Cele trei legi ale mișcării ale lui Isaac Newton descriu mișcarea corpurilor masive și modul în care acestea interacționează. Deși legile lui Newton pot părea evidente pentru noi astăzi, acum mai bine de trei secole ele erau considerate revoluționare.
Newton a fost unul dintre cei mai influenți oameni de știință din toate timpurile. Ideile sale au devenit baza fizicii moderne. El s-a bazat pe ideile expuse în lucrările oamenilor de știință anteriori, inclusiv Galileo și Aristotel, și a reușit să demonstreze unele idei care în trecut fuseseră doar teorii. A studiat optica, astronomia și matematica – a inventat calculul. (Matematicianul german Gottfried Leibniz este, de asemenea, creditat că l-a dezvoltat în mod independent, cam în aceeași perioadă).
Newton este poate cel mai bine cunoscut pentru munca sa în studierea gravitației și a mișcării planetelor. Îndemnat de astronomul Edmond Halley după ce recunoscuse că pierduse dovada orbitelor eliptice cu câțiva ani înainte, Newton și-a publicat legile în 1687, în lucrarea sa fundamentală „Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica” (Principiile matematice ale filosofiei naturale), în care a formalizat descrierea modului în care corpurile masive se mișcă sub influența forțelor externe.
În formularea celor trei legi ale sale, Newton a simplificat tratarea corpurilor masive considerându-le puncte matematice fără dimensiune sau rotație. Acest lucru i-a permis să ignore factori precum frecarea, rezistența aerului, temperatura, proprietățile materialelor etc. și să se concentreze asupra fenomenelor care pot fi descrise doar în termeni de masă, lungime și timp. În consecință, cele trei legi nu pot fi folosite pentru a descrie cu precizie comportamentul obiectelor mari rigide sau deformabile; cu toate acestea, în multe cazuri, ele oferă aproximări suficient de exacte.
Legile lui Newton se referă la mișcarea corpurilor masive într-un cadru de referință inerțial, numit uneori cadru de referință newtonian, deși Newton însuși nu a descris niciodată un astfel de cadru de referință. Un cadru de referință inerțial poate fi descris ca un sistem de coordonate tridimensional care este fie staționar, fie în mișcare liniară uniformă, adică nu accelerează și nu se rotește. El a constatat că mișcarea într-un astfel de cadru de referință inerțial poate fi descrisă prin trei legi simple.
Prima lege a mișcării afirmă: „Un corp în repaus va rămâne în repaus, iar un corp în mișcare va rămâne în mișcare dacă nu este acționat de o forță exterioară”. Acest lucru înseamnă pur și simplu că lucrurile nu pot porni, opri sau schimba direcția singure. Este nevoie de o forță care să acționeze asupra lor din exterior pentru a provoca o astfel de schimbare. Această proprietate a corpurilor masive de a rezista schimbărilor în starea lor de mișcare se numește uneori inerție.
Cea de-a doua lege a mișcării descrie ce se întâmplă cu un corp masiv atunci când asupra sa acționează o forță exterioară. Ea afirmă: „Forța care acționează asupra unui obiect este egală cu masa acelui obiect înmulțită cu accelerația sa”. Acest lucru este scris în formă matematică sub forma F = ma, unde F este forța, m este masa și a este accelerația. Literele îngroșate indică faptul că forța și accelerația sunt cantități vectoriale, ceea ce înseamnă că ele au atât mărime, cât și direcție. Forța poate fi o singură forță sau poate fi suma vectorială a mai multor forțe, care este forța netă după ce toate forțele sunt combinate.
Când o forță constantă acționează asupra unui corp masiv, aceasta îl face să accelereze, adică să își modifice viteza, cu o rată constantă. În cel mai simplu caz, o forță aplicată unui obiect aflat în repaus face ca acesta să accelereze în direcția forței. Cu toate acestea, dacă obiectul este deja în mișcare sau dacă această situație este privită dintr-un cadru de referință în mișcare, corpul respectiv poate părea că accelerează, încetinește sau își schimbă direcția în funcție de direcția forței și de direcțiile în care obiectul și cadrul de referință se deplasează unul față de celălalt.
Cea de-a treia lege a mișcării afirmă: „Pentru fiecare acțiune, există o reacție egală și opusă”. Această lege descrie ce se întâmplă cu un corp atunci când acesta exercită o forță asupra altui corp. Forțele apar întotdeauna în perechi, astfel încât atunci când un corp împinge împotriva altui corp, cel de-al doilea corp împinge înapoi la fel de tare. De exemplu, atunci când împingi un cărucior, căruciorul împinge înapoi împotriva ta; atunci când tragi de o frânghie, frânghia trage înapoi împotriva ta; atunci când gravitația te trage în jos împotriva solului, solul împinge în sus împotriva picioarelor tale; iar atunci când o rachetă își aprinde combustibilul în spatele ei, gazele de eșapament în expansiune împing racheta, determinând-o să accelereze.
Dacă un obiect este mult, mult mai masiv decât celălalt, în special în cazul în care primul obiect este ancorat de Pământ, practic toată accelerația este transmisă celui de-al doilea obiect, iar accelerația primului obiect poate fi ignorată în siguranță. De exemplu, dacă aruncați o minge de baseball spre vest, nu trebuie să luați în considerare faptul că ați provocat, de fapt, accelerarea ușoară a rotației Pământului în timp ce mingea se afla în aer. Cu toate acestea, dacă ați sta pe patine cu rotile și ați arunca o minge de bowling în față, ați începe să vă deplasați înapoi cu o viteză vizibilă.
Cele trei legi au fost verificate prin nenumărate experimente de-a lungul ultimelor trei secole și sunt utilizate pe scară largă și în prezent pentru a descrie tipurile de obiecte și viteze pe care le întâlnim în viața de zi cu zi. Ele stau la baza a ceea ce se numește acum mecanica clasică, care este studiul obiectelor masive care sunt mai mari decât scările foarte mici abordate de mecanica cuantică și care se mișcă mai încet decât vitezele foarte mari abordate de mecanica relativistă.