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Ago 25 2014

Las tres leyes de Newton

 Las tres leyes de Newton

 

Muchas veces solemos hablar de física, y de áreas tan impactantes como pueden ser la mecánica cuántica o la relatividad de Einstein. Sin embargo, los cimientos de la física fueron establecidos en el siglo XVII por diversos científicos, entre los que destacan Galileo Galilei e Isaac Newton. En este artículo nos centraremos en tres leyes, denominadas leyes de Newton, que revolucionaron la física.
Isaac Newton nació en 1642 en Lincolnshire (Inglaterra) y realizó muy importantes aportaciones a la física. Entre dichas aportaciones deberemos destacar las ya citadas leyes de Newton (y que constituyen la base de la denominada mecánica clásica), la importante ley de la gravitación universal, destacados estudios en la comprensión de la naturaleza de la luz, estudios en óptica, y de manera compartida con Leibniz (con quien mantuvo una gran rivalidad), el desarrollo del cálculo matemático.
La mecánica clásica o también denominada mecánica Newtoniana es una teoría del movimiento basada en las ideas de la masa, la fuerza y tres aspectos de la cinemática: posición, velocidad y aceleración. Se basa principalmente en tres leyes que detallamos a continuación.

 

Primera Ley de Newton: Ley de la Inercia

 

La primera ley es conocida como la ley de la inercia. Antes de Galileo y Newton, se pensaba que si se empujaba un cuerpo por una superficie, y se soltaba, éste terminaba por detenerse sin que ningún agente externo actuase. Sin embargo Galileo y Newton se dieron cuenta que esta forma de enfocar el fenómeno no era correcta. Su idea era diferente: el cuerpo se detiene debido a que sí que existe un agente externo que lo frena, la fricción. Si la superficie está más pulida, el cuerpo tardará mucho más en detenerse (por ejemplo sobre una superficie de hielo), y en caso de no existir fricción, el cuerpo permanecerá en movimiento indefinidamente (se puede simular la carencia de dicha fricción mediante un colchón de aire o en el espacio interplanetario).
De modo que podemos describir la primera ley de Newton como sigue:
Todo cuerpo continuará en su estado inicial (ya sea en reposo o en movimiento uniforme) mientras no actúe una fuerza externa neta

Debemos aclarar que cuando nos referimos a la fuerza externa neta, estamos indicando el conjunto vectorial de fuerzas que actúan. Es importante también destacar que no distingue entre un cuerpo en reposo o uno en movimiento uniforme (y por uniforme se quiere decir con velocidad constante), de modo que también hay que entender, que un cuerpo en reposo no se moverá salvo la acción de una fuerza externa.

 

Segunda Ley de Newton: Fuerza y masa

 

[Nota: en algunas fuentes esta ley es conocida como la ley de la interacción, si bien en otros, se denomina así a la tercera ley (véase por ejemplo ‘Física’ de Paul A. Tipler, ed. Reverte, página 86)]. Quizás de las tres leyes, esta sea la más popular, pues introduce dos conceptos muy importantes: la fuerza y la masa. Y no solamente eso: además nos da una relación entre ambos. Veamos la definición de cada uno de ellos:

Fuerza: Causa capaz de causar en un cuerpo un cambio de velocidad (aceleración). Se mide en Newtons.
Masa: Propiedad intrínseca al cuerpo que mide su resistencia a ser acelerado. Se mide en kilogramos.
Y todo ello lo relaciona mediante la segunda fórmula más popular de la física (tras la popular E = m · c^2):
          F = m · a
Esta relación también se suele presentar mediante notación diferencial y en base al llamado momento lineal, cuyo valor es p = m · v:
F = dp / dt = d(mv) / dt
Por ejemplo, si ejercemos una misma fuerza sobre dos cuerpos de masas m1 y m2, y logramos acelerarlos con una aceleración a1 y a2 respectivamente, tendremos que:
          F = m1 · a1 = m2 · a2    >>>    m1 / m2 = a2 / a1
De esta relación, podemos comprender el concepto intuitivo de que un cuerpo de mayor masa, es más difícil de mover (lo que lograríamos aplicando una fuerza que lo acelere).
La segunda ley de Newton podríamos enunciarla como sigue:
La aceleración de un cuerpo es inversamente proporcional a su masa y directamente proporcional a la fuerza externa que actúa sobre él

 

Tercera Ley de Newton: Ley de la interacción

 

En esta ley interviene el conocido principio de la acción y reacción. Si el cuerpo A ejerce una fuerza sobre el cuerpo B (que denominamos acción), entonces el cuerpo B ejerce una fuerza igual pero de sentido contrario (que denominaremos reacción) sobre el cuerpo A.La tercera ley de Newton la enunciaremos como:

Las fuerzas actúan por pares. Si un cuerpo A ejerce una fuerza sobre un cuerpo B, éste ejercerá una fuerza igual pero de sentido contrario sobre A

El peso

 

Muchas veces se confunde el término de masa y peso. La masa es una propiedad intrínseca al cuerpo, que se mide en kilogramos. Sin embargo el peso es una fuerza debida a la atracción terrestre (o si estuviésemos en otro cuerpo del Sistema Solar, debido al campo gravitatorio de dicho cuerpo). Cuando dejamos un cuerpo en caída libre (el cuerpo cae en la proximidad de la superficie terrestre y suponemos que no hay fricción debida a la presencia de aire), éste sufre una aceleración debida a la fuerza de la gravedad, y cuyo valor suele valer 9,81 m/s^2.

F = m · a    >>>   Si a = g    >>>   P = m · g

De este modo, todos los cuerpos, en ausencia de aire, caerán a la misma velocidad, ya sea una pluma o una viga de hierro. A continuación tenéis un vídeo donde se demuestra durante una de las misiones Apolo a la Luna (donde no existe atmósfera).

 

Pongamos un ejemplo

Vamos a repasar rápidamente los conceptos mediante un sencillo ejemplo. Supongamos que tenemos una roca en reposo y cuya masa es 10 kilogramos. Aplicamos una fuerza sobre ella, logrando desplazarla 10 metros en 10 segundos. Para calcular la fuerza, primero tenemos que conocer la aceleración:
          s = a · t^2 / 2     >>>    a = 2 · s / t^2 = 2 · 10 / 100 = 0,2 m/s^2
          F = m · a = 10 · 0,2 = 2 Newtons

Resumiendo…

Estas serían las tres leyes de Newton:

 

– Todo cuerpo continuará en su estado inicial (ya sea en reposo o en movimiento uniforme) mientras no actúe una fuerza externa neta
– La aceleración de un cuerpo es inversamente proporcional a su masa y directamente proporcional a la fuerza externa que actúa sobre él
– Las fuerzas actúan por pares. Si un cuerpo A ejerce una fuerza sobre un cuerpo B, éste ejercerá una fuerza igual pero de sentido contrario sobre A

 

Referencias

– “Las obras de Isaac Newton están disponibles on-line“, Vega 0.0, Diciembre 2011.
– “Artículo de Verónica Casanova: Ondas Gravitatorias“, Vega 0.0, Febrero 2011.
– “Las leyes de Newton“, Astrofísica y Física, Septiembre 2012.

– “La manzana de Newton“, DivulgaUNED, Septiembre 2012.

– “Física“, Paul A. Tipler, editorial Reverte, 1994.

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