wetten.
De eerste bewegingswet stelt: “Een lichaam in rust blijft in rust, en een lichaam in beweging blijft in beweging tenzij er een externe kracht op wordt uitgeoefend.” Dit betekent simpelweg dat dingen niet uit zichzelf kunnen starten, stoppen, of van richting veranderen. Er is een kracht van buitenaf voor nodig om zo’n verandering te veroorzaken. Deze eigenschap van massieve lichamen om zich te verzetten tegen veranderingen in hun bewegingstoestand wordt ook wel traagheid genoemd.
De tweede bewegingswet beschrijft wat er met een massief lichaam gebeurt als er een kracht van buitenaf op wordt uitgeoefend. Zij stelt: “De kracht die op een voorwerp werkt is gelijk aan de massa van dat voorwerp maal zijn versnelling.” Dit wordt in wiskundige vorm geschreven als F = ma, waarbij F de kracht is, m de massa en a de versnelling. De vette letters geven aan dat kracht en versnelling vectorgrootheden zijn, wat betekent dat ze zowel een grootte als een richting hebben. De kracht kan één enkele kracht zijn, of de vectorsom van meer dan één kracht, die de nettokracht is nadat alle krachten zijn gecombineerd.
Wanneer een constante kracht op een massief lichaam werkt, veroorzaakt deze een versnelling, d.w.z. een verandering van de snelheid, met een constante snelheid. In het eenvoudigste geval leidt een kracht op een voorwerp in rust ertoe dat het versnelt in de richting van de kracht. Indien het voorwerp echter reeds in beweging is, of indien deze situatie wordt bekeken vanuit een bewegend referentiekader, kan het lijken alsof dit voorwerp versnelt, vertraagt, of van richting verandert, afhankelijk van de richting van de kracht en de richtingen waarin het voorwerp en het referentiekader ten opzichte van elkaar bewegen.
De derde bewegingswet stelt: “Voor elke actie is er een gelijke en tegengestelde reactie.” Deze wet beschrijft wat er met een lichaam gebeurt als het een kracht uitoefent op een ander lichaam. Krachten komen altijd in paren voor, dus als een lichaam tegen een ander lichaam duwt, duwt het tweede lichaam net zo hard terug. Bijvoorbeeld, als je een kar duwt, duwt de kar tegen je; als je aan een touw trekt, trekt het touw tegen je; als de zwaartekracht je tegen de grond trekt, duwt de grond tegen je voeten; en als een raket zijn brandstof achter zich ontsteekt, duwt het expanderende uitlaatgas tegen de raket, waardoor deze versnelt.
Als het ene voorwerp veel en veel massiever is dan het andere, vooral in het geval dat het eerste voorwerp aan de aarde verankerd is, gaat vrijwel alle versnelling naar het tweede voorwerp, en kan de versnelling van het eerste voorwerp veilig worden genegeerd. Als je bijvoorbeeld een honkbal naar het westen zou gooien, hoef je er geen rekening mee te houden dat je de draaiing van de Aarde een klein beetje versnelt terwijl de bal in de lucht is. Als je echter op rolschaatsen stond en een bowlingbal naar voren gooide, zou je met een merkbare snelheid naar achteren gaan bewegen.
De drie wetten zijn in de afgelopen drie eeuwen door talloze experimenten geverifieerd, en ze worden tot op de dag van vandaag op grote schaal gebruikt om de soorten voorwerpen en snelheden te beschrijven die we in het dagelijks leven tegenkomen. Zij vormen de basis van wat nu bekend staat als de klassieke mechanica, die de studie is van massieve voorwerpen die groter zijn dan de zeer kleine schalen waarop de kwantummechanica zich richt, en die zich langzamer verplaatsen dan de zeer hoge snelheden waarop de relativistische mechanica zich richt.