Isaac Newtons Bewegungsgesetze wurden erstmals 1687 in seiner Principia Mathematica Philosophiae Naturalis niedergelegt. Das erste Gesetz besagt, dass ein Objekt in Ruhe bleibt oder sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegt, wenn keine äußere Kraft auf es einwirkt. Das dritte Gesetz ist der bekannte (wenn auch leicht missverstandene) Gedanke, dass jede Aktion (Kraft) eine gleich große, aber entgegengesetzte Reaktion hat – wenn Sie auf eine Tür drücken, wird die Tür gegen Sie zurückstoßen.
Das zweite Gesetz sagt Ihnen, wie Sie den Wert einer Kraft berechnen können. Kraft (gemessen in Newton) ist eine der grundlegenden physikalischen Eigenschaften eines Systems und tritt in vielen Formen auf. Man spürt sie vielleicht als Druck oder Zug (mechanische Kraft), sie ist der Wert des eigenen Gewichts (die Anziehungskraft der Erde) und zeigt sich in der Abstoßung oder Anziehung von Magneten oder elektrischen Ladungen (elektromagnetische Kraft). Eine Kraft kann das Ergebnis einer beliebigen Anzahl grundlegender physikalischer Wechselwirkungen zwischen Teilen der Materie sein, aber das zweite Newtonsche Gesetz ermöglicht es, zu berechnen, wie eine Kraft, wenn sie vorhanden ist, die Bewegung eines Objekts beeinflusst.
In der oben abgebildeten Form besagt es, dass die Kraft (F) gleich der Änderungsrate des Impulses (p) in Bezug auf die Zeit (t) ist. Die kleinen „d“ sind eine weitere Newtonsche Erfindung, die in unzähligen physikalischen Gleichungen vorkommt und mit der man mathematisch vorhersagen kann, wie sich etwas ändert, wenn ein anderer verwandter Parameter schrittweise verändert wird – in diesem Fall die Zeit.
Der Impuls ist die Masse (Kilogramm) eines Objekts multipliziert mit seiner Geschwindigkeit (Meter pro Sekunde). In den meisten Situationen ändert sich die Masse eines Objekts nicht, wenn es sich bewegt, so dass die Gleichung vereinfacht werden kann zu Masse (m) multipliziert mit der Änderungsrate der Geschwindigkeit, die wir als Beschleunigung (a) kennen. Daraus ergibt sich die aus den Schulbüchern bekannte Version des zweiten Gesetzes: F=ma.
Wie der Rest der Newton’schen Physik gilt auch das zweite Bewegungsgesetz für eine erstaunliche Anzahl von Alltagssituationen und ist ein Arbeitspferd der modernen Wissenschaft und Technik. Wie viel Kraft nötig ist, um einen Zug zu beschleunigen, ob eine Kanonenkugel ihr Ziel erreicht, wie sich Luft- und Meeresströmungen bewegen oder ob ein Flugzeug fliegt – all das sind Anwendungen des zweiten Newtonschen Gesetzes. Er nutzte die Bewegungsgesetze in Verbindung mit seinem universellen Gravitationsgesetz sogar, um zu erklären, warum sich die Planeten so bewegen, wie sie es tun.
Das Gewicht ist eine Kraft, die gleich der Masse eines Objekts multipliziert mit der von der Erde verursachten Gravitationsbeschleunigung (gleich 10 Meter pro Sekunde pro Sekunde) in Richtung des Zentrums des Planeten ist. Der Grund dafür, dass du nicht durch den Boden fällst, wird durch Newtons drittes Bewegungsgesetz erklärt, das besagt, dass die Erdoberfläche mit einer Kraft gegen deine Füße drückt, die gleich groß, aber entgegengesetzt zu deinem Gewicht ist.
Eine modifizierte Version des zweiten Gesetzes gilt, wenn sich die Masse eines Objekts ändert, wie zum Beispiel bei einer Rakete, die Treibstoff verbrennt und leichter wird, während sie durch die Atmosphäre steigt.
Wir alle kennen das zweite Gesetz in der Praxis, wenn auch nicht in der Mathematik. Man muss mehr Kraft (und damit mehr Energie) aufwenden, um einen schweren Flügel zu bewegen, als um einen kleinen Hocker über den Boden zu schieben. Wenn du einen sich schnell bewegenden Kricketball fängst, weißt du, dass es weniger weh tut, wenn du deinen Arm beim Fangen zurücknimmst – indem du dem sich bewegenden Ball mehr Zeit gibst, langsamer zu werden, muss deine Hand weniger Gegenkraft auf den Ball ausüben.
Das Beispiel des Kricketballs zeigt, dass Kräfte nicht nur eine Größe haben, sondern auch in eine bestimmte Richtung wirken. Kräfte gehören zu einer Kategorie von physikalischen Eigenschaften, zu denen auch Impuls und Geschwindigkeit gehören, die als Vektoren bezeichnet werden. Sie stehen im Gegensatz zu Skalaren, die eine Größe, aber keine Richtung haben, z. B. Temperatur oder Masse.
Das F in Newtons zweitem Gesetz bezieht sich auf die Nettokraft, die auf ein Objekt wirkt. Um herauszufinden, was mit einem Objekt passiert, auf das mehrere Kräfte einwirken, muss man also sowohl die Richtung als auch die Größe der einzelnen Kräfte berücksichtigen. Zwei Kräfte können gleich groß sein, aber wenn sie sich direkt gegenüberliegen, heben sie sich auf.
Ein Tauziehen ist eine gute Möglichkeit, darüber nachzudenken. Wenn zwei Mannschaften in entgegengesetzte Richtungen ziehen, wird die Bewegung des Seils (gemäß dem zweiten Newtonschen Gesetz) durch die Nettokraft auf das Seil bestimmt. Die Größe dieser Nettokraft ist der Unterschied zwischen den Kräften, die von den beiden Mannschaften ausgeübt werden. Die Richtung der Nettokraft geht in die Richtung, in die das Team zieht, das stärker zieht.
Um Atome und noch kleinere Dinge zu beschreiben, verwenden Physiker Versionen von Kraft und Impuls in den Gleichungen, die quantenmechanische Beschreibungen von Zeit und Raum enthalten. Auf dieser Skala sind Kräfte die mathematischen Nebenprodukte, die entstehen, wenn fundamentale Materieteilchen wie Elektronen und Quarks Teilchen wie Photonen, Gluonen oder W- oder Z-Teilchen austauschen, die Kräfte „tragen“ und zusammen als Eichbosonen bekannt sind.
Newtons zweites Gesetz beschreibt die Bewegung von allem in einem quantenmechanischen System, solange sich die Teilchen nicht in der Nähe der Lichtgeschwindigkeit bewegen.
Wenn sich ein Objekt in der Nähe der Lichtgeschwindigkeit bewegt, kommen wir in den Bereich der speziellen Relativitätstheorie, die besagt, dass die Masse eines Objekts zunimmt, wenn es sich schneller bewegt. Dies muss bei der Berechnung der Kräfte bei diesen Geschwindigkeiten berücksichtigt werden.
In der Tat muss der größte Teil der klassischen Newton’schen Physik in extremen Situationen modifiziert werden – das zweite Gesetz ist nicht genau, wenn immense Gravitationskräfte vorhanden sind, z.B. um ein schwarzes Loch herum oder im Zusammenhang mit den riesigen Massen ganzer Galaxien, wo die allgemeine Relativitätstheorie die beste Möglichkeit zur Beschreibung der Bewegung innerhalb eines Systems darstellt.