Isaac Newton (1643-1727), der Physiker, der die Gesetze formulierte
Newtons erstes Gesetz
Das erste Gesetz besagt, dass ein ruhendes Objekt in Ruhe bleibt und ein bewegtes Objekt in Bewegung bleibt, solange keine äußere Kraft auf es einwirkt. Mathematisch gesehen ist dies gleichbedeutend mit der Aussage, dass, wenn die Nettokraft auf ein Objekt null ist, die Geschwindigkeit des Objekts konstant ist.
∑ F = 0 ⇔ d v d t = 0. \displaystyle \sum \mathbf {F} =0\;\Leftrightarrow \;{\frac {\mathrm {d} {\mathbf {v} }{\mathrm {d} t}}=0.}
Newtons erstes Gesetz wird oft als Trägheitsgesetz bezeichnet.
Newtons erstes (und zweites) Gesetz gelten nur in einem Inertialbezugssystem.
Das zweite Newtonsche Gesetz
Das zweite Gesetz besagt, dass die Änderungsrate des Impulses eines Körpers über die Zeit direkt proportional zur ausgeübten Kraft ist und in der gleichen Richtung wie die ausgeübte Kraft verläuft.
F = d p d t {\displaystyle \mathbf {F} ={\frac {\mathrm {d} \mathbf {p} }{\mathrm {d} t}}}
Konstante Masse
Für Objekte und Systeme mit konstanter Masse kann das zweite Gesetz in Form der Beschleunigung eines Objekts wiedergegeben werden.
F = d ( m v ) d t = m d v d t = m a , {\displaystyle \mathbf {F} ={\frac {\mathrm {d} (m\mathbf {v} )}{\mathrm {d} t}}=m\,{\frac {\,\mathrm {d} \mathbf {v} \,}{\mathrm {d} t}}=m\mathbf {a} ,}
wobei F die aufgebrachte Nettokraft, m die Masse des Körpers und a die Beschleunigung des Körpers ist. Die Nettokraft, die auf einen Körper wirkt, erzeugt also eine proportionale Beschleunigung.
Systeme mit variabler Masse
Systeme mit variabler Masse, wie eine Rakete, die Treibstoff verbrennt und verbrauchte Gase ausstößt, sind nicht geschlossen und können nicht direkt behandelt werden, indem man die Masse im zweiten Gesetz zu einer Funktion der Zeit macht; Die Bewegungsgleichung für einen Körper, dessen Masse m mit der Zeit variiert, indem er entweder Masse ausstößt oder zuführt, erhält man durch Anwendung des zweiten Gesetzes auf das gesamte System mit konstanter Masse, das aus dem Körper und seiner ausgestoßenen oder zugeführten Masse besteht; das Ergebnis ist
F + u d m d t = m d v d t {\displaystyle \mathbf {F} +\mathbf {u} {\frac {\mathrm {d} m}{\mathrm {d} t}}=m{\mathrm {d} \mathbf {v} \über \mathrm {d} t}}
wobei u die Austrittsgeschwindigkeit der austretenden oder eintretenden Masse relativ zum Körper ist. Aus dieser Gleichung kann man die Bewegungsgleichung für ein System mit variierender Masse ableiten, z.B. die Raketengleichung von Tsiolkowsky.
Newtons drittes Gesetz
Eine Veranschaulichung von Newtons drittem Gesetz, bei der zwei Schlittschuhläufer gegeneinander stoßen. Der erste Schlittschuhläufer auf der linken Seite übt auf den zweiten Schlittschuhläufer eine nach rechts gerichtete Normalkraft N12 aus, und der zweite Schlittschuhläufer übt auf den ersten Schlittschuhläufer eine nach links gerichtete Normalkraft N21 aus.
Beide Kräfte sind gleich groß, haben aber entgegengesetzte Richtungen, wie es das dritte Newtonsche Gesetz vorschreibt.
Das dritte Gesetz besagt, dass alle Kräfte zwischen zwei Objekten gleich groß und entgegengesetzt gerichtet sind: Wenn ein Objekt A eine Kraft FA auf ein zweites Objekt B ausübt, dann übt B gleichzeitig eine Kraft FB auf A aus, und die beiden Kräfte sind gleich groß und entgegengesetzt gerichtet: FA = -FB. Das dritte Gesetz besagt, dass alle Kräfte Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Körpern oder verschiedenen Bereichen innerhalb eines Körpers sind, und dass es daher keine Kraft gibt, die nicht von einer gleich großen und entgegengesetzten Kraft begleitet wird. In manchen Situationen werden Größe und Richtung der Kräfte ausschließlich von einem der beiden Körper, z. B. Körper A, bestimmt; die Kraft, die von Körper A auf Körper B ausgeübt wird, wird als „Aktion“ bezeichnet, und die Kraft, die von Körper B auf Körper A ausgeübt wird, als „Reaktion“. Dieses Gesetz wird manchmal auch als Aktions-Reaktions-Gesetz bezeichnet, wobei FA die „Aktion“ und FB die „Reaktion“ genannt wird. In anderen Situationen werden die Größe und die Richtungen der Kräfte von beiden Körpern gemeinsam bestimmt, und es ist nicht notwendig, eine Kraft als „Aktion“ und die andere als „Reaktion“ zu bezeichnen. Die Aktion und die Reaktion sind gleichzeitig, und es spielt keine Rolle, welche als Aktion und welche als Reaktion bezeichnet wird; beide Kräfte sind Teil einer einzigen Wechselwirkung, und keine Kraft existiert ohne die andere.
Die beiden Kräfte in Newtons drittem Gesetz sind von der gleichen Art (z.B., wenn die Straße eine vorwärts gerichtete Reibungskraft auf die Reifen eines beschleunigenden Autos ausübt, dann ist es auch eine Reibungskraft, die Newtons drittes Gesetz für die Reifen vorhersagt, die rückwärts auf die Straße drücken).
Aus konzeptioneller Sicht wird Newtons drittes Gesetz sichtbar, wenn eine Person geht: Sie drückt gegen den Boden, und der Boden drückt gegen die Person. In ähnlicher Weise stoßen die Reifen eines Autos gegen die Straße, während die Straße auf die Reifen zurückstößt – Reifen und Straße stoßen gleichzeitig gegeneinander. Beim Schwimmen interagiert eine Person mit dem Wasser, indem sie das Wasser nach hinten drückt, während das Wasser die Person gleichzeitig nach vorne drückt – sowohl die Person als auch das Wasser drücken gegeneinander. Die Reaktionskräfte sind für die Bewegung in diesen Beispielen verantwortlich. Diese Kräfte hängen von der Reibung ab; eine Person oder ein Auto auf Eis kann beispielsweise nicht die Aktionskraft ausüben, um die erforderliche Reaktionskraft zu erzeugen.
Newton benutzte das dritte Gesetz, um das Gesetz der Impulserhaltung abzuleiten; aus einer tieferen Perspektive ist die Impulserhaltung jedoch die grundlegendere Idee (abgeleitet über Noethers Theorem aus der Galileischen Invarianz) und gilt in Fällen, in denen Newtons drittes Gesetz zu versagen scheint, z. B. wenn sowohl Kraftfelder als auch Teilchen Impuls tragen, und in der Quantenmechanik.