Isaac Newtons rörelselagar fastställdes för första gången i Principia Mathematica Philosophiae Naturalis 1687. Den första lagen säger att ett föremål förblir i vila eller rör sig med konstant hastighet om det inte påverkas av en yttre kraft. Den tredje är den välkända (om än lätt missförstådda) idén att varje handling (kraft) har en lika stor men motsatt reaktion – om du trycker på en dörr kommer dörren att trycka tillbaka mot dig.
Den andra lagen är den som talar om hur man beräknar värdet av en kraft. Kraft (mätt i Newton) är en av de grundläggande fysiska egenskaperna hos ett system och finns i många former. Du kan känna den som en knuff eller dragning (en mekanisk kraft), medan den är värdet av din vikt (jordens gravitationskraft som drar på dig) och kan ses i avstötning eller attraktion av magneter eller elektriska laddningar (elektromagnetisk kraft). En kraft kan vara resultatet av ett antal grundläggande fysiska interaktioner mellan materiebitar, men Newtons andra lag gör det möjligt att räkna ut hur en kraft, när den är närvarande, kommer att påverka ett föremåls rörelse.
I den avbildade formen ovan står det att kraft (F) är lika med förändringshastigheten för rörelsemängd (p) med avseende på tid (t). De små ”d” är differentialnotering, ett annat newtonskt påfund som förekommer i otaliga fysikaliska ekvationer och som gör det möjligt att matematiskt förutsäga hur något kommer att förändras när en annan relaterad parameter ändras stegvis – i det här fallet tiden.
Momentum är massan (kilogram) av ett föremål multiplicerat med dess hastighet (meter per sekund). I de flesta situationer förändras inte massan av något när det rör sig så ekvationen kan förenklas till massa (m) multiplicerat med hastighetsförändringen, som vi känner till som acceleration (a). Detta ger oss den mer välkända versionen av den andra lagen i skolböckerna: F=ma.
Som resten av Newtons fysik håller den andra rörelselagen för en häpnadsväckande mängd vardagliga situationer och är en arbetshäst inom modern vetenskap och teknik. Hur nästan allting rör sig kan beräknas med hjälp av hans rörelselagar – hur mycket kraft som krävs för att accelerera ett tåg, om en kanonkula kommer att nå sitt mål, hur luft- och havsströmmar rör sig eller om ett flygplan kommer att flyga är alla tillämpningar av Newtons andra lag. Han använde till och med rörelselagarna, i kombination med sin universella gravitationslag, för att förklara varför planeter rör sig som de gör.
Vikt är en kraft, som är lika med ett föremåls massa multiplicerad med den gravitationsacceleration som orsakas av jorden (lika med 10 meter per sekund per sekund), i riktning mot planetens centrum. Anledningen till att du inte faller genom marken förklaras naturligtvis av Newtons tredje rörelselag, som säger att jordens yta trycker upp mot dina fötter med en kraft som är lika stor men motsatt din vikt.
En modifierad version av den andra lagen gäller när ett föremåls massa förändras, t.ex. en raket, som förbränner bränsle och blir lättare när den klättrar upp genom atmosfären.
Vi känner alla till den andra lagen i praktiken, om än inte i matematiken. Man måste utöva mer kraft (och därmed mer energi) för att flytta en tung flygel än för att glida en liten pall över golvet. När du fångar en cricketboll som rör sig snabbt vet du att det gör mindre ont om du rör din arm bakåt när du fångar den – genom att ge den rörliga bollen mer tid att sakta ner måste din hand utöva mindre motverkande kraft på bollen.
Exemplet med cricketbollen visar att krafter inte bara har en storlek utan också verkar i en viss riktning. Krafter tillhör en kategori av fysikaliska egenskaper, där momentum och hastighet ingår, som kallas vektorer. Dessa står i kontrast till skalärer, som har en storlek men ingen riktning, till exempel temperatur eller massa.
F:et i Newtons andra lag hänvisar till den nettokraft som verkar på ett objekt. För att räkna ut vad som händer med ett föremål som har flera krafter som verkar på det krävs därför att du tar hänsyn till både riktningen och storleken på varje kraft. Två krafter kan ha samma storlek, men om de är riktade rakt emot varandra kommer de att upphävas till noll.
En dragkamp är ett bra sätt att tänka på detta. När två lag drar i motsatta riktningar kommer repets rörelse (enligt Newtons andra lag) att bestämmas av nettokraften på repet. Storleken på denna nettokraft är skillnaden i storleken på de krafter som utövas av de två lagen. Nettokraftens riktning kommer att vara i riktning mot det lag som drar hårdare.
För att beskriva atomer, och ännu mindre saker, använder fysikerna versioner av kraft och rörelsemängd i ekvationerna som inkluderar kvantmekaniska beskrivningar av såväl tid som rum. På denna skala är krafter de matematiska biprodukter som uppstår när materiens grundläggande partiklar, som elektroner och kvarkar, utbyter partiklar som fotoner, gluoner eller W- eller Z-partiklar, som ”bär” krafter och som kollektivt kallas gaugebosoner.
Newtons andra lag fungerar som ett sätt att beskriva rörelsen hos allting i ett kvantmekaniskt system så länge partiklarna inte rör sig nära ljusets hastighet.
När ett objekt rör sig nära ljusets hastighet kommer vi in i den speciella relativitetsteorin, som säger oss att massan hos ett objekt kommer att öka när det rör sig snabbare. Man måste ta hänsyn till detta när man beräknar krafter vid dessa hastigheter.
I själva verket måste större delen av Newtons klassiska fysik modifieras i extrema situationer – den andra lagen är inte korrekt när enorma gravitationskrafter förekommer, kring ett svart hål eller i samband med de enorma massorna i hela galaxer till exempel, där den allmänna relativitetsteorin tar över som det bästa sättet att beskriva rörelsen inom ett system.