Isaac Newtons bevægelseslove blev første gang fastlagt i hans Principia Mathematica Philosophiae Naturalis i 1687. Den første lov fastslår, at en genstand forbliver i hvile eller bevæger sig med en konstant hastighed, medmindre den påvirkes af en ydre kraft. Den tredje er den velkendte (om end lettere misforståede) idé om, at enhver handling (kraft) har en lige stor, men modsatrettet reaktion – hvis du skubber på en dør, vil døren skubbe tilbage mod dig.
Den anden lov er den, der fortæller dig, hvordan du kan beregne værdien af en kraft. Kraften (målt i newton) er en af de grundlæggende fysiske egenskaber ved et system og findes i mange former. Du kan måske mærke den som et skub eller træk (en mekanisk kraft), mens den er værdien af din vægt (jordens tyngdekraft, der trækker på dig) og kan ses i afstødning eller tiltrækning af magneter eller elektriske ladninger (elektromagnetisk kraft). En kraft kan være resultatet af en række grundlæggende fysiske vekselvirkninger mellem stofstykker, men Newtons anden lov giver dig mulighed for at regne ud, hvordan en kraft, når den er til stede, vil påvirke et objekts bevægelse.
I den ovenfor afbildede form siger den, at kraft (F) er lig med ændringshastigheden af impulsen (p) med hensyn til tiden (t). De små “d “s er differential notation, en anden newtonske opfindelse, der optræder i utallige fysiske ligninger, og som gør det muligt matematisk at forudsige, hvordan noget vil ændre sig, når en anden relateret parameter ændres gradvist – i dette tilfælde tiden.
Momentum er et objekts masse (kilogram) ganget med dets hastighed (meter pr. sekund). I de fleste situationer ændres massen af noget ikke, når det bevæger sig, så ligningen kan forenkles til masse (m) ganget med hastighedsændringshastigheden, som vi kender som acceleration (a). Det giver os den mere velkendte version af den anden lov, som vi kender fra skolebøgerne: F=ma.
Som resten af Newtons fysik gælder den anden bevægelseslov for en lang række hverdagssituationer og er en arbejdshest i moderne videnskab og teknik. Den måde, hvorpå næsten alting bevæger sig, kan udregnes ved hjælp af hans bevægelseslove – hvor meget kraft der skal til for at accelerere et tog, om en kanonkugle når sit mål, hvordan luft- og havstrømme bevæger sig, eller om et fly vil flyve, er alle anvendelser af Newtons anden lov. Han brugte endda bevægelseslovene kombineret med sin universelle gravitationslov til at forklare, hvorfor planeter bevæger sig, som de gør.
Vægt er en kraft, der er lig med en genstands masse ganget med den gravitationsacceleration, som jorden forårsager (svarende til 10 meter pr. sekund pr. sekund), i retning af planetens centrum. Grunden til, at du ikke falder gennem jorden, forklares naturligvis af Newtons tredje bevægelseslov, som siger, at jordens overflade skubber op mod dine fødder med en kraft, der er lig med, men modsat din vægt.
En modificeret udgave af den anden lov gælder, når massen af et objekt ændrer sig, f.eks. en raket, der forbrænder brændstof og bliver lettere, når den stiger op gennem atmosfæren.
Vi kender alle den anden lov i praksis, hvis ikke i matematikken. Man skal udøve mere kraft (og dermed mere energi) for at flytte et tungt flygel end for at glide en lille skammel hen over gulvet. Når du fanger en cricketbold, der bevæger sig hurtigt, ved du, at det vil gøre mindre ondt, hvis du bevæger din arm tilbage, mens du fanger den – ved at give den bevægende bold mere tid til at bremse op skal din hånd udøve mindre modkraft på bolden.
Cricketboldeksemplet viser, at kræfter ikke blot har en størrelse, men også virker i en bestemt retning. Kræfter hører til en kategori af fysiske egenskaber, som også omfatter momentum og hastighed, og som kaldes vektorer. Disse står i modsætning til skalarer, som har en størrelse, men ingen retning, f.eks. temperatur eller masse.
F’et i Newtons anden lov henviser til den nettokraft, der virker på et objekt. Hvis man skal regne ud, hvad der sker med en genstand, som har flere kræfter, der virker på den, skal man derfor tage hensyn til både retningerne og størrelserne af hver enkelt kraft. To kræfter kan have samme størrelse, men hvis de er rettet direkte mod hinanden, vil de ophæve hinanden til nul.
En leg med tovtrækning er en god måde at tænke over dette på. Når to hold trækker i modsatte retninger, vil tovets bevægelse (som beregnet ved Newtons anden lov) blive bestemt af nettokraften på tovet. Størrelsen af denne nettokraft er forskellen i størrelsen af de kræfter, der udøves af de to hold. Nettokraftens retning vil være i retning af det hold, der trækker mest.
For at beskrive atomer og endnu mindre ting bruger fysikere versioner af kraft og momentum i ligningerne, der omfatter kvantemekaniske beskrivelser af tid såvel som rum. På denne skala er kræfter de matematiske biprodukter, der opstår, når materiens fundamentale partikler, såsom elektroner og kvarker, udveksler partikler såsom fotoner, gluoner eller W- eller Z-partikler, der “bærer” kræfter og er kollektivt kendt som gauge bosoner.
Newtons anden lov fungerer som en måde at beskrive bevægelsen af alt i et kvantemekanisk system på, så længe partiklerne ikke bevæger sig i nærheden af lysets hastighed.
Når et objekt bevæger sig tæt på lysets hastighed, kommer vi ind på den specielle relativitetsteori, som fortæller os, at massen af et objekt vil stige, når det bevæger sig hurtigere. Det skal man tage højde for, når man beregner kræfter ved disse hastigheder.
I virkeligheden skal det meste af Newtons klassiske fysik ændres i ekstreme situationer – den anden lov er ikke korrekt, når der er enorme gravitationskræfter til stede, omkring et sort hul eller i forbindelse med de enorme masser af hele galakser for eksempel, hvor den generelle relativitetsteori tager over som den bedste måde at beskrive bevægelsen i et system.