De drie wetten van Newton

Een auto van 1200 kg heeft een resulterende kracht van 3600 N nodig voor een versnelling van 3 m/s².

Eerste wet: voorwerpen behouden hun bewegingstoestand

Schuif een boek over tafel en het stopt. Lang dachten mensen daarom dat bewegende dingen vanzelf tot rust komen en dat voortdurende kracht nodig is om ze te laten bewegen. Galileo zag het anders. In Twee nieuwe wetenschappen (1638) stelde hij zich een bal voor op een volkomen glad, eindeloos horizontaal vlak. Die zou volgens hem eeuwig doorrollen. Het boek stopt door wrijving, niet doordat stoppen natuurlijk is.

Isaac Newton maakte dit de eerste van drie wetten in zijn Principia uit 1687. Volgens de formulering van OpenStax blijft een voorwerp in rust, of in beweging met constante snelheid, tenzij er een resulterende uitwendige kracht op werkt. Die neiging om hetzelfde te blijven doen heet traagheid. Massa is de maat ervoor. Een volle winkelwagen is moeilijker op gang te brengen én te stoppen dan een lege, door de grotere traagheid. Veiligheidsgordels zijn nodig vanwege de eerste wet: stopt een auto plotseling, dan blijft je lichaam vooruit bewegen tot iets tegenkracht geeft.

Tweede wet: F = m a

De tweede wet zegt hoeveel een voorwerp versnelt als de krachten niet in evenwicht zijn. De versnelling heeft de richting van de resulterende kracht, is ermee evenredig en omgekeerd evenredig met de massa: a = F_net ÷ m, meestal geschreven als F_net = m a. Duw een kar van 2 kg met een resulterende kracht van 10 N en die versnelt met 5 m/s². Wil je een auto van 1200 kg laten versnellen met 3 m/s², dan heb je 3600 N nodig. De resulterende kracht telt: duw je een doos van 5 kg met 50 N terwijl wrijving met 20 N tegenwerkt, dan blijft 30 N over en is de versnelling 6 m/s².

De tweede wet verklaart ook waarom alle voorwerpen even snel versnellen bij vallen. Een zwaarder voorwerp ondervindt meer zwaartekracht, maar heeft ook meer massa om te versnellen. Beide effecten heffen elkaar precies op: a = m g ÷ m = g.

Derde wet: krachten komen in paren

Als een voorwerp tegen een tweede duwt of eraan trekt, duwt of trekt dat tweede even hard terug, in tegengestelde richting. Een zwemmer duwt water achteruit en het water duwt de zwemmer vooruit. Een raket stoot heet gas uit haar straalpijp en het gas duwt de raket omhoog. Er is geen lucht nodig om tegen af te zetten; daarom werken raketten in de ruimte. Bij lopen duwt je voet de grond achteruit en duwt de grond jou vooruit.

De twee krachten van een paar werken op verschillende voorwerpen en heffen elkaar dus nooit op. Dat is de bekende valkuil. Een paard trekt aan een kar en de kar trekt even hard terug. Toch bewegen ze. Of het paard versnelt hangt namelijk af van alle krachten op het paard, waaronder de kracht van de grond op de hoeven.

Bij één schop tegen een voetbal zie je alle drie de wetten. Voor de schop ligt de bal stil omdat de resulterende kracht nul is (eerste wet). Tijdens het korte contact duwt je voet tegen de bal. Hoe harder de duw, hoe groter de versnelling (tweede wet). Tegelijk duwt de bal even hard tegen je voet. Dat voel je als een klap op je tenen (derde wet). Zodra de bal los is, werken alleen zwaartekracht en lucht erop. De baan is de worpbeweging uit de cursus over beweging.