Три закона Ньютона

Автомобилю массой 1200 kg нужна равнодействующая сила 3600 N, чтобы разгоняться с ускорением 3 m/s².

Первый закон: тело сохраняет своё движение

Скользящая по столу книга останавливается. Долгое время люди делали вывод, что движущиеся тела естественным образом приходят в покой, а для поддержания движения нужно постоянно толкать тело. Галилей рассуждал иначе. В «Беседах и математических доказательствах, касающихся двух новых отраслей науки» (1638) он представил шар, катящийся по идеально гладкой бесконечной горизонтальной плоскости, и утверждал, что шар будет двигаться вечно. Книга останавливается из-за трения, а не потому, что остановка естественна.

Исаак Ньютон сделал это первым из трёх законов в своих «Началах» 1687 года. В формулировке OpenStax: тело остаётся в покое или движется с постоянной скоростью, если равнодействующая внешних сил равна нулю. Способность сохранять состояние движения называется инертностью, а её мерой служит масса. Полную тележку труднее разогнать и остановить, чем пустую, потому что её инертность больше. Ремни безопасности нужны именно из-за первого закона: при резкой остановке машины твоё тело продолжает двигаться вперёд, пока какая-нибудь сила не остановит его.

Второй закон: F = m a

Второй закон показывает, какое ускорение получит тело, если действующие на него силы не уравновешены. Ускорение направлено по равнодействующей, прямо пропорционально ей и обратно пропорционально массе: a = F_net ÷ m. Чаще пишут F_net = m a. Тележка массой 2 kg под действием равнодействующей 10 N получает ускорение 5 m/s². Для разгона автомобиля массой 1200 kg с ускорением 3 m/s² нужна сила 3600 N. Важна именно равнодействующая: если ты толкаешь ящик массой 5 kg с силой 50 N, а трение действует навстречу с силой 20 N, равнодействующая составляет 30 N, и ускорение ящика равно 6 m/s².

Второй закон объясняет и то, почему все тела падают с одинаковым ускорением. На более тяжёлое тело действует большая сила тяжести, но и разгонять приходится большую массу. Эти два эффекта точно компенсируют друг друга: a = m g ÷ m = g.

Третий закон: силы возникают парами

Если одно тело толкает или тянет другое, то второе действует на первое с такой же по модулю силой, направленной в противоположную сторону. Пловец отталкивает воду назад, а вода толкает его вперёд. Ракета выбрасывает горячий газ из сопла, а газ толкает ракету вверх. Ей не нужен воздух, от которого можно оттолкнуться, поэтому ракеты работают и в космосе. При ходьбе твоя нога толкает землю назад, а земля толкает тебя вперёд.

Две силы такой пары приложены к разным телам, поэтому никогда не компенсируют друг друга. Именно здесь часто ошибаются. Когда лошадь тянет телегу, телега тянет лошадь назад с такой же силой, но они всё равно движутся. Ускорение лошади определяется всеми силами, действующими на неё, включая силу со стороны земли, приложенную к копытам.

Все три закона можно увидеть при одном ударе по футбольному мячу. До удара мяч покоится, потому что равнодействующая сил равна нулю (первый закон). Во время короткого контакта нога толкает мяч: чем сильнее толчок, тем больше ускорение мяча (второй закон). В то же мгновение мяч с такой же силой действует на ногу, и ты чувствуешь удар по пальцам (третий закон). После отрыва от ноги на мяч действуют только сила тяжести и воздух, и он движется как тело, брошенное под углом к горизонту, из курса «Движение».