نیوتون را که همه میشناسند، کسی که از سیب به جاذبه رسید و مسیر فیزیک و شاید جهان را تغییر داد اما این تنها کار او نبود. رابطهی بین نیروهای وارد بر جسم و حرکت ناشی از آن نیز، اولین بار توسط فیزیک و ریاضیدان انگلیسی یعنی ایزاک نیوتن فرموله شده است. در ادامه این قوانین سهگانه را بررسی خواهیم کرد.
قوانین سه گانهی حرکت
نام کاشف: ایزاک نیوتون
سال کشف: ۱۶۸۷
قانون اول
طبق قانون اول نیوتون جسم ساکن یا جسمی که با سرعت ثابت روی خط راست حرکت میکند، حالت سمون یا سرعت ثابت خود ر حفظ خواهد کرد مگر اینکه نیرویی به آن اعمال شود که به نام قانون لَختی یا اینرسی شناخته میشود. این قانون را گالیله برای حرکت افقی روی زمین فرموله کرد و بعدها توسط رنه دکارت تعمیم داده شد. قبل از گالیله تصور میشد که تمام حرکات افقی مستلزم یک علت مستقیم است، اما گالیله با استفاده از تجربیاتش متوجه شد که جسم محرک به حرکت ادامه میدهد مگر اینکه نیرویی (مانند اصطکاک) آن را متوقف کند.
قانون دوم
قانون دوم نیوتن توصیف کمی تغییراتی است که نیرو میتواند روی حرکت جسم اعمال کند. طبق این فرمول شتاب جسم با جرم و نیروی وارد بر آن رابطهی مستقیم دارد. شتاب مانند سرعت کمیتی برداری است که دارای جهت و بزرگی است. نیروی وارد بر جسم می تواند بزرگی، جهت و یا هر دو را تغییر دهد. قانون دوم نیوتن یکی از مهم ترین قوانین فیزیک است.
اگر جرم جسمی ثابت و برابر m باشد قانون دوم را به صورت F=ma نشان میدهند، جایی که نیرو(F) و (a) هر دو کمیتی برداری هستند. اگر نیروی خالصی بر جسمی وارد شود جسم طبق این فرمول شتاب خواهد گرفت. برعکس، اگر جسم شتاب نداشته باشد، نیروی خالصی به آن وارد نمیشود.
قانون سوم
طبق قانون سوم نیوتون زمانی که دو جسم در تعامل باشند نیرویی با اندازهی برابر و در خلاف جهت هم به هم وارد میکنند. این قانون با نام کنش و واکنش شناخته میشود. این قانون در تجزیه و تحلیل مشکلات تعادل استاتیک مهم است، زمانی که تمام نیروها در تعادل هستند؛ اما در مورد جسمهای در حال حرکت یکنواخت یا دارای شتاب نیز کاربرد دارد. به عنوان مثال، کتابی که روی میز قرار دارد نیروی را به اندازهی وزن خود به میز وارد میکند. طبق قانون سوم، میز نیز نیرویی برابر و در خلاف جهت به کتاب اعمال میکند. اگر نیروی متقابل وجود نداشت نیروی وزن کتاب میز را به آرامی فشرده میکرد.
قوانین نیوتن ابتدا در شاهکار او یعنی Philosophiae Naturalis Principia Mathematica که در سال ۱۶۸۷ منتشر شد بیان شدند. در سال ۱۵۴۳ نیکولاس کوپرنیک پیشنهاد کرد ممکن است به جای زمین، خورشید مرکز زمین باشد. بعدها گالیله، یوهانس کپلر و دکارت، پایههای علم جدیدی را بنا نهادند که جایگزین دیدگاه جهانی ارسطو شد و طرز کار جهانی را که به دور خورشید میگشت توضیح دادند. نهایتاً این علم در کتاب Principa نیوتون شکوفا شد. او سه قانون خود را برای توضیح اینکه چرا مدار گردش سیارات بیضی است نه کروی تدوین کرد اما این قوانین بسیار بیش از این اهمیت داشت! مجموعهی وقایع از کوپرنیک تا نیوتن به عنوان انقلاب علمی شناخته شده میشود.
در قرن بیستم قوانین نیوتن با مکانیک کوانتومی و نسبیت به عنوان بنیادیترین قوانین فیزیک جایگزین شد. با این وجود قوانین نیوتن همچنان به محاسبهی دقیق طبیعت میپردازد، به جز برای اجسام بسیار کوچک مانند الکترونها و یا جسمهایی که نزدیک به سرعت نور حرکت میکنند. اگر مکانیک کوانتومی و نسبیت را محدود به اجسام بزرگ و یا با سرعت آهسته کنیم، به همان قوانین نیوتون میرسیم.