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人类自拥有独立思想以来，就一直在尝试读懂自然这个伟大的侦探故事。但是直到300多年以前
，科学家才刚刚开始读懂这个故事。从伽利略（Galileo）和牛顿（Newton）的时代开始，科学家们的阅读速度大大加快了。侦探技巧，系统化寻找、追踪线索的各种手段也应运而生。尽管某些自然之谜当时已经得到解决，但随着研究的不断深入，我们发现许多答案只是浅尝辄止，并且只是暂时性的。
几千年来，因为各种复杂因素堆叠，运动这个问题一直不为人所理解。我们在自然界中所能观察到的各种运动，例如向空中抛掷石子，船舶在海上航行，车子在街上行驶等，事实上都是很复杂的。要想理解这些现象，我们最好从最简单的那些运动着手，然后逐步研究那些更复杂的。设想一个静止的物体，没有任何运动。要想改变这个物体的位置，我们就得让力作用于这个物体，比如说推它，抬起它，或者借助其他的物体（如马、蒸汽机等）对它施力。直觉上我们认为运动离不开推、抬、拉等动作。无数次的经验让我们大胆地断言，要想让一个物体运动得更快，必须对它作用更大的力。我们似乎可以很自然地得出结论：对一个物体施加的力越大，它的运动速度就会越快。一架四匹马拉的车比一架两匹马拉的车跑得更快一些。直觉让我们相信，速度跟作用力息息相关。
读过侦探小说的人都非常清楚：一个错误的线索，往往会把思路引入歧途，以致迟迟找不到问题的答案。完全依赖直觉的推理方法是错误的，它会导致我们对运动概念的理解存在问题，而这样的观念在历史上持续了许多世纪。人们长期笃信基于直觉的观点，与亚里士多德在整个欧洲享有巨大的威望密不可分。两千多年前，他在所著的《力学》中写道：
当本来推动物体运动的力不再作用时，原本运动的物体就会停下来。
伽利略的发现以及他所采用的基于科学的论证方法是人类思想史上最伟大的成就之一，这标志着物理学的真正开端。伽利略的发现告诉我们，基于直接观察和直觉得出的结论并不总是可信的，因为它们有时候会把我们引到错误的线索上去。
但是直觉在哪里出错了呢？一架四匹马拉的车比一架两匹马拉的车跑得更快，这难道还会出错吗？
让我们更加细致地观察一下关于运动的基本事实。首先，我们来看看自人类文明伊始我们再熟悉不过的简单的日常经验，以及我们在努力求生存的过程中积累的经验。
假设有人推着一辆手推车在平路上行走，然后突然停止推车，小车会再持续前进一小段距离，然后停止不动。怎样才能在停手之后让小车走得更远呢？有许多种办法，例如给车轮涂油，让路变得更平滑，等等。车轮越容易转动，路越平滑，小车就会走得越远。但是在车轮上涂油和把路变得平滑到底起到了什么作用呢？只有一种作用，那就是使外部的影响力变小，即车轮以及车轮与路面之间所谓的摩擦力施加的影响减小了。这是对观察到的现象做出的一种理论解释，实际上，这个解释还是不够严谨。再往前迈一大步，我们就能够找到正确的线索：假设路是绝对平滑的，车轮与路面间也不存在任何摩擦力，那么就没有什么能够阻止小车前进了，它就会永远运动下去。当然只有理想状态下的实验才能得到这个结论，而该实验事实上是永远无法完成的，因为我们不可能免除所有外界施加影响的力。这个理想化的实验让我们看到了真正奠定运动力学基础的线索。
拿处理这个问题的两种方法做对比，我们可以说，基于直觉的观念是这样的：作用力越大，速度便越快。因此，速度就意味着有没有外力作用于物体之上。伽利略发现的新线索是：一个物体，如果没有人去推它、拉它，也没有用任何其他方法对它施加作用力，或者简单地说，假设没有外力作用于这个物体，那么它会做匀速直线运动，也就是将沿着一条直线以同样的速度运动下去。因此，速度本身并不意味着有没有外力作用于物体上。几十年之后，伽利略这个正确的结论被牛顿总结为 惯性定律 。这个定律，通常就是我们在学校里开始学习物理学时熟记在心的牛顿第一定律，大家可能还记得这个定律：
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。
