בשנת 1600, מדענים רבים היו מופתעים מהשיטה שבה מדענים מודרניים נגשים לפתרון בעיה. קפלר הסיק כי מסלולים אליפטיים הם תיאור הטוב ביותר, או מודל המתאר את תנועתם של הפלנטות. הוא גם מצא תבניות החוזרות על עצמן בתנועות ובמרווחים של הפלנטות. ממצאיו תמכו בהשערתן של קופרניקוס ביחס למבנה מערכת השמש. אסטרונומים נזקקו כעת לתיאוריה פיזיקלית שלמה יותר כדי להסביר ולחזות את התופעות האסטרונומיות שבהן צפו. כדי להצליח, היה על התיאוריה להתחיל עם כמה עקרונות אוניברסליים ולהראות כי מסלולים אליפטי של קפלר נובעים מעקרונות אלה. אם תיאוריה כזו יכולה להתפתח, המדענים האמינו שהם יוכלו להבין גם תופעות אחרות בטבע.
באדיבות וויקיפדיה
האיש שפיתח את התיאוריה שהסבירה את תנועת הפלנטות והמקובל כפיזיקאי הגדול והיצירתי ביותר שחי אי פעם – היה אייזק ניוטון. ניוטון חולל מהפכה בתחומי הפיזיקה והאסטרונומיה. הוא נולד בדרום אנגליה בשנת 1642, מיד לאחר מותו של גלילאו. הוא היה ילד בודד ומודאג, שקוע במחשבותיו. בין הגילאים 23 ל- 25, בעת שלמד בקיימברידג ', הוא פיתח את החשבון האינפיניטסימלי (הידוע גם בשם חשבון דיפרנציאלי ואינטגרלי), גילה את חוקיות כוח הכבידה ותכונות מסוימות של האור, ושיפר את עיצוב הטלסקופ. ניוטון אמר פעם שהוא מפתח את התגליות שלו "על ידי כך שהוא חושב עליהן ללא הפסקה", תכונה שתרמה ללא ספק למוניטין שלו כהוגה השקוע בשרעפיו.
ניוטון חשב עמוקות על האופן שבו חפצים זזים והסיק שלושה חוקי תנועה המתארים את המכניקה של חפצים בעולם היומיום.
- החוק הראשון מבניהם מקורו ברעיונותיו של גליליאו בנוגע להתמדה: גוף הנמצא במנוחה יישאר במנוחה או שינוע במהירות קבועה בקו ישר, אלא אם כן פועל עליו שקול כוחות שונה מאפס. יש כאן כמה רעיונות חשובים. הראשון הוא כי תנועה במהירות אחידה היא טבעית כמו חוסר תנועה, רעיון המהווה את נטישת אחד העיקריים של הפיזיקה היוונית.
- החוק השני הוא שגוף משנה את מהירותו כאשר פועל עליו כוח – כך אנו מגדירים את מושג הכוח. לדוגמה, ידוע כי כדור מתגלגל תמיד נעצר. ניוטון הבין שהוא מאט משום שכוח החיכוך פועל עליו. במצב של חיכוך נמוך, כמו דסקית הוקי המחליקה על פני הקרח, התנועה תהיה כמעט אחידה. מה פירוש "כוח מאוזן?" כאשר יושבים על כיסא לא זזים משום שהכיסא דוחף אותנו כלפי מעלה בכוח השווה לכוח המשיכה המושך אותנו לעבר מרכז כדור הארץ. אם זה לא כך היה, הכיסא היה נשבר או שמצבנו הנייח היה משתנה לפתע. החוק השני של ניוטון מנסח באופן מתמטי את היחס בין הכוח שינוי במהירות. כל גוף שפועל עליו כוח נע בתנועה מואצת. התאוצה נמצאת ביחס ישר לגודל וכיוון הכוח ובה בעת גודל התאוצה נמצא ביחס הפוך למסה של הגוף. מושג המסה קשור למידת ההתמדה או "ההתנגדות של הגוף" לשינוי במהירותו. כך למשל אם דוחפים במאמץ עגלת קניות נוצרת "התנגדות קטנה" לכוח שמפעילים על העגלה, כך ניתן לשנות את המהירות של העגלה, או במילים אחרות להאיץ אותה בקלות יחסית. אם נדחוף מכונית במישור בכוח השווה לכוח שאנו דוחפים עגלת קניות (בזמן שהבלם משוחרר) ייוצר שינוי קטן במהירות שלה כלומר קשה יחסית להאיץ מכונית משום שמסתה גדולה בהרבה ממסת עגלת הקניות. ככל שהכוח הפועל על גוף גדול יותר כך וככל שמסתו קטנה יותר תאוצתו תהיה גדולה יותר.במילים אחרות החוק שני טוען: כוח שווה למסה כפול התאוצה. היות וגם לכוח וגם לתאוצה יש גם גודל וגם כיוון זהו חוק וקטורי:
