Prawa ruchu Isaaca Newtona zostały po raz pierwszy przedstawione w jego Principia Mathematica Philosophiae Naturalis w 1687 roku. Pierwsze prawo mówi, że obiekt pozostaje w spoczynku lub porusza się ze stałą prędkością, o ile nie działa na niego siła zewnętrzna. Trzecie jest dobrze znaną (jeśli lekko niezrozumiałą) ideą, że każda akcja (siła) ma równą, ale przeciwną reakcję – jeśli naciskasz na drzwi, drzwi odepchną się od ciebie.
Drugie prawo jest tym, które mówi, jak obliczyć wartość siły. Siła (mierzona w Newtonach) jest jedną z podstawowych właściwości fizycznych systemu i występuje w wielu formach. Można ją odczuć jako pchanie lub ciągnięcie (siła mechaniczna), podczas gdy jest to wartość twojego ciężaru (siła grawitacyjna Ziemi ciągnąca cię za sobą) i może być widoczna w odpychaniu lub przyciąganiu magnesów lub ładunków elektrycznych (siła elektromagnetyczna). Siła może być wynikiem dowolnej liczby podstawowych oddziaływań fizycznych między kawałkami materii, ale drugie prawo Newtona pozwala na określenie, jak siła, gdy jest obecna, wpłynie na ruch obiektu.
W formie przedstawionej powyżej mówi, że siła (F) jest równa szybkości zmiany pędu (p) w odniesieniu do czasu (t). Małe „d” to notacja różniczkowa, kolejny wynalazek Newtona, który pojawia się w niezliczonych równaniach fizycznych i który pozwala matematycznie przewidzieć, jak coś się zmieni, gdy inny powiązany parametr będzie stopniowo zmieniany – w tym przypadku czas.
Momentum to masa (kilogramy) obiektu pomnożona przez jego prędkość (metry na sekundę). W większości sytuacji masa czegoś nie zmienia się w trakcie ruchu, więc równanie można uprościć do masy (m) pomnożonej przez szybkość zmiany prędkości, którą znamy jako przyspieszenie (a). To daje nam bardziej znaną z podręczników szkolnych wersję drugiego prawa: F=ma.
Jak reszta fizyki Newtona, drugie prawo ruchu trzyma się dla oszałamiającego szeregu codziennych sytuacji i jest koniem roboczym we współczesnej nauce i inżynierii. Sposób, w jaki prawie wszystko się porusza, można określić za pomocą jego praw ruchu – ile siły potrzeba, by rozpędzić pociąg, czy kula armatnia dosięgnie celu, jak poruszają się prądy powietrzne i oceaniczne lub czy samolot poleci, to wszystko zastosowania drugiego prawa Newtona. Użył on nawet praw ruchu, w połączeniu ze swoim uniwersalnym prawem grawitacji, aby wyjaśnić, dlaczego planety poruszają się tak, jak się poruszają.
Waga jest siłą, równą masie obiektu pomnożonej przez przyspieszenie grawitacyjne spowodowane przez Ziemię (równe 10 metrów na sekundę na sekundę), w kierunku środka planety. Powód, dla którego nie spadasz przez ziemię, jest oczywiście wyjaśniony przez trzecie prawo ruchu Newtona, które mówi, że powierzchnia Ziemi napiera na twoje stopy z siłą równą, ale przeciwną do twojego ciężaru.
Zmodyfikowana wersja drugiego prawa ma zastosowanie, gdy masa obiektu się zmienia, jak na przykład rakieta, która spala paliwo i staje się lżejsza, gdy wspina się przez atmosferę.
Wszyscy znamy drugie prawo w praktyce, jeśli nie w matematyce. Musisz wywierać większą siłę (a więc i więcej energii), aby przesunąć ciężki fortepian, niż aby przesunąć mały stołek po podłodze. Kiedy łapiesz szybko poruszającą się piłkę do krykieta, wiesz, że będzie bolało mniej, jeśli cofniesz rękę, gdy ją łapiesz – dając poruszającej się piłce więcej czasu na spowolnienie, twoja ręka musi wywierać mniejszą siłę przeciwną na piłkę.
Przykład z piłką do krykieta pokazuje, że siły nie tylko mają wielkość, ale działają w określonym kierunku. Siły należą do kategorii właściwości fizycznych, która obejmuje pęd i prędkość, zwanych wektorami. Te kontrastują ze skalarami, które mają wielkość, ale nie mają kierunku, na przykład temperatura lub masa.
F w drugim prawie Newtona odnosi się do siły netto działającej na obiekt. Ustalenie, co dzieje się z obiektem, na który działa kilka sił, wymaga zatem uwzględnienia zarówno kierunków, jak i wielkości każdej z sił. Dwie siły mogą mieć takie same rozmiary, ale jeśli są skierowane dokładnie naprzeciwko siebie, znoszą się do zera.
Gra w przeciąganie liny jest dobrym sposobem, aby o tym pomyśleć. Kiedy dwie drużyny ciągną w przeciwnych kierunkach, ruch liny (obliczony przez drugie prawo Newtona) będzie określony przez siłę netto na linie. Wielkość tej siły netto jest różnicą wielkości sił wywieranych przez oba zespoły. Kierunek siły netto będzie w kierunku tej drużyny, która ciągnie mocniej.
Do opisu atomów, a nawet mniejszych rzeczy, fizycy używają wersji siły i pędu w równaniach, które zawierają kwantowo-mechaniczne opisy czasu, jak również przestrzeni. W tej skali siły są matematycznymi produktami ubocznymi powstającymi, gdy fundamentalne cząstki materii, takie jak elektrony i kwarki, wymieniają się cząstkami takimi jak fotony, gluony lub cząstki W lub Z, które „przenoszą” siły i są zbiorczo znane jako bozony cechowania.
Drugie prawo Newtona działa jako sposób na opisanie ruchu wszystkiego w systemie mechaniki kwantowej tak długo, jak cząstki nie poruszają się z prędkością bliską prędkości światła.
Gdy obiekt porusza się z prędkością bliską prędkości światła, wkraczamy w obszar szczególnej względności, która mówi nam, że masa obiektu wzrośnie, gdy będzie się on poruszał szybciej. Musisz wziąć to pod uwagę przy obliczaniu sił przy tych prędkościach.
W rzeczywistości większość klasycznej fizyki Newtona musi zostać zmodyfikowana w ekstremalnych sytuacjach – drugie prawo nie jest dokładne, gdy obecne są ogromne siły grawitacyjne, wokół czarnej dziury lub w kontekście ogromnych mas całych galaktyk na przykład, gdzie ogólna względność przejmuje rolę jako najlepszy sposób na opisanie ruchu w systemie.
.