前文谈到过，惯性定律不能直接通过做实验得出，只能根据观察和后续的思辨得出。理想状态下的实验无论什么时候都是不能实现的，但它能使我们对实际的实验有更加深刻的理解。
尽管身边存在着各式各样的复杂运动，但我们还是选择匀速直线运动作为第一个例子。这是最简单的运动，因为没有任何外力作用于运动物体之上。可是匀速直线运动是永远不可能实现的：从塔上扔下石子，在平路上推动小车都不可能实现匀速直线运动，因为我们不可能完全避免外力的影响。
通常在一个好的侦探故事中，最明显的线索会把我们引向错误的猜想。当我们尝试理解自然规律时，我们同样发现，最明显的、基于直觉的解释往往是错误的。
在人的思维中，宇宙总是处于不断变化当中。伽利略的贡献就在于他打破了这种基于直觉的观点，并用新的观点取而代之。这便是伽利略的发现其重要意义所在。
但是另外一个关于运动的问题马上就出现了。如果速度跟作用在物体上的外力无关的话，那么速度到底是什么呢？伽利略发现了这个重要问题的答案，牛顿则更加准确地解释了这个问题，并形成了我们进一步追寻真相的线索。
为了找到正确的答案，我们必须更深入地去想象在一条绝对平滑的道路上行驶的小车。在我们的理想实验中，没有任何外力作用于这辆小车，因而其是匀速运动的。现在假设有人沿着这辆小车匀速前进的方向推它一下，这时候会发生什么呢？很显然，它的速度会增加。同样显而易见的是，如果朝这辆小车运动的反方向推一下，则小车的速度会减小。在第一个例子中，小车因为被推而加速；在第二个例子中，小车因为被推而减速。所以我们可以随即得出一个结论：外力的作用改变了速度。因此，速度本身跟推和拉这样的动作无关，速度的改变是因为受到了这些外力的影响。而一个力到底是让速度增加还是让速度减小，要看它是跟物体运动的方向相同还是相反。伽利略清楚地认识到了这一点，并且在他的著作《两门新科学的谈话》中写道：
……给予一个运动的物体某种速度以后，只要不存在造成速度增加或者减小的外部的力，那么这个物体会始终严格地保持这个速度——只在水平的平面这个条件下才成立。因为假如不是一个平面，而是一个斜坡，如果是朝下运动，那么就已经存在了一个加速的力；如果是朝上运动，也已经存在了一个减速的力。由此可知，只有在水平平面上的运动才可以永远持续下去，因为假如运动是匀速的，那么速度不会减小或放缓，更不会消失。
沿着这个正确的线索进行研究，我们可以更加深刻地理解运动的问题。不同于我们直觉上所认为的力与速度的关系，力与速度的改变之间的联系构成了牛顿建立起来的经典力学的基础。
我们已经使用在经典力学中发挥主要作用的两个概念：力和速度的改变。随着科学的不断进步和发展，这两个概念都已经得到不断延伸和扩展。因此我们必须更加仔细地对它们进行检验。
力是什么呢？从直觉上来讲，这个概念并不难琢磨。力的概念跟推、抛、拉等这些动作，以及伴随这些动作而产生的肌肉感觉息息相关。但是这个概念所包括的远远不止这些简单例子。不用设想马拉车这样的场景，我们可以想想另外一些力。我们可以设想一下太阳与地球之间、地球与月球之间的引力，以及产生潮汐现象的那些力。同样，我们也可以想一想地球把我们以及我们周边所有物体都限制在它影响范围内的力，以及掀起海浪和吹动树叶的风力。一般而言，无论何时何地，只要我们看到了速度的改变，那么就可以断定，这是外力作用的结果。牛顿在他的著作《原理》中写道：
施加在物体上的力是用以改变它的静止或匀速直线运动状态的一种动作。
这个力只存在于动作中，一旦动作结束了，这个力也就结束了。因为物体都会因为惯性的缘故，保持它运动状态改变之后的新状态。作用在物体上的力有不同的来源，比如敲击、按压和向心力等。
从塔顶向下扔一颗石子，那么它的运动绝不可能是匀速的——其速度会随着石子的下降而逐渐增加。我们断定：外部作用在这颗石子上的力是跟石子运动的方向相同的。换句话说，地球在向下拉着石子。我们再来举个例子，如果我们把石子往上抛，会出现什么情况呢？它的速度会逐渐减小，等到石子到达最高点时就开始往下落。向上抛物体会减速，向下扔物体会加速，这是同一个力造成的。只不过在第一种情况下，作用力跟物体运动方向相同，而在第二种情况下作用力跟物体运动方向相反。力是同一个力，它会造成加速或减速取决于石子的运动方向。