Aplicaciones de las leyes de Newton

1. Resumen
2. Introducción
3. Primera ley de Newton o Ley de Inercia
4. Segunda ley de Isaac Newton
5. Tercera ley de Newton
6. Conclusión
7. Bibliografía

Resumen

El físico Isaac Newton formulo, a mediados del siglo 21, los principios que rigen los fenómenos físicos a nivel de la física clasica, es decir, para aquellos fenómenos que conforman nuestro mundo.
Estos principios denominados las tres leyes de Newton no son de validez universal pero permiten explicar y predecir un sinnúmero de fenómenos naturales, a la vez, estas leyes encuentran aplicación practica en amplios campos de las ciencias naturales y la técnica.

La característica esencial de la mecanica Newtoniana consiste en su gran capacidad para determinar lo que sucede con un cuerpo dado en cualquier instante de tiempo si se conocen las fuerzas que actúan sobre el cuerpo, ademas de su velocidad y sus posiciones iniciales.

ABSTRACT

The physicist Isaac Newton formulated, for mid-21st century, the principles governing physical phenomena at the level of classical physics, i.e. for those events shaping our world.
These principles called Newton's three laws are not universally valid but to explain and predict a host of natural phenomena, while these laws are broad practical application in fields of natural sciences and technology.
The essential feature of Newtonianmechanics is its great capacity to shape what happens with a given body at any instant of time if you know the forces acting on the body, plus their speed and their initial positions.

Introducción

Este documento tiene como objetivo explicar de una mejor manera el funcionamiento, aplicaciones y la importancia de las leyes de newton, el saber en qué parte de la física aplicarlas y sobre todo en el movimiento y sus causas.
Palabras clave
Leyes de newton Newton's Laws
Isaac Newton Isaac Newton
Leyes del movimiento Laws of motion
Física Physics

En este trabajo se hablara de las leyes de Isaac Newton uno de los mas grandes expertos de las ciencias físico-matematicas, estas leyes hablan de:

Primera ley de Newton (ley de inercia): Todos los cuerpos se mantienen firmes y constantes en su estado de reposo o de movimiento uniforme en línea recta, salvo que se vean forzados a cambiar ese estado por fuerzas impresas.
Segunda ley de Newton: el cambio de movimiento proporcional a la fuerza, y se hace en la dirección de la línea recta en la que se imprime esa fuerza.

Tercera ley de Newton (ley de la acción y reacción): Esta ley afirma que cuando uno objeto ejerce una fuerza sobre otro objeto ejerce también una fuerza sobre el primero.
Durante siglos el problema del movimiento y sus causas fue un tema central de la filosofía natural, un primerapelativo de lo que ahora llamamos física. (Resnick: 2000.)
Fue hasta tiempos de Galileo e Isaac Newton que el progreso fue extraordinario debido a que se formularon tres leyes importantes por Isaac Newton conocidas también como leyes del movimiento de Newton las cuales son: Ley de inercia, ley de fuerza y ley de acción y reacción.

Isaac Newton nació en Lincolnshire, Inglaterra, en 1642, precisamente el año en que murió Galileo. Según los autores Francisco Noreña y Juan Tonda. (1995). Newton en la escuela fue muy retraído y mal estudiante hasta que un compañero, el niño mas brillante de la clase, lo golpeo. Newton lo reto a pelear y lo venció; después empezó a estudiar y también lo supero académicamente.

A los 16 años de edad murió su padrastro y regreso a vivir con su madre, quien quería que se dedicara a la agricultura, pero Newton se negó y entró a estudiar matematicas en el colegio de la trinidad de Cambridge.

La universidad se cerró por causa de una epidemia de peste que mató a muchísima gente, y Newton regreso a su pueblo natal donde estuvo 18 meses, que se consideran los mas productivos de su vida. Fue ahí donde, por ejemplo, se le ocurrió, a raíz de que le cayó una manzana en la cabeza, la teoría de la gravitación universal, relacionando la fuerza que hizo caer a la manzana con la fuerza que mantiene a la luna girando alrededor de la tierra. Newton también hizo descubrimientos importantes en óptica ydesarrollo el calculo diferencial e integral, una poderosa rama de las matematicas muy usada por los físicos aun en la actualidad.

