Sir Isaac Newtonin kolme liikelakia kuvaavat massiivisten kappaleiden liikettä ja niiden vuorovaikutusta. Vaikka Newtonin lait saattavat tuntua meistä itsestään selviltä nykyään, yli kolmesataa vuotta sitten niitä pidettiin vallankumouksellisina.
Newton oli yksi kaikkien aikojen vaikutusvaltaisimmista tiedemiehistä. Hänen ajatuksistaan tuli modernin fysiikan perusta. Hän perustui ajatuksiin esitetään teosten aiempien tutkijoiden mukaan lukien Galileo ja Aristoteles ja pystyi todistamaan joitakin ajatuksia, jotka olivat vain teorioita aiemmin. Hän opiskeli optiikkaa, tähtitiedettä ja matematiikkaa — hän keksi laskennan. (Saksalaisen matemaatikon Gottfried Leibnizin katsotaan myös kehittäneen sen itsenäisesti samoihin aikoihin.)
Newton tunnetaan ehkä parhaiten työstään painovoiman ja planeettojen liikkeen tutkimisessa. Tähtitieteilijä Edmond Halleyn kehotuksesta myönnettyään menettäneensä todisteensa elliptisistä radoista muutamaa vuotta aiemmin Newton julkaisi lakinsa vuonna 1687 uraauurtavassa teoksessaan ”Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica” (luonnonfilosofian matemaattiset periaatteet), jossa hän virallisti kuvauksen siitä, miten massiiviset kappaleet liikkuvat ulkoisten voimien vaikutuksesta.
muotoillessaan kolmea lakiaan Newton yksinkertaisti massiivisten kappaleiden käsittelyään pitämällä niitä matemaattisina pisteinä, joilla ei ole kokoa tai rotaatiota. Tämä antoi hänelle mahdollisuuden sivuuttaa sellaiset tekijät kuin kitka, ilmanvastus, lämpötila, materiaalin ominaisuudet jne., ja keskittyä ilmiöihin, joita voidaan kuvata pelkästään massan, pituuden ja ajan suhteen. Näin ollen näitä kolmea lakia ei voida käyttää kuvaamaan tarkasti suurten jäykkien tai muotoutuvien kappaleiden käyttäytymistä, mutta monissa tapauksissa ne antavat sopivan tarkkoja likiarvoja.
Newtonin lait koskevat massiivisten kappaleiden liikettä inertiaalisessa viitekehyksessä, jota joskus kutsutaan Newtonilaiseksi viitekehykseksi, vaikka Newton itse ei koskaan kuvannut tällaista viitekehystä. Inertiaalivertailukehys voidaan kuvata 3-ulotteisena koordinaatistona, joka on joko stationäärinen tai yhtenäisessä lineaarisessa liikkeessä. eli se ei kiihdy tai pyöri. Hän havaitsi, että liikettä tällaisen inertiaalisen viitekehyksen sisällä voitaisiin kuvata kolmella yksinkertaisella lailla.
ensimmäisen Liikelain mukaan ”levossa oleva kappale pysyy levossa, ja liikkeessä oleva kappale pysyy liikkeessä, ellei siihen vaikuta jokin ulkoinen voima.”Tämä tarkoittaa yksinkertaisesti sitä, että asiat eivät voi alkaa, pysähtyä tai muuttaa suuntaa itsestään. Sellaisen muutoksen aikaansaaminen vaatii jonkin voiman, joka vaikuttaa heihin ulkopuolelta. Tätä massiivisten kappaleiden ominaisuutta vastustaa muutoksia niiden liikkumistilassa kutsutaan joskus inertiaksi.
liikkeen toinen laki kuvaa, mitä massiiviselle kappaleelle tapahtuu, kun siihen kohdistuu ulkoinen voima. Siinä sanotaan: ”kappaleeseen vaikuttava voima on yhtä suuri kuin kappaleen massa kertaa sen kiihtyvyys.”Tämä kirjoitetaan matemaattisessa muodossa F = ma, missä F on voima, m on massa ja a on kiihtyvyys. Lihavoidut kirjaimet osoittavat, että voima ja kiihtyvyys ovat vektorisuureita, eli niillä on sekä suuruus että suunta. Voima voi olla yksittäinen voima tai se voi olla useamman kuin yhden voiman vektorisumma, joka on nettovoima kaikkien voimien yhdistämisen jälkeen.
kun vakion voima vaikuttaa massiiviseen kappaleeseen, se saa sen kiihtymään eli muuttamaan nopeuttaan vakionopeudella. Yksinkertaisimmassa tapauksessa levossa olevaan kappaleeseen kohdistettu voima saa sen kiihtymään voiman suuntaan. Jos kappale on kuitenkin jo liikkeessä tai jos tätä tilannetta tarkastellaan liikkuvasta viitekehyksestä, kyseinen kappale saattaa näyttää kiihdyttävän, hidastavan tai muuttavan suuntaa riippuen voiman suunnasta ja siitä, mihin suuntiin kappale ja viitekehys liikkuvat suhteessa toisiinsa.
kolmas Liikelaki toteaa: ”jokaiselle aktiolle on yhtä suuri ja vastakkainen reaktio.”Tämä laki kuvaa, mitä ruumiille tapahtuu, kun se kohdistaa voiman toiseen ruumiiseen. Voimat tapahtuvat aina pareittain, joten kun toinen keho puskee toista vastaan, toinen puskee yhtä kovaa takaisin. Esimerkiksi kun työnnät kärryä, kärry työntyy takaisin sinua vasten; kun vedät köyttä, köysi vetää takaisin sinua vasten; kun painovoima vetää sinua maata vasten, maa työntää jalkojasi vasten; ja kun raketti sytyttää polttoaineensa sen takana, laajeneva pakokaasu työntää rakettia ja kiihdyttää sitä.
Jos toinen kappale on paljon, paljon massiivisempi kuin toinen, varsinkin jos ensimmäinen kappale on ankkuroitu maahan, käytännössä kaikki kiihtyvyys välittyy toiselle kappaleelle, ja ensimmäisen kappaleen kiihtyvyys voidaan turvallisesti sivuuttaa. Jos esimerkiksi heittäisit pesäpallon länteen, sinun ei tarvitsisi ajatella, että todellisuudessa sait maan pyörimisen kiihtymään niin vähän pallon ollessa ilmassa. Jos kuitenkin seisoisit rullaluistimilla ja heittäisit keilapalloa eteenpäin, alkaisit liikkua taaksepäin huomattavalla nopeudella.
nämä kolme lakia on vahvistettu lukemattomilla kokeilla viimeisen kolmen vuosisadan aikana, ja niitä käytetään edelleen laajalti kuvaamaan sitä, millaisia esineitä ja nopeuksia kohtaamme jokapäiväisessä elämässä. Ne muodostavat perustan niin sanotulle klassiselle mekaniikalle, jossa tutkitaan massiivisia kappaleita, jotka ovat suurempia kuin kvanttimekaniikan käsittelemät hyvin pienet asteikot ja jotka liikkuvat hitaammin kuin relativistisen mekaniikan käsittelemät hyvin suuret nopeudet.