LEYES DE NEWTON
Primera ley de Newton o Ley de la inercia
La
primera ley del movimiento rebate la idea aristotélica de que un cuerpo sólo
puede mantenerse en movimiento si se le aplica una fuerza. Newton expone que:
Todo cuerpo persevera en su estado de
reposo o movimiento uniforme y rectilíneo a no ser que sea obligado a cambiar
su estado por fuerzas impresas sobre él.
Esta
ley postula, por tanto, que un cuerpo no puede cambiar por sí solo su estado
inicial, ya sea en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme, a menos que se
aplique una fuerza o una serie de fuerzas cuyo resultante no sea nulo sobre él.
Newton toma en cuenta, así, el que los cuerpos en movimiento están sometidos
constantemente a fuerzas de roce o fricción, que los frena de forma progresiva,
algo novedoso respecto de concepciones anteriores que entendían que el
movimiento o la detención de un cuerpo se debía exclusivamente a si se ejercía
sobre ellos una fuerza, pero nunca entendiendo como esta a la fricción.
En
consecuencia, un cuerpo con movimiento rectilíneo uniforme implica que no
existe ninguna fuerza externa neta o, dicho de otra forma; un objeto en movimiento
no se detiene de forma natural si no se aplica una fuerza sobre él. En el caso
de los cuerpos en reposo, se entiende que su velocidad es cero, por lo que si
esta cambia es porque sobre ese cuerpo se ha ejercido una fuerza neta.
Ejemplo,
para un pasajero de un tren, el interventor viene caminando lentamente por el
pasillo del tren, mientras que para alguien que ve pasar el tren desde el andén
de una estación, el interventor se está moviendo a una gran velocidad. Se
necesita, por tanto, un sistema de referencia al cual referir el movimiento.
La
primera ley de Newton sirve para definir un tipo especial de sistemas de
referencia conocidos como Sistemas de referencia inerciales, que son aquellos
sistemas de referencia desde los que se observa que un cuerpo sobre el que no
actúa ninguna fuerza neta se mueve con velocidad constante.
En
realidad, es imposible encontrar un sistema de referencia inercial, puesto que
siempre hay algún tipo de fuerzas actuando sobre los cuerpos, pero siempre es
posible encontrar un sistema de referencia en el que el problema que estemos
estudiando se pueda tratar como si estuviésemos en un sistema inercial. En
muchos casos, por ejemplo, suponer a un observador fijo en la Tierra es una
buena aproximación de sistema inercial. Lo anterior porque a pesar que la
Tierra cuenta con una aceleración traslacional y rotacional estas son del orden
de 0.01 m/s^2 y en consecuencia podemos considerar que un sistema de referencia
de un observador dentro de la superficie terrestre es un sistema de referencia
inercial.
Segunda ley de Newton o Ley de fuerza
La
segunda ley del movimiento de Newton dice que
El
cambio de movimiento es proporcional a la fuerza motriz impresa y ocurre según
la línea recta a lo largo de la cual aquella fuerza se imprime
Esta
ley explica qué ocurre si sobre un cuerpo en movimiento (cuya masa no tiene por
qué ser constante) actúa una fuerza neta: la fuerza modificará el estado de
movimiento, cambiando la velocidad en módulo o dirección. En concreto, los
cambios experimentados en el momento
lineal de un cuerpo son proporcionales a la fuerza motriz y se
desarrollan en la dirección de esta; esto es, las fuerzas son causas que
producen aceleraciones en los cuerpos. Consecuentemente, hay relación entre la causa y el efecto, esto es, la fuerza y la
aceleración están relacionadas. Dicho sintéticamente, la fuerza se define
simplemente en función del momento en que se aplica a un objeto, con lo que dos
fuerzas serán iguales si causan la misma tasa de cambio en el momento del
objeto.
En
términos matemáticos esta ley se expresa mediante la relación:
Donde:
Suponiendo
que la masa es constante y que la velocidad es muy inferior a la velocidad de la luz
la ecuación anterior se puede reescribir de la siguiente manera:
Sabemos
que P es el momento
lineal, que se puede escribir m.V donde m es la masa del cuerpo y V su
velocidad.
