牛頓的牛頓定律

　　1643年1月4日，艾薩克·牛頓出生於英格蘭林肯郡鄉下的一個小村落伍爾索普村的伍爾索普***Woolsthorpe***莊園。在牛頓出生之時，英格蘭並沒有採用教皇的最新曆法，因此他的生日被記載為1642年的聖誕節。

　　牛頓***1643年1月4日-1727年3月21日***爵士，英國皇家學會會員，英國偉大的物理學家、數學家、天文學家、自然哲學家，百科全書式的“全才”，著有《自然哲學的數學原理》、《光學》、《二項式定理》和《微積分》。他在1687年7月5日發表的《自然哲學的數學原理》裡提出的萬有引力定律以及他的牛頓運動定律，奠定了此後三個世紀裡物理世界的科學觀點，併成為了現代工程學的基礎。在力學上，牛頓闡明瞭動量和角動量守恆的原理。在光學上，他發明了反射望遠鏡，還系統地表述了冷卻定律，並研究了音速。在數學上，他發明了微積分學，提出了“牛頓法”以趨近函式的零點，併為冪級數的研究作出了貢獻。在經濟學上，他提出了金本位制度。牛頓總共留下了50多萬字的鍊金術手稿和100多萬字的神學手稿。

　　牛頓在伽利略等人工作的基礎上進行深入研究，總結出了物體運動的三個基本定律***牛頓三定律***：

　　第一定律***即慣性定律***

牛頓

　　任何一個物體在不受任何外力或受到的力平衡時***Fnet=0***，總保持勻速直線運動或靜止狀態，直到有作用在它上面的外力迫使它改變這種狀態為止。

　　第二定律

　　①牛頓第二定律是力的瞬時作用規律。力和加速度同時產生、同時變化、同時消逝。②F=ma是一個向量方程，應用時應規定正方向，凡與正方向相同的力或加速度均取正值，反之取負值，一般常取加速度的方向為正方向。③根據力的獨立作用原理，用牛頓第二定律處理物體在一個平面內運動的問題時，可把物體所受各力正交分解，在兩個互相垂直的方向上分別應用牛頓第二定律的分量形式：Fx=max，Fy=may列方程。

　　牛頓第二定律的六個性質：①因果性：力是產生加速度的原因。②同體性：F合、m、a對應於同一物體。③向量性：力和加速度都是向量，物體加速度方向由物體所受合外力的方向決定。牛頓第二定律數學表示式∑F = ma中，等號不僅表示左右兩邊數值相等，也表示方向一致，即物體加速度方向與所受合外力方向相同。④瞬時性：當物體***質量一定***所受外力發生突然變化時，作為由力決定的加速度的大小和方向也要同時發生突變;當合外力為零時，加速度同時為零，加速度與合外力保持一一對應關係。牛頓第二定律是一個瞬時對應的規律，表明了力的瞬間效應。⑤相對性：自然界中存在著一種座標系，在這種座標系中，當物體不受力時會保持勻速直線運動或靜止狀態，這樣的座標系叫慣性參照系。地面和相對於地面靜止或作勻速直線運動的物體可以看作是慣性參照系，牛頓定律只在慣性參照系中才成立。⑥獨立性：作用在物體上的各個力，都能各自獨立產生一個加速度，各個力產生的加速度的失量和等於合外力產生的加速度。

　　適用範圍：①只適用於低速運動的物體***與光速比速度較低***。②只適用於巨集觀物體，牛頓第二定律不適用於微觀原子。③參照系應為慣性系。兩個物體之間的作用力和反作用力，在同一直線上，大小相等，方向相反。***詳見牛頓第三運動定律***

　　第三定律

　　表示式　F=-F'　***F表示作用力，F'表示反作用力，負號表示反作用力F'與作用力F的方向相反***

　　艾薩克·牛頓這三個非常簡單的物體運動定律，為力學奠定了堅實的基礎，並對其他學科的發展產生了巨大影響。第一定律的內容伽利略曾提出過，後來R.笛卡兒作過形式上的改進，伽利略也曾非正式地提到第二定律的內容。第三定律的內容則是牛頓在總結C·雷恩、J·沃利斯和C·惠更斯等人的結果之後得出的。

　　牛頓是萬有引力定律的發現者。他在1665～1666年開始考慮這個問題。萬有引力定律***Law of universal gravitation***是艾薩克·牛頓在1687年於《自然哲學的數學原理》上發表的。1679年，R·胡克在寫給他的信中提出，引力應與距離平方成反比，地球高處拋體的軌道為橢圓，假設地球有縫，拋體會回到原處，而不是像牛頓所設想的軌道是趨向地心的螺旋線。牛頓沒有回信，但採用了胡克的見解。在開普勒行星運動定律以及其他人的研究成果上，他用數學方法匯出了萬有引力定律。

　　牛頓把地球上物體的力學和天體力學統一到一個基本的力學體系中，創立了經典力學理論體系。正確地反映了巨集觀物體低速運動的巨集觀運動規律，實現了自然科學的第一次大統一。這是人類對自然界認識的一次飛躍。

　　牛頓指出流體粘性阻力與剪下率成正比。他說：流體部分之間由於缺乏潤滑性而引起的阻力，如果其他都相同，與流體部分之間分離速度成比例。在此把符合這一規律的流體稱為牛頓流體，其中包括最常見的水和空氣，不符合這一規律的稱為非牛頓流體。

　　在給出平板在氣流中所受阻力時，牛頓對氣體採用粒子模型，得到阻力與攻角正弦平方成正比的結論。這個結論一般地說並不正確，但由於牛頓的權威地位，後人曾長期奉為信條。20世紀，T·卡門在總結空氣動力學的發展時曾風趣地說，牛頓使飛機晚一個世紀上天。

　　關於聲的速度，牛頓正確地指出，聲速與大氣壓力平方根成正比，與密度平方根成反比。但由於他把聲傳播當作等溫過程，結果與實際不符，後來P.-S.拉普拉斯從絕熱過程考慮，修正了牛頓的聲速公式。