La réponse de joshphysics est excellente, et un parfait ordre logique des concepts, dans lequel la force est définie en termes de masse. Personnellement, je préfère un ordre logique légèrement différent (qui finit bien sûr par être équivalent), dans lequel la masse est définie en termes de force:
First law: Des référentiels inertiels locaux existent.
Je ne peux pas améliorer l'excellente explication de joshphysics ici.
Seconde loi: La masse de chaque objet existe et est indépendante de la force qui lui est appliquée.
Nous définissons une "force" $ F_i $ comme étant une influence physique résultant d'une configuration expérimentale répétable. ($ i $ n'est qu'une étiquette, pas un composant vectoriel.) Par exemple, nous pourrions considérer un élastique simple , étiré d'un montant fixe, auquel nous nous connectons une série de différents "objets de test". Cela définit une force $ F_1 $ qui n'est pas une quantité vectorielle (d'où le manque de script gras), mais plutôt une étiquette pour une configuration expérimentale particulière. Ou nous pourrions considérer l'attraction gravitationnelle $ F_2 $ de Jupiter sur divers "objets de test" quand il est à un emplacement et à une distance particuliers par rapport à l'objet de test. Une force donnée $ F_i $ agissant sur un objet de test donné $ o_j $ lui donnera un vecteur d'accélération mesurable $ {\ bf a} (F_i, o_j) $.
Nous trouvons maintenant trois résultats empiriques non triviaux:
(i) Si les forces $ F_1 $ et $ F_2 $ induisent des accélérations $ {\ bf a} _1 $ et $ {\ bf a} _2 $ dans un objet lorsqu'elles sont appliquées individuellement, alors elles induisent une accélération $ {\ bf a } _1 + {\ bf a} _2 $ dans l'objet lorsqu'il est appliqué simultanément.
(ii) Une force donnée $ F_i $ accélère tous les objets de test dans la même direction (bien qu'avec des magnitudes différentes). En d'autres termes,
$$ {\ bf a} (F_i, o_j) \ parallel {\ bf a} (F_i, o_ {j '}) $$
pour tout $ i $, $ j $ et $ j '$.
(iii) Supposons que nous ayons deux forces différentes $ F_1 $ et $ F_2 $ (par exemple, deux élastiques de rigidité différente) et deux objets de test différents $ o_A $ et $ o_B $. L'égalité suivante est toujours valable:
$$ \ frac {| {\ bf a} (F_1, o_A) |} {| {\ bf a} (F_1, o_B) |} = \ frac {| {\ bf a} (F_2, o_A) |} {| {\ bf a} (F_2, o_B) |}. $$
Cela suggère une manière naturelle de quantifier systématiquement les effets des différentes forces. Prenez d'abord un objet de test particulier $ O $ et assignez-lui une quantité scalaire arbitraire $ m_O $ appelée sa "masse". Ne vous inquiétez pas encore de la signification physique de cette quantité. Notez que seulement cet objet particulier a une "masse" bien définie à ce stade. Appliquez maintenant toutes vos différentes forces à l'objet $ O $. Chaque force $ F_i $ induira une certaine accélération $ {\ bf a} (F_i, O) $ sur $ O $. Attribuez maintenant à chaque force $ F_i $ une quantité de vecteur
$$ {\ bf F} _i: = m_O \, {\ bf a} (F_i, O) $$
qui "enregistre" son action sur l'objet de test $ O $. Notez que la deuxième loi de Newton est trivialement vraie uniquement pour l'objet de test particulier $ O $. Notez également que changer la valeur de $ m_O $ dilate simplement tous les vecteurs de force du même montant, vous pouvez donc aussi bien choisir des unités de masse dans lesquelles il a la valeur numérique de 1 $. L'observation empirique (ii) ci-dessus peut maintenant être reformulée comme suit:
(ii ') Pour toutes les forces $ F_i $ et les objets de test $ o_j $,
$$ {\ bf F} _i \ parallel {\ bf a} (F_i, o_j). $$
On peut donc définir une grandeur scalaire $ m _ {(i, j)} $, qui dépend à la fois de la force appliquée et sur l'objet de test, telle que
$$ {\ bf F} _i = m _ {(i, j)} {\ bf a} (F_i, o_j). $$
Ceci justifie la première affirmation de la deuxième loi, selon laquelle la masse de chaque objet existe. Rappelez-vous de la définition du vecteur de force que
$$ m_O {\ bf a} (F_i, O) = m _ {(i, j)} {\ bf a} (F_i, o_j), $$ donc seulement le ratio $ m _ {( i, j)} / m_O $ est physiquement mesurable, comme mentionné ci-dessus.
Si nous laissons $ o_B $ être l'objet de test $ O $, alors l'observation empirique (iii) ci-dessus peut être réarrangée en $ m _ {(1, A)} = m _ {(2, A)} $ pour tout testobjets $ o_A $, justifiant la deuxième affirmation de la deuxième loi selon laquelle la masse d'un objet ne dépend pas de la force externe qui lui est appliquée.
Enfin, les faits que (a) les accélérations induites s'ajoutent en tant que vecteurs et (b) la masse d'un objet ne dépendent pas de la force appliquée, impliquent ensemble que les forces appliquées s'ajoutent également en tant que vecteurs.
Ttroisième loi: Lorsqu'un objet exerce une force sur un second objet, le second objet exerce simultanément une force égale en magnitude et de direction opposée sur le premier objet.
Nous avons déjà défini le vecteur de force $ {\ bf F} $ ci-dessus, c'est donc clairement une observation empirique non triviale plutôt qu'une définition.