Isaac Newton logro concretar las ideas de Galileo acerca del movimiento, ya que antes de galileo la mayoría de los filósofos pensaban que para mantener a un cuerpo en movimiento necesitaban de cierta influencia o “fuerza”, ellos pensaban que un cuerpo se mantenía en estado natural cuando este se encontraba en reposo. Un ejemplo claro delo que creían es que si un cuerpo se mueve en línea recta a velocidad constante tenía que haber un agente externo que lo empujara de forma continuaba; de lo contrario, de una forma “natural”, como ellos creían, dejaría de moverse.

Para entender de una mejor forma tomemos un bloque cualquiera sobe un plano horizontal rígido. Si hiciéramos que el bloque se deslice a lo largo de este plano, notaremos que poco apoco ira mas despacio hasta detenerse totalmente. Este ejemplo se ha tomado para basar la idea de que el movimiento se detiene cuando la fuerza externa, es decir, lo que haya empujado al bloque, se retiraba.

Si hacemos lo mismo pero ahora usando un bloque mas liso y un plano mas liso aplicando lubricante, observaremos que la velocidad disminuye mas lentamente que antes. Ahora usemos bloques y superficies mas lisos y mejores lubricantes veremos que el bloque disminuye su velocidad en una cantidad mas y mas notable y que viaja mas lejos cada vez antes dellegar al reposo. Con esto podremos contra argumentar la idea de que al detenerse el bloque es porque se retiraba la fuerza.

Es difícil poder dar ejemplos en donde no actúe ninguna fuerza sobre el cuerpo, ya que la fuerza de gravedad siempre actuara sobre el cuerpo cerca de la tierra o en la tierra y también actuaran fuerzas resistivas tales como la fricción o la resistencia del aire, estas se opondran al movimiento en el suelo o en el aire.

Usualmente nos referimos a todas las fuerzas que actúan sobre un cuerpo como la fuerza “neta” o total. Un ejemplo seria que al empujar un bloque con nuestra mano, este al deslizarse puede ejercer una fuerza que contrarreste a la fuerza de fricción que actúa sobre el bloque, y una fuerza hacia arriba del plano horizontal contrarrestaría a la fuerza de gravedad. La fuerza neta o total sobre el bloque puede entonces ser cero, y el bloque puede moverse a velocidad constante.

Este principio lo tomo Isaac Newton como la primera de sus tres leyes del movimiento.

Primera ley de Newton o Ley de Inercia

Esta ley fue publicada por primera vez en 1686 en la obra: “Philosophiae Naturalis Principia Mathematica” o también llamada “Principia”. Y nos dice lo siguiente

Considere un cuerpo sobre el cual no actúe alguna fuerza neta. Si el cuerpo esta en reposo, permanecera en reposo. Si el cuerpo esta moviéndose a velocidad constante, continuara haciéndolo así.

Es decir, si uncuerpo esta en reposo, o si se mueve en línea recta y con velocidad constante, es porque sobre el no esta actuando fuerza alguna, es decir que las fuerzas que actúan se anulan unas a otras o sea se hacen cero. De lo contrario si ves un cuerpo que se acelera, se frena o que su trayectoria no es recta, puedes asegurar que sobre el actúa una fuerza neta.

Hacen falta fuerzas para cambiar el estado natural de un cuerpo, que es el de reposo o el de movimiento uniforme rectilíneo. Por esta razón a esta primera ley se le conoce también como “ley de inercia”. La inercia es la tendencia de un cuerpo a seguir como esta. Si vas en un camión y este se detiene, tú tiendes a irte para adelante, a seguir el movimiento que llevas, no hay una fuerza que te empuje al frente, si no que el camión frenó y tú seguiste el movimiento.