∑F = ma
כאשר :
∑F הסכום הוקטורי של כל הכוחות הפועלים על הגוף (שקול הכוחות)
m מסת הגוף
a תאוצת הגוף
- החוק השלישי של ניוטון נקרא לפעמים עקרון הפעולה והתגובה. הוא קובע כי עבור כל כוח (הנקרא לפעמים פעולה) שמפעיל גוף א' על גוף ב', יש כוח שווה בגודלו ומנוגד בכיוונו (הנקרא לפעמים תגובה) שמפעיל גוף ב' על גוף א'. אין בטבע כוחות בודדים. תמיד מופיע כוח תגובה. קחו למשל את הנעה של רקטות. דלק רקטות יוצר כוח המאיץ את הרקטה קדימה, אך כוח שווה לכוח המאיץ גורם לסילון גזי הפליטה לנוע במהירות גבוהה מאוד לאחור. אם מכים באגרוף בקיר (לא מומלץ!), הכוח שמפעילים על הקיר שווה לכוח שהקיר מפעיל על היד וגורם לכאב רב. אותו עיקרון מתרחש ביריית אקדח: הכוח שהאקדח מפעיל על הקליע שווה לכוח שהקליע מפעיל על האקדח. משום כך חשוב שמסת האקדח תהיה גדולה בהרבה ממסת הקליע. דוגמה נוספת היא כאשר יורדים מסירה אל המזח, הכוח שמניע אותנו אל המזח מנוגד לכוח הדוחף את הסירה מן המזח. לפעמים "מסתתר" אחד מהכוחות. כך לדוגמה, כאשר קופצים כלפי מעלה, מפעילים כוח כלפי מטה על כדור הארץ כולו, אבל המסה וההתמדה של כדור הארץ הם כל כך גדולים, כך שתנועתו אינה ניכרת כלל. לעומת זאת כוח התגובה של כדור הארץ משפיע משמעותית עלינו ואנו נעים כלפי מעלה.
ההבנה שגילה ניוטון ביחס לדרך שבה פועלים הכוחות ביקום הייתה כה רחבה, עד שקבוצת החוקים העוסקת בכוחות נקראת על שמו – חוקי ניוטון. כמו ברוב המושגים הפיזיקליים האחרים, ניתן לתאר את הכוח במונחים של שלוש היחידות הבסיסיות: מסה, אורך וזמן. ניתן לצמצם משתנים פיזיקליים מורכבים רבים לשילוב של שלוש יחידות אלה. חוקי התנועה של ניוטון הם הבסיס של המכניקה. תחום העוסק במחקר הדרכים בהן חפצים נעים.
לחוקי התנועה של ניוטון יש השלכה עמוקה על החשיבה המדעית. המדע תלוי בהנחה של סיבתיות כלומר שלכל תוצאה קיימת סיבה הניתנת לזיהוי. אריסטו נאלץ להסביר את התנועות השונות של נוצה המרחפת באוויר וסלע נופל במונחים הקשורים ל"טבע" הגופים השונים. ניוטון הסיר את כל המסתורין הבלתי מוסבר הזה, באמצעות זיהוי הסיבות לתנועות מכל הסוגים. כדור מתגלגל מפסיק לנוע כי כוח החיכוך פועל עליו. הציפור ממשיכה לעוף משום שכנפיה המכות באוויר גורמו לאוויר להפעיל עליה כוח כלפי מעלה. מכאן, שהטבע אינו קפריזי. גופים נופלים אינם מתאימים עצמם באופן ספונטני לסביבה. חוקי ניוטון קובעים כי היקום הוא מקום רציונלי שבו קיימות סיבות לכל האירועים.
לעבודתו של ניוטון הייתה תוצאה מעשית גדולה. הבנה שיטתית של תנועות וכוחות הגורמים להן הובילה את הממציאים החכמים לנסות ולרתום את הכוחות האלה למכונות מועילות. מנוע הקיטור היה אחת הדוגמאות הראשונות ברצף של חדשנות, שישנה את הסביבה הכלכלית של אנגליה ובסופו של דבר את העולם, לבלי הכר. בתוך מאה שנים מאז עבודתו של ניוטון החלה המהפכה התעשייתית.