Legile mișcării ale lui Isaac Newton au fost stabilite pentru prima dată în lucrarea Principia Mathematica Philosophiae Naturalis în 1687. Prima lege afirmă că un obiect va rămâne în repaus sau se va deplasa cu o viteză constantă, cu excepția cazului în care este acționat de o forță externă. A treia este ideea bine-cunoscută (deși ușor neînțeleasă) că orice acțiune (forță) are o reacție egală, dar opusă – dacă împingi o ușă, ușa se va împinge înapoi împotriva ta.
Cea de-a doua lege este cea care îți spune cum să calculezi valoarea unei forțe. Forța (măsurată în newtoni) este una dintre proprietățile fizice fundamentale ale unui sistem și se prezintă sub mai multe forme. S-ar putea să o simțiți ca o împingere sau o tragere (o forță mecanică), în timp ce este valoarea greutății dumneavoastră (forța gravitațională a Pământului care trage asupra dumneavoastră) și poate fi observată în repulsia sau atracția magneților sau a sarcinilor electrice (forța electromagnetică). O forță poate fi rezultatul oricărui număr de interacțiuni fizice fundamentale între bucăți de materie, dar a doua lege a lui Newton vă permite să calculați modul în care o forță, atunci când este prezentă, va afecta mișcarea unui obiect.
În forma ilustrată, mai sus, aceasta spune că forța (F) este egală cu rata de variație a impulsului (p) în raport cu timpul (t). „d”-urile mici reprezintă notația diferențială, o altă invenție newtoniană care apare în nenumărate ecuații fizice și care vă permite să preziceți matematic modul în care ceva se va schimba pe măsură ce un alt parametru conex este modificat în mod incremental – în acest caz, timpul.
Momentul este masa (kilograme) a unui obiect înmulțită cu viteza sa (metri pe secundă). În majoritatea situațiilor, masa unui obiect nu se modifică pe măsură ce se mișcă, astfel încât ecuația poate fi simplificată la masa (m) înmulțită cu rata de variație a vitezei, pe care o cunoaștem ca accelerație (a). Aceasta ne oferă versiunea mai familiară a celei de-a doua legi din manualele școlare: F=ma.
Ca și restul fizicii lui Newton, a doua lege a mișcării este valabilă pentru o gamă impresionantă de situații de zi cu zi și este un cal de bătaie în știința și ingineria modernă. Modul în care aproape orice se mișcă poate fi calculat cu ajutorul legilor sale ale mișcării – câtă forță va fi necesară pentru a accelera un tren, dacă o minge de tun va ajunge la țintă, cum se mișcă curenții de aer și oceanici sau dacă un avion va zbura sunt toate aplicații ale celei de-a doua legi a lui Newton. El a folosit chiar legile mișcării, combinate cu legea sa universală a gravitației, pentru a explica de ce planetele se mișcă așa cum o fac.
Puterea este o forță, egală cu masa unui obiect înmulțită cu accelerația gravitațională cauzată de Pământ (egală cu 10 metri pe secundă pe secundă), în direcția centrului planetei. Motivul pentru care nu cădeți prin pământ, bineînțeles, este explicat de cea de-a treia lege a mișcării a lui Newton, care spune că suprafața Pământului împinge împotriva picioarelor dumneavoastră cu o forță egală, dar opusă greutății dumneavoastră.
O versiune modificată a celei de-a doua legi se aplică atunci când masa unui obiect se schimbă, cum ar fi o rachetă, care arde combustibilul și devine mai ușoară pe măsură ce urcă prin atmosferă.
Cunoaștem cu toții a doua lege în practică, dacă nu și în matematică. Trebuie să exercitați mai multă forță (și, prin urmare, mai multă energie) pentru a mișca un pian cu coadă greu decât pentru a face să alunece un taburet mic pe podea. Când prindeți o minge de crichet care se mișcă rapid, știți că vă va durea mai puțin dacă vă mișcați brațul înapoi în timp ce o prindeți – dându-i mai mult timp mingii în mișcare să încetinească, mâna dvs. trebuie să exercite mai puțină forță opusă asupra mingii.
Exemplul mingii de crichet demonstrează că forțele nu numai că au o mărime, dar acționează într-o anumită direcție. Forțele aparțin unei categorii de proprietăți fizice, care include impulsul și viteza, cunoscute sub numele de vectori. Aceștia contrastează cu scalarii, care au o mărime, dar nu au direcție, de exemplu temperatura sau masa.
F din a doua lege a lui Newton se referă la forța netă care acționează asupra unui obiect. Prin urmare, pentru a calcula ce se întâmplă cu un obiect asupra căruia acționează mai multe forțe, este necesar să țineți cont atât de direcțiile, cât și de dimensiunile fiecărei forțe. Două forțe pot avea aceleași mărimi, dar, dacă sunt îndreptate direct opuse una față de cealaltă, ele se vor anula la zero.
Un joc de tras de mânecă este un mod bun de a vă gândi la acest lucru. Atunci când două echipe trag în direcții opuse, mișcarea frânghiei (așa cum este calculată prin a doua lege a lui Newton) va fi determinată de forța netă de pe frânghie. Dimensiunea acestei forțe nete reprezintă diferența dintre dimensiunile forțelor exercitate de cele două echipe. Direcția forței nete va fi în direcția acelei echipe care trage mai tare.
Pentru a descrie atomii și chiar lucruri mai mici, fizicienii folosesc versiuni ale forței și impulsului în ecuațiile care includ descrieri de mecanică cuantică ale timpului, precum și ale spațiului. La această scară, forțele sunt produse secundare matematice care apar atunci când particulele fundamentale ale materiei, cum ar fi electronii și quarcii, fac schimb de particule cum ar fi fotonii, gluonii sau particulele W sau Z, care „poartă” forțe și care sunt cunoscute în mod colectiv sub numele de bosoni gauge.
A doua lege a lui Newton funcționează ca o modalitate de a descrie mișcarea a tot ceea ce se află într-un sistem mecanic cuantic atâta timp cât particulele nu se mișcă aproape de viteza luminii.
Când un obiect se mișcă aproape de viteza luminii, intrăm în domeniul relativității speciale, care ne spune că masa unui obiect va crește pe măsură ce se mișcă mai repede. Trebuie să țineți cont de acest lucru atunci când calculați forțele la aceste viteze.
De fapt, cea mai mare parte a fizicii clasice a lui Newton trebuie să fie modificată în situații extreme – a doua lege nu este exactă atunci când sunt prezente forțe gravitaționale imense, în jurul unei găuri negre sau în contextul maselor uriașe ale unor galaxii întregi, de exemplu, unde relativitatea generală preia controlul ca fiind cea mai bună modalitate de a descrie mișcarea în cadrul unui sistem.
.