牛顿力学三定律（简单理解牛顿运动定律及其适用）

力学（mechanics）是研究物质机械运动规律的科学。机械运动是物质运动最基本的形式。物质运动的其他形式还有热运动、电磁运动、原子及其内部的运动和化学运动等。

“力学”一词的英语是mechanics(源于希腊语μηχανη──机械)。在英语中，mechanics是一个多义词，既可释作“力学”，也可释作“机械学”、“结构”等。在欧洲其他语种中，此词的语源和语义都与英语相同。汉语中没有同它对等的多义词。mechanics在19世纪50年代作为研究力的作用的学科名词传入中国时，译作“重学”，后来改译作“力学”，一直使用至今。“力学的”和“机械的” 在英语中同mechanical，而现代汉语中“机械的”又可理解为“刻板的”。这种不同语种中词义包容范围的差异，有时引起国际学术交流中的周折。例如机械的(mechanical)自然观，其实指用力学解释自然的观点。所以，力学可以说是力和(机械)运动的科学。

力学研究能量和力以及它们与固体、液体及气体的平衡、变形或运动的关系。力学可区分为静力学、运动学和动力学三部分，静力学研究力的平衡或物体的静止问题；运动学只考虑物体怎样运动，不讨论它与所受力的关系；动力学讨论物体运动和所受力的关系。现代的力学实验设备，诸如大型的风洞、水洞，它们的建立和使用本身就是一个综合性的科学技术项目，需要多工种、多学科的协作。

力学主要在于分析力对物体的作用，作用力既有大小又有方向，所以力是一个矢量。

牛顿运动定律包括牛顿第一运动定律、牛顿第二运动定律和牛顿第三运动定律三条定律，由艾萨克·牛顿在1687年于《自然哲学的数学原理》一书中总结提出。其中，第一定律说明了力的含义：力是改变物体运动状态的原因；第二定律指出了力的作用效果：力使物体获得加速度；第三定律揭示出力的本质：力是物体间的相互作用。

牛顿运动定律中的各定律互相独立，且内在逻辑符合自洽一致性。其适用范围是经典力学范围，适用条件是质点、惯性参考系以及弱引力场、宏观、低速运动问题。

17世纪末牛顿继承和发展前人的研究成果(特别是开普勒的行星运动三定律)，提出力学运动的三条基本定律，使经典力学形成系统的理论。根据牛顿三定律和万有引力定律成功地解释了地球上的落体运动规律和行星的运动轨道。

牛顿第一运动定律

牛顿第一运动定律，简称牛顿第一定律。又称惯性定律、惰性定律。常见的完整表述：任何物体都要保持匀速直线运动或静止状态，直到外力迫使它改变运动状态为止。

改变物体的运动速度需要外力的作用，不仅如此，该物体还会对这种改变产生抵制。物体的这种抵制叫作惯性。对于一个滚动的球，你不需要使多大力气便能让其改变方向。但如果你用同样大的力气去推一辆行驶中的小汽车，小汽车方向的改变微乎其微，你甚至看不出小汽车的运动发生了改变。原因是小汽车的惯性比球大得多。物体的惯性显然与它所包含物质的多少有关。

人的性格往往也有惰性或惯性，总喜欢保持原有的生活节奏或习惯，需要内在的动力和外在的压力才以迫使其做出改变，且往往有抵触的情绪。

牛顿第二运动定律

牛顿没有停留在惯性定律定性描述的观点上，而是将其量化，提出了第二运动定律。

牛顿第二运动定律的常见表述是：物体加速度的大小跟作用力成正比，跟物体的质量成反比，且与物体质量的倒数成正比；加速度的方向跟作用力的方向相同。

F＝ma

F：力，m：质量，a：加速度

从上面的方程可以看出，物体的质量越大，其运动速度就越不容易改变，因此质量是一个表现物体惯性大小的量，称为惯性质量。这也就解释了当质量大的铁球掉落时，虽然受到的重力比质量小的球要大，但阻碍往下掉落的惯性质量也要大，所以质量大小不一的铁球掉落时速度是一样的（惯性质量与重力质量相等）。

惯性定律是第二定律的一种特殊情况。如果作用力为0，那么加速度肯定也是0，速度恒定。

当你往空中扔一个球时，球会加速一段距离，然后呈抛物线落下。球受到了三个力的作用，你给的推力、重力、空气摩擦力。然后，想象你用一个更快的初速度抛出这个球。球当然会在飞行了更远的距离后才落地。那么，我们想象用一个极快的速度抛出这个球，以至于球不会落向地面。球的运动轨迹会朝着地表弯曲，但地表本来就是弯曲的，所以一个运动速度足够快的球能与地表一直保持着一个固定的距离，尽管球一直在落向地面。这种情况就近似于月球的运动。除了月球是沿着椭圆形轨道，而不是圆形轨道绕地球运动。月球也在不断地落向地球，但月球水平方向的运动速度非常快，以至于它能够在地球表面之上绕着它自己的轨道运动。

