-Newton's laws of motion
아이작 뉴턴이 태어나기 약 4년 전 갈릴레오가 실험으로 이를 발견했고 뉴턴이 처음으로 공식화했다.
이 법칙은 단지 한 물체에 대한 포괄적인 운동, 즉 질량중심의 운동에 관해 설명한 것으로, 이 개념은 물체를 오직 질량만 있고 크기가 없는 입자로 생각하는 것과 비슷하다. 정확히 말해서 이 법칙은 오직 움직이지 않는 별을 기준좌표계로 해서 물체의 움직임을 설명한다. 이런 기준좌표계를 뉴턴 좌표계나 갈릴레오 좌표계, 또는 관성좌표계라 한다.
지구는 자전하므로 지구에 고정된 기준좌표계는 관성좌표계가 아니며, 어떤 경우에는 뉴턴의 법칙을 적용할 때 지구자전도 고려해야 하지만 대부분 지구자전은 무시한다.
뉴턴의 운동 제1법칙은 정지해 있거나 일정한 속도로 직선운동을 하는 물체는 외부에서 힘이 주어지지 않는 한 계속 정지해 있거나 일정한 속도로 계속 직선운동을 한다는 것이다. 이를 관성의 법칙이라 한다.
정지한 물체를 움직이게 하고 움직이는 물체를 정지시키거나 움직임의 종류를 바꾸는 등 힘의 성질 가운데 하나를 설명하는 법칙이다. 갈릴레오 이전 사람들은 물체는 힘을 가할 때만 움직이며 힘을 가하지 않으면 계속 정지해 있을 것이라고 생각했다. 행성을 계속 움직이게 하는 힘을 발견하려 했던 사람들은 행성들이 거의 균일한 궤도운동을 하는 데에는 외부의 힘이 필요하지 않음을 몰랐다. 그들이 생각하지 못했던 중력은 단지 운동의 방향만을 바꾼다.
뉴턴의 운동 제2법칙은 힘이 물체에 가하는 변화를 양적으로 설명한다.
시간에 따른 속도(방향을 띤 속력)의 변화율인 가속도(a)는 힘(F)에 비례하고 물체의 질량(m)에 반비례한다(즉 a=F/m 또는 F=ma). 여기서 힘이 클수록 가속도는 커지고 질량이 클수록 가속도는 작아진다. 힘과 가속도는 크기와 방향이 있으므로 크기에 비례하는 길이를 가진 벡터(그림으로 나타낼 때는 '→'로 표시함)로 나타낸다.
가속도는 힘에 의해 생기고 그 방향은 힘의 방향과 같다. 한 물체에 여러 힘이 작용할 때는 이 모두를 더해서 가속도를 구한다. 제2법칙은 가장 중요한 법칙으로, 동력학(動力學)의 모든 기본방정식을 미적분학에서 개발된 방법으로 유도해낼 수 있다. 간단한 예로 자유낙하운동이 있다. 공기저항이 없다고 할 때 물체에 작용하는 힘은 아래쪽으로 향하는 물체의 무게뿐이며, 물체는 중력가속도(g)와 같은 크기의 가속도로 떨어진다.
지표면 가까이에서 g의 평균값은 약 9.8m/sec2 이다.
뉴턴의 운동 제3법칙은 '작용반작용의 법칙'으로 두 물체가 서로 힘을 작용하고 있을 때, 두 물체가 받는 힘은 그 크기가 같고 방향은 반대이다. 즉 반작용은 항상 크기가 같고 방향이 반대이다. 예를 들어 책상 위의 책이 내리누르는 힘은 책상이 책을 떠받치는 힘과 크기가 같다.
중력도 마찬가지인데, 비행기가 날고 있을 때 지구가 비행기를 끌어당기는 만큼 비행기도 지구를 끌어당긴다. 제3법칙은 정지한 물체를 다루는 정력학(靜力學)에서 중요하다. 이는 복잡한 구조물이나 기계를 간단한 부분으로 쪼개어 모르는 힘의 수를 최소로 만들어 개별적으로 분석할 수 있기 때문이다. 각 부분을 연결할 때 한 부분에 주어진 힘은 다른 부분에 주어진 힘과 그 크기가 같고 방향은 반대이다. 그러나 서로 멀리 떨어져 있는 물체 사이의 전자기력(電磁氣力)에는 제3법칙이 맞지 않을 수도 있다.