بررسی حرکت اجسام و یافتن اینکه چگونه یک حرکت بوجود میآید ذهن بشر را برای قرنها به خود مشغول کرده بود، اما توفیق چندانی در این مورد بدست نیامده بود. نیوتن با بهره گیری از هوش سرشار و تلاش بسیار خود با تدوین قوانین حرکت که به نام خود او اسم گذاری شده است، توانست قدمهای بزرگی بردارد و بسیاری از مسائل حرکت را با موفقیت زیاد حل کند. پیش از گالیه تصور میشد که حتی برای ادامه حرکت یکنواخت اجسام باید به آنها نیرو وارد کرد.
این تصور از برداشت غیر مو شکافانه حرکت اجسام در زندگی روزمره ناشی میشد. به تجربه ثابت شده بود که اگر از هل دادن صندوقی که روی سطحی افقی با سرعت ثابت حرکت میکند دست بردارند، یعنی به آن نیرو وارد نکنند صندوق از حرکت باز میایستد. گالیله با انجام آزمایش و پس از آن نیز با تعمیم ذهنی نتایج آزمایش ، نخستین کسی بود که در این تصور عمومی تردید کرد. نیوتن که در سال مرگ گالیله به دنیا آمد بررسیهای دقیق درباره حرکت انجام داد و قوانین حرکت را استخراج کرد.
بنا به تعریف هیچ نیرویی نباید بر جسم اثر کند اما حداقل نیروی گرانش زمین بر جسم اثر خواهد کرد و نمیتوان آنرا از میان برد. با استفاده از وسایل آزمایشگاهی مخصوص میتوان شرایطی فراهم کرد که بجز در راستای قائم حداقل نیروی گرانش کره زمین بر جسم اثر میکند، در کلیه جهتهای افقی تقریبا نیرویی بر جسم اثر نکند در نتیجه به کمک این وسایل میتوان قانون اول نیوتن را در جهت افقی با تجربه آزمود. یکی از وسایل تخت هواست، تخت هوا از محفظهای به شکل مکعب مستطیل ساخته شده است که روی آن تعدادی سوراخ ریز وجود دارد. در هنگام آزمایش باید سطح آن کاملا افقی باشد هوا با سرعت وارد محفظه شده و از تمام سوراخها خارج میشود.
اگر مهرهای روی تخت هوا قرار دهیم لایه نازکی از هوا میان مهره و سطح تخت هوا تشکیل میشود و تماس نزدیک مهره با سطح تخت هوا از میان میرود. به این ترتیب اصطکاک میان مهره و سطح تخت هوا بسیار کوچک میشود. در نتیجه در کلیه جهتهای افقی تقریبا نیروی بر جسم وارد نمیشود، اگر به مهره سرعت کمی داده شود تا کناره تخت هوا در امتداد خط مستیقم و با همان سرعت پیش میرود و به این ترتیب قانون اول نیوتن در جهت افقی با آزمایش تأیید میشود. ملاحظه میشود که حرکت جسم در امتداد خط مستقیم و افقی با سرعت ثابت نیازی به نیرو ندارد.
قانون لختی
یک کشتی فضایی در فضای میان ستارهها و با فاصله بسیار زیاد در آنها با هیچ چیزی برهمکنش ندارد. اگر این کشتی فضایی موتور خود را خاموش کند طبق قانون اول نیوتن در امتداد یک خط راست با سرعت ثابت حرکت میکند و مفهوم قانون لختی این است که اگر بر جسمی نیرو وارد نشود جسم مایل است وضعیت حرکت خود را حفظ کند. این خاصیت از اجسام که میل دارند وضعیت حرکت خود را در غیاب نیرو حفظ کنند لختی نامیده میشود. از اینرو قانون اول نیوتنقانون لختی نیز نامیده میشود و چارچوبهای مرجعی که این قانون در آنها بکار میرود چارچوبهای لخت نام دارند، این چارچوبها نسبت به ستارههای دور ثابت فرض میشوند.
نتایج قانون اول نیوتن
- در این قانون تفاوتی میان جسم ساکن و جسمی که با سرعت ثابت حرکت می کند وجود ندارد، هر دو حرکت در غیاب نیرو طبیعیاند، دلیل این امر وقتی روشن میشود که جسم ساکن در یک چارچوب مرجع لخت ، مرجع لخت دیگری که با سرعت ثابت نسبت به اولی حرکت میکند مشاهده کنیم. ناظری که در چارچوب اول قرار دارد جسم را در حال سکون میبینید و ناظر واقع در چارچوب دوم میبیند که همان جسم با سرعت یکنواخت در حال حرکت است. هر دو ناظر متوجه میشوند که جسم شتاب ندارد یعنی سرعت آن تغییر نمیکند و هر دو از قانون اول نتیجه میگیرند که هیچ نیرویی بر جسم وارد نمیشود.
- میان نبودن و بودن نیروهایی که برآیندشان صفر است تفاوتی وجود ندارد. مثلا اگر فشار دستها به کتاب نیروی اصطکاک را کاملا خنثی کند کتاب با سرعت یکنواخت حرکت میکند، بنابراین راه دیگر بیان قانون اول این هست که اگر در مجموع نیرویی بر جسم اثر نکند شتاب آن صفر است.