上述想象的极快速度就是宇宙速度，达到宇宙速度的火箭就可以挣脱地球的引力飞向太空。

任何物体想要离开所在的天体系统，必须在速度上要能够达到脱离其引力的程度，我们把这个速度称为宇宙速度。第一宇宙速度又称环绕速度，是指物体紧贴地球表面作圆周运动的速度，也就是人造卫星的最小发射速度，其大小为7.9千米每秒。第二宇宙速度又称脱离速度，是指指物体完全摆脱地球引力束缚,飞离地球而环绕太阳圆周运动的所需要的最小初始速度，其大小为11.2千米每秒。第三宇宙速度又称逃逸速度，是指在地球上发射的物体摆脱太阳引力束缚，飞出太阳系所需的最小初始速度，其大小为16.7千米每秒。第四宇宙速度是指在地球上发射的物体摆脱银河系引力束缚，飞出银河系所需的最小初始速度，其速度预计为110至120千米每秒。第五宇宙速度是指航天器从地球发射，飞出本星系群的最小速度，由于本星系群的半径、质量均未有足够精确的数据，所以无法准确得知数据大小。目前科学家估计本星系群大概有500至1000万光年，照此推算大概需要1500至2250千米每秒的速度才能飞离。

如果地球的质量更大，那么地球的引力便会更强，宇宙速度就会越高。现在，我们想像有一个这样的天体，其质量是如此之大，以至于其宇宙速度超过了光速（约合每秒30万公里）。于是，任何物体，甚至包括光在内，都无法从这个天体上逃脱。这样的天体就是黑洞。

牛顿第三运动定律

牛顿第三运动定律的常见表述是：相互作用的两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一条直线上。

牛顿运动定律在研究对象上呈递进关系。第一、第二定律只研究单一物体（可以只有一个物体，也可以从众多物体中隔离出一个物体来作为研究对象），解决其不受力或受很多力作用后的运动问题；第三定律扩展了研究对象，至少研究是两个物体之间的相互作用，这种相互作用制约或影响了研究对象或研究对象以外的其它物体的运动。只有把第一、第二和第三定律有机结合才能解决全部的复杂动力学问题，由质点的动力学出发去解决质点系、刚体、流体、振动、波动等的力学问题。

牛顿运动定律基于牛顿力学的基本假设

① 空间是绝对的，可以认为是数学上的抽象空间，和空间内的填充物质无关；

（相对论认为空间是相对的，在接近光速的空间中，空间收缩。物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何运动）

② 时间是连续的、均匀流逝的、无穷无尽的；

（相对论认为时间是相对的，在接近光速的空间中，时间膨胀。）

③ 时间和空间无关；

（相对论认为时空一体，不同的空间有不同的时间。）

④ 时间和运动状态无关；

（相对论认为时间与运动状态有关。）

⑤ 物体的质量和物体的运动状态无关。

（相对论认为在接近光速的空间中，质量会接近无限大。）

牛顿力学体系实质上是在建在四个独立“ 概念”的基础之上的一座大厦。这四个基础概念分别是：绝对化的“质量”、绝对化的“空间”、绝对化的“时间”和“力“（或“场”）。这里的“绝对化”其实是指不受物体运动状态影响的意思。

牛顿运动定律在日常条件下对宏观对象有很好的近似性。然而，牛顿定律（结合万有引力和经典电动力学）在某些情况下是不合适的，最显著的是在非常小的尺度，非常高的速度或非常强的引力场。因此，这些定律不能用来解释诸如半导体中的电传导、物质的光学性质、非相对论校正GPS系统中的误差和超导电性等现象。对这些现象的解释需要更复杂的物理理论，包括广义相对论和量子场理论。

牛顿运动定律只适用于质点，牛顿运动定律中所指的物体为质点。即物体的大小和形状被忽略，从而更容易关注其运动。当物体与其分析所涉及的距离相比较小时，或者当物体的变形和旋转不重要时，可以这样做。这样，即使是行星也可以被理想化为一个粒子，用来分析恒星绕恒星的轨道运动。

牛顿运动定律只适用于惯性参考系。孤立质点相对它静止或做匀速直线运动的参考系为惯性参考系。在非惯性参考系（加速参考系）中牛顿运动定律不适用，因为不受外力的物体在该参考系中也可能具有加速度，与牛顿第一运动定律相悖；只有在惯性参考系中牛顿运动定律才适用。但通过惯性力的引入可以使牛顿运动定律中的第二定律的表示形式在非惯性系中适用。

相对于一个惯性系作加速运动的参考系一定是非惯性系。由于转动产生加速度，所以相对一个惯性系作转动的参考系也一定是非惯性系。自然界中不存在严格的惯性系，任何物体间都有万有引力，参考系所选定的参照物总要受到引力作用而产生加速度。通常认为太阳系相对于地心系和地面系来说是较好的惯性系，其次是地心系。

1905年以来，爱因斯坦的相对论推翻了牛顿建立的大部分科学体系。爱因斯坦指出，牛顿运动定律在超出经典力学范围或质点、惯性参考系以及宏观、低速运动问题等适用条件时，不再成立。

牛顿运动定律只适用宏观问题。解决微观问题必须使用量子力学。

牛顿运动定律只适用低速问题。若物体的速度与光速接近时，必须使用狭义相对论。

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