[pic]

De la misma manera, cuando el camión acelera tú te vas hacia atras, si el camión da vuelta a la izquierda tu cuerpo se mueve a la derecha y si da vuelta a la derecha tu cuerpo se mueve a la izquierda siguiendo el movimiento siguiendo la inercia.

Segunda ley de Isaac Newton

Esta ley define la reacción cuantitativa entre la fuerza proveniente de interacciones, y los cambios de movimientos de todo cuerpo.

Isaac Newton tenía en mente una frase que relaciono con esta ley, “el cambio de movimiento es proporcional a la fuerza neta y se efectúa en la dirección en la se imprime dicha fuerza”.Ademas de que decía de que teníamos que tomar en cuenta dos cosas que son muy importantes dentro de estas las cuales son: * la primera, a mayor fuerza sobre un cuerpo, mayor sera el cambio de su estado de movimiento, si una fuerza cualquiera genera en el momento de una partícula, una fuerza, el doble o el triple, ocasionara el doble o el triple del cambio originado por la primera fuerza. *La segunda: el cambio ocurre en la dirección de la fuerza.

Newton demostró que hay una relación directa entre la fuerza aplicada y la aceleración resultante, ademas probo que la aceleración disminuye con la inercia ola masa ,Si tenemos un cuerpo de masa conocida y sabemos la fuerza neta que actúa sobre el podremos saber con facilidad la aceleración.

Newton se dio cuenta que la aceleración de los cuerpos era n la clave, por lo cual decidió formular la siguiente ecuación

EF= m.a esta es la ecuación “EF” es la suma de todas las fuerzas que actúan sobre el cuerpo, “m” es la masa del cuerpo y “a” es la aceleración que tiene dicho cuerpo. Donde la aceleración es una magnitud que es directamente proporcional a la suma de “EF”, La unidad de fuerza en el Sistema Internacional es el Newton y se representa por N. Un Newton es la fuerza que hay que ejercer sobre un cuerpo de un kilogramo de masa para que adquiera una aceleración de 1 m/s2, o sea,
1 N = 1 Kg · 1 m/s2

A la gran conclusión que llego newton es que el efecto que unafuerza tenga sobre un cuerpo depende de su masa; a mayor masa menor aceleración y a menor masa mayor sera la aceleración resultante.

Para poder empezar a tener una aplicación de esta ley, debemos de tener muy en cuenta los siguientes conceptos, ya que estos nos ayudaran a poder resolver los problemas planteados dentro de las tres leyes de newton,

Movimiento

Si la fuerza total que actúa sobre un cuerpo es nula, la cantidad de movimiento del cuerpo permanece constante en el tiempo.

Fuerza

Fuerza es toda causa capaz de modificar el estado de reposo o de movimiento de un cuerpo, o de producir una deformación.

Aceleración

Se define la aceleración como la relación entre la variación o cambio de velocidad de un móvil y el tiempo transcurrido en dicho cambio: a=V-Vo/t
Donde “a” es la aceleración, “v” la velocidad final, “Vo” la velocidad inicial y “t” el tiempo.

Masa Inercial

La masa inercial es una medida de la inercia de un objeto, que es la resistencia que ofrece a cambiar su estado de movimiento cuando se le aplica una fuerza. Un objeto con una masa inercial pequeña puede cambiar su movimiento con facilidad, mientras que un objeto con una masa inercial grande lo hace con dificultad.

En la siguiente imagen mostramos uno de los experimentos que realiza newton para poder demostrar lo que quiere decir con las tres grandes leyes que presento, así como también muestra la definición de cadauna y su explicación.

Para que nos quede mas claro lo que es la segunda ley y que es lo que tiende a lograr daremos un ejemplo:
 
Se patea una pelota con una fuerza de 1,2 N y adquiere una aceleración de 3 m/s2, ¿cual es la masa de la pelota?

 

Datos:
F = 1,2 N
a = 3 m/s2
m = 0.4 kg

Como sabemos la segunda ley de Newton es una de las leyes basicas de la mecanica se utiliