Sir Isaac Newtons tre rörelselagar beskriver rörelsen hos massiva kroppar och hur de samverkar. Även om Newtons lagar kan verka självklara för oss i dag, ansågs de för mer än tre århundraden sedan vara revolutionerande.
Newton var en av de mest inflytelserika vetenskapsmännen genom tiderna. Hans idéer blev grunden för den moderna fysiken. Han byggde på idéer som lagts fram av tidigare vetenskapsmän, däribland Galileo och Aristoteles, och kunde bevisa vissa idéer som tidigare bara hade varit teorier. Han studerade optik, astronomi och matematik – han uppfann kalkylen. (Den tyske matematikern Gottfried Leibniz anses också ha utvecklat den självständigt vid ungefär samma tidpunkt).
Newton är kanske mest känd för sitt arbete med att studera gravitationen och planeternas rörelse. På uppmaning av astronomen Edmond Halley efter att ha erkänt att han hade förlorat sitt bevis för elliptiska banor några år tidigare, publicerade Newton sina lagar 1687 i sitt banbrytande arbete ”Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica” (Matematiska principer för naturfilosofin) där han formaliserade beskrivningen av hur massiva kroppar rör sig under påverkan av yttre krafter.
När Newton formulerade sina tre lagar förenklade han sin behandling av massiva kroppar genom att betrakta dem som matematiska punkter utan storlek eller rotation. Detta gjorde det möjligt för honom att bortse från faktorer som friktion, luftmotstånd, temperatur, materialegenskaper osv. och koncentrera sig på fenomen som kan beskrivas enbart i termer av massa, längd och tid. Följaktligen kan de tre lagarna inte användas för att exakt beskriva beteendet hos stora stela eller deformerbara föremål, men i många fall ger de lämpligt noggranna approximationer.
Newtons lagar gäller rörelsen hos massiva kroppar i en tröghetsreferensram, som ibland kallas Newtons referensram, även om Newton själv aldrig beskrev en sådan referensram. En tröghetsreferensram kan beskrivas som ett tredimensionellt koordinatsystem som antingen är stationärt eller i enhetlig linjär rörelse, dvs. det accelererar eller roterar inte. Han fann att rörelsen inom en sådan tröghetsreferensram kunde beskrivas av tre enkla lagar.
Den första rörelselagen säger: ”En kropp i vila förblir i vila, och en kropp i rörelse förblir i rörelse om den inte påverkas av en yttre kraft”. Detta innebär helt enkelt att saker och ting inte kan starta, stanna eller ändra riktning av sig själva. Det krävs en kraft som verkar på dem utifrån för att orsaka en sådan förändring. Denna egenskap hos massiva kroppar att motstå förändringar i sitt rörelsetillstånd kallas ibland för tröghet.
Den andra rörelselagen beskriver vad som händer med en massiv kropp när den påverkas av en yttre kraft. Den lyder: ”Den kraft som verkar på ett föremål är lika med föremålets massa gånger dess acceleration”. Detta skrivs i matematisk form som F = ma, där F är kraft, m är massa och a är acceleration. De feta bokstäverna visar att kraft och acceleration är vektormängder, vilket innebär att de har både storlek och riktning. Kraften kan vara en enskild kraft eller vektorsumman av fler än en kraft, vilket är nettokraften efter att alla krafter har kombinerats.
När en konstant kraft verkar på en massiv kropp får den den att accelerera, det vill säga ändra sin hastighet, med en konstant hastighet. I det enklaste fallet får en kraft som appliceras på ett föremål i vila det att accelerera i kraftriktningen. Men om objektet redan är i rörelse, eller om denna situation betraktas från en rörlig referensram, kan kroppen tyckas accelerera, sakta ner eller ändra riktning beroende på kraftens riktning och de riktningar som objektet och referensramen rör sig i förhållande till varandra.
Den tredje rörelselagen säger: ”För varje handling finns det en lika stor och motsatt reaktion”. Denna lag beskriver vad som händer med en kropp när den utövar en kraft på en annan kropp. Krafter uppstår alltid i par, så när en kropp trycker mot en annan trycker den andra kroppen tillbaka lika hårt. När du t.ex. skjuter en vagn trycker vagnen tillbaka mot dig, när du drar i ett rep drar repet tillbaka mot dig, när gravitationen drar dig ner mot marken trycker marken upp mot dina fötter, och när en raket tänder sitt bränsle bakom sig trycker de expanderande avgaserna på raketen, vilket gör att den accelererar.
Om det ena objektet är mycket, mycket mer massivt än det andra, särskilt när det första objektet är förankrat i jorden, överförs praktiskt taget all acceleration till det andra objektet, och accelerationen hos det första objektet kan säkert ignoreras. Om du till exempel kastar en baseboll åt väster behöver du inte tänka på att du faktiskt får jordens rotation att accelerera något medan bollen är i luften. Om du däremot stod på rullskridskor och kastade en bowlingboll framåt skulle du börja röra dig bakåt med en märkbar hastighet.
De tre lagarna har verifierats genom otaliga experiment under de senaste tre århundradena, och de används fortfarande i stor utsträckning än i dag för att beskriva de typer av föremål och hastigheter som vi möter i vardagen. De utgör grunden för det som nu är känt som klassisk mekanik, som är studiet av massiva objekt som är större än de mycket små skalor som behandlas av kvantmekaniken och som rör sig långsammare än de mycket höga hastigheter som behandlas av den relativistiska mekaniken.