Sir Isaac Newton descrevem o movimento dos corpos maciços e como eles interagem. Embora as leis de Newton possam parecer-nos óbvias hoje em dia, há mais de três séculos eram consideradas revolucionárias.
Newton foi um dos cientistas mais influentes de todos os tempos. As suas ideias tornaram-se a base da física moderna. Ele construiu a partir de idéias apresentadas a partir de trabalhos de cientistas anteriores, incluindo Galileu e Aristóteles e foi capaz de provar algumas idéias que tinham sido apenas teorias no passado. Ele estudou ótica, astronomia e matemática – ele inventou o cálculo. (O matemático alemão Gottfried Leibniz também é creditado com o seu desenvolvimento independente, mais ou menos ao mesmo tempo).
Newton é talvez mais conhecido pelo seu trabalho no estudo da gravidade e do movimento dos planetas. Instado pelo astrônomo Edmond Halley após admitir ter perdido sua prova de órbitas elípticas alguns anos antes, Newton publicou suas leis em 1687, em seu trabalho seminal “Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica” (Princípios Matemáticos da Filosofia Natural) no qual ele formalizou a descrição de como os corpos maciços se movem sob a influência de forças externas.
Na formulação de suas três leis, Newton simplificou seu tratamento de corpos maciços considerando-os como pontos matemáticos sem tamanho ou rotação. Isto permitiu-lhe ignorar factores como atrito, resistência ao ar, temperatura, propriedades materiais, etc., e concentrar-se em fenómenos que podem ser descritos apenas em termos de massa, duração e tempo. Consequentemente, as três leis não podem ser usadas para descrever com precisão o comportamento de grandes objetos rígidos ou deformáveis; no entanto, em muitos casos, elas fornecem aproximações adequadamente precisas.
As leis de Newton dizem respeito ao movimento de corpos maciços em uma moldura de referência inercial, às vezes chamada de moldura de referência newtoniana, embora o próprio Newton nunca tenha descrito tal moldura de referência. Uma moldura de referência inercial pode ser descrita como um sistema de coordenadas tridimensionais que está estacionário ou em movimento linear uniforme, ou seja, não está acelerando ou girando. Ele descobriu que o movimento dentro de tal quadro de referência inercial pode ser descrito por três leis simples.
A Primeira Lei do Movimento diz: “Um corpo em repouso permanecerá em repouso, e um corpo em movimento permanecerá em movimento a menos que seja agido por uma força externa”. Isto significa simplesmente que as coisas não podem começar, parar, ou mudar de direção por si só. É necessária alguma força agindo sobre elas de fora para causar tal mudança. Essa propriedade dos corpos maciços de resistir às mudanças em seu estado de movimento é às vezes chamada de inércia.
A Segunda Lei do Movimento descreve o que acontece a um corpo maciço quando ele é agido por uma força externa. Ela afirma, “A força agindo sobre um objeto é igual à massa desse objeto vezes a sua aceleração”. Isto é escrito de forma matemática como F = ma, onde F é força, m é massa, e a é aceleração. As letras em negrito indicam que força e aceleração são quantidades vetoriais, o que significa que elas têm tanto a magnitude quanto a direção. A força pode ser uma única força, ou pode ser a soma vetorial de mais de uma força, que é a força líquida depois que todas as forças são combinadas.
Quando uma força constante actua sobre um corpo maciço, faz com que este acelere, ou seja, altere a sua velocidade, a uma velocidade constante. No caso mais simples, uma força aplicada a um objeto em repouso, faz com que ele acelere na direção da força. Entretanto, se o objeto já estiver em movimento, ou se essa situação for vista a partir de um quadro de referência em movimento, esse corpo pode parecer acelerar, diminuir ou mudar de direção dependendo da direção da força e das direções em que o objeto e o quadro de referência estão se movendo em relação um ao outro.
A Terceira Lei do Movimento diz, “Para cada ação, há uma reação igual e oposta”. Esta lei descreve o que acontece a um corpo quando ele exerce uma força sobre outro corpo. Forças sempre ocorrem em pares, então quando um corpo empurra contra outro, o segundo corpo empurra para trás com a mesma força. Por exemplo, quando você empurra um carrinho, o carrinho empurra para trás contra você; quando você puxa uma corda, a corda puxa para trás contra você; quando a gravidade puxa você para baixo contra o chão, o chão empurra para cima contra seus pés; e quando um foguete inflama seu combustível atrás dele, o gás de exaustão em expansão empurra o foguete fazendo com que ele acelere.
Se um objeto é muito, muito mais maciço que o outro, particularmente no caso do primeiro objeto estar ancorado à Terra, praticamente toda a aceleração é transmitida ao segundo objeto, e a aceleração do primeiro objeto pode ser seguramente ignorada. Por exemplo, se você fosse jogar uma bola de beisebol para o oeste, você não teria que considerar que você realmente fez com que a rotação da Terra acelerasse tão levemente enquanto a bola estava no ar. No entanto, se você estivesse de pé em patins e atirasse uma bola de boliche para frente, você começaria a andar para trás a uma velocidade perceptível.
As três leis foram verificadas por inúmeras experiências ao longo dos últimos três séculos, e ainda hoje estão sendo amplamente usadas para descrever os tipos de objetos e velocidades que encontramos na vida cotidiana. Elas formam a base do que é hoje conhecido como mecânica clássica, que é o estudo de objetos maciços que são maiores que as escalas muito pequenas abordadas pela mecânica quântica e que se movem mais lentamente que as velocidades muito altas abordadas pela mecânica relativista.