Consideramos
a la masa constante y podemos escribir
aplicando
estas modificaciones a la ecuación anterior:
que
es la ecuación fundamental de la dinámica, donde la constante de
proporcionalidad, distinta para cada cuerpo, es su masa de
inercia. Veamos lo siguiente, si despejamos m de la ecuación
anterior obtenemos que m es la relación que existe entre F y a. Es decir la
relación que hay entre la fuerza aplicada al cuerpo y la aceleración obtenida.
Cuando un cuerpo tiene una gran resistencia a cambiar su aceleración (una gran
masa) se dice que tiene mucha inercia. Es por esta razón por la que la masa se
define como una medida de la inercia del cuerpo.
Por
tanto, si la fuerza resultante que actúa sobre una partícula no es cero, esta
partícula tendrá una aceleración proporcional a la magnitud de la resultante y
en dirección de ésta. La expresión anterior así establecida es válida tanto
para la mecánica clásica como para la mecánica relativista, a pesar de que la
definición de momento lineal es diferente en las dos teorías: mientras que la
dinámica clásica afirma que la masa de un cuerpo es siempre la misma, con
independencia de la velocidad con la que se mueve, la mecánica relativista
establece que la masa de un cuerpo aumenta al crecer la velocidad con la que se
mueve dicho cuerpo.
De
la ecuación fundamental se deriva también la definición de la unidad de fuerza
o newton (N). Si la masa y la aceleración
valen 1, la fuerza también valdrá 1; así, pues, el newton es la fuerza que
aplicada a una masa de un kilogramo le produce una aceleración de 1 m/s². Se
entiende que la aceleración y la fuerza han de tener la misma dirección y
sentido.
La
importancia de esa ecuación estriba sobre todo en que resuelve el problema de
la dinámica de determinar la clase de fuerza que se necesita para producir los
diferentes tipos de movimiento: rectilíneo uniforme
(m.r.u), circular uniforme (m.c.u) y uniformemente acelerado
(m.r.u.a).
Si
sobre el cuerpo actúan muchas fuerzas, habría que determinar primero el vector
suma de todas esas fuerzas. Por último, si se tratase de un objeto que cayese
hacia la tierra con una resistencia del aire igual a cero, la fuerza sería su
peso, que provocaría una aceleración descendente igual a la de la gravedad.
Tercera ley de Newton o Ley de acción y reacción
Con
toda acción ocurre siempre una reacción igual y contraria: o sea, las acciones
mutuas de dos cuerpos siempre son iguales y dirigidas en sentido opuesto.
La
tercera ley es completamente original de Newton (pues las dos primeras ya
habían sido propuestas de otras maneras por Galileo,
Hooke
y Huygens) y hace de las leyes de la mecánica un
conjunto lógico y completo. Expone que por cada fuerza que actúa sobre un cuerpo (empuje),
este realiza una fuerza de igual intensidad, pero de sentido contrario sobre el
cuerpo que la produjo. Dicho de otra forma, las fuerzas, situadas sobre la
misma recta, siempre se presentan en pares de igual magnitud y de dirección,
pero con sentido opuesto.
Este
principio presupone que la interacción entre dos partículas se propaga
instantáneamente en el espacio (lo cual requeriría velocidad infinita), y en su
formulación original no es válido para fuerzas electromagnéticas puesto que
estas no se propagan por el espacio de modo instantáneo sino que lo hacen a
velocidad finita "c".
Es
importante observar que este principio de acción y reacción relaciona dos
fuerzas que no están aplicadas al mismo cuerpo, produciendo en ellos
aceleraciones diferentes, según sean sus masas. Por lo demás, cada una de esas
fuerzas obedece por separado a la segunda ley. Junto con las anteriores leyes,
ésta permite enunciar los principios de conservación del momento
lineal y del momento angular.
Video educativo acerca de las tres leyes dadas por el físico Isaac Newton
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