نیرو و قانون نیوتون

قانون اول نیوتن درباره شرایط لازم برای سکون بحث می‌کند و به ویژه "اینرسی" را تعریف می‌کند که به جرم یک جسم مربوط است. با در نظر گرفتن ایده ارسطویی "حالت طبیعی"، شرط سرعت ثابت چه در حالت صفر و چه در حالت ناصفر، اینک "حالت طبیعی" اشیاء سنگین تلقی می‌شود. اشیاء به حرکت خود در حالت سرعت ثابت ادامه خواهند داد مگراینکه تحت تأثیر یک نیروی نامتعادل خارجی قرار گیرند.

قانون دوم نیوتن

اغلب نیرو را با استفاده از قانون دوم نیوتن، به صورت حاصلضرب جرم m در شتاب $vec a$ تعریف می‌کنند. فرمول $vec F = m vec a$ گاهی به عنوان دومین فرمول معروف فیزیک تلقی می‌شود. نیوتن هرگز $F = ma$ را به صورت صریح بیان نکرد، بلکه قانون دوم نیوتن در کتاب "Principia Mathematica" به صورت معادله دیفرانسیل برداری

توصیف شده است، که در آن $vec p$ اندازه حرکت سیستم است. نیرو میزان تغییر اندازه حرکت در واحد زمان است. شتاب میزان تغییر سرعت در واحد زمان است. این نتیجه که به صورت نتیجه‌ای مستقیم caveat در قانون اول نیوتن حاصل می‌شود، نشان می‌دهد که عقیده ارسطویی که یک نیروی شبکه‌ای لازم است تا یک شیئ در حال حرکت را با سرعت ثابت (و لذا با شتاب صفر) حفظ کند، به وضوح غلط بوده و فقط نتیجه یک تعریف نادقیق نبوده است.

استفاده از قانون دوم نیوتن به هر یک از صورتهایش به عنوان تعریف نیرو، در برخی از کتابهای درسی غیر دقیق تر، بی اعتبار معرفی شده است. زیرا این تعریف، همه محتویات تجربی را از قانون حذف می‌کند. در حقیقیت، $vec F$ در این معادله بیانگر یک نیروی شبکه‌ای (جمع برداری) است؛ در حال سکون، طبق تعریف، این بردار، صفر است. اما با این وجود نیروهایی متعادل موجود هستند و در واقع، قانون دوم نیوتن، نحوه تناسب شتاب و جرم را با نیرو بیان می‌کند که کدام یک از آنها را می‌توان بدون مراجعه به نیرو تعریف کرد. شتاب را می‌توان با با محاسبات حرکت‌شناسی (سینماتیک) تعریف کرد و نیز جرم را می‌توان مثلاً از طریق شمارش اتم‌ها تعیین کرد. اما با وجود اینکه سینماتیک در تجزیه و تحلیل‌های پیشرفته فیزیکی بسیار کارآمد است، هنوز سئوالات عمیقی وجود دارد از جمله اینکه تعریف دقیق جرم چیست؟ نسبت عام یک هم ارزی بین زمان فضای جرم معرفی می‌کند، اما بدون یک نظریه جامع گرانش کوانتومی، این هم ارزی گنگ می‌باشد چرا که معلوم نیست که آیا و چگونه این ارتباط در مقیاسهای میکروسکوپی برقرار است. با اندکی توجیه بیشتر، قانون دوم نیوتن را می‌توان به عنوان تعریف کمّی از جرم تلقی کرد به این صورت که قانون را به صورت یک تساوی نوشته، واحدهای نسبی نیرو و جرم را ثابت نگه داریم.

تعریف نیرو گاهی سئوال برانگیز است چرا که یا نهایتاً باید به درک شهودی ما از مشاهدات مستقیم رجوع کند یا به صورت ضمنی از طریق یک فرمول خودسازگار ریاضی تعریف شود. فیزیکدانان، فیلسوفان و ریاضیدانان معروفی که به دنبال تعریفی صریح تر از نیرو گشته اند، عبارتند از: Ernst Mach, Clifford Truesdell and Walter Noll.

پس از کسب موفقیت‌های تجربی، قانون نیوتن معمولاً برای اندازه گیری قدرت نیروها مورد استفاده قرار می‌گیرد. (برای مثال با استفاده از گردش‌های نجومی، نیروهای گرانشی اندازه گیری می‌شوند) با این وجود، نیرو و کمیتهایی که برای اندازه گیری آن مورد استفاده قرار می‌گیرند، همچنان مفاهیمی متمایز می‌باشند.

قانون سوم نیوتن

قانون سوم نیوتن، از به کار بردن تقارن در موقعیت هایی که نیروها را می‌توان به وجود اشیائی مختلف نسبت داده حاصل داده می‌شود. برای هر دو جسم (مثلاً ۱ و ۲) قانون سوم نیوتن بیان می‌کند که:

$vec F_{12} = -vec F_{21}$

این قانون بیان می‌کند که نیروها همواره به صورت عمل و عکس العمل رخ می‌دهند. هر نیرویی که از عمل شیئ 2 به 1 اثر می‌کند. به طور اتوماتیک با نیرویی همراه است که از عمل جسم ۱ بر روی جسم ۲ حاصل می‌شود. اگر اجسام ۱ و ۲ را در یک دستگاه یکسان در نظر بگیریم، نیروی شبکه‌ای روی سیستم حاصل از واکنش‌های بین اجسام ۱ و ۲، صفر است زیرا:

$vec F_{12} + vec F_{21} = 0$

این به این معناست که سیستم‌ها نمی‌توانند نیروهایی درونی تولید کنند که غیرمتوازن اند. اما اگر اشیاء ۱ و ۲ در سیستم‌های متمایز فرض شوند، آنگاه هر یک از این دو سیستم، نیروی نامتوازنی تجربه کرده طبق قانون دوم نیوتن نسبت به یکدیگر شتاب خواهد گرفت.

با ترکیب کردن قوانین دوم و سوم نیوتن می‌توان نشان داد که اندازه حرکت خطی هر سیستم محفوظ می ماند. با استفاده از $vec F_{12} = frac{d vec p_{12}}{dt} = -vec F_{21} = -frac{d vec p_{21}}{dt}$ و انتگرال گیری نسبت به زمان، معادله

$mathcal {4} vec p_{12} = -mathcal {4} vec p_{21}$

به دست خواهد آمد. برای سیستمی که شامل اشیاء ۱ و ۲ است، داریم

$sum mathcal {4} vec p = mathcal {4} vec p_{12} + mathcal {4} vec p_{21} = 0$

که همان محفوظ ماندن اندازه حرکت خطی را بیان می‌کند. تعمیم این حقیقت به یک سیستم مشتمل بر تعداد دلخواهی از ذرات، کاری سر راست است. این نشان می‌دهد که تغییر اندازه حرکت بین اشیاء موجود در یک سیستم، تأثیری روی اندازه حرکت سیستم نخواهد گذاشت. به طور کلی از آنجایی که همه نیروها ناشی از بر هم کنش اشیاء صلب است، می‌توان سیستمی تعریف کرد که در آن اندازه حرکت شبکه‌ای نه هرگز از بین می‌رود و نه هرگز به دست می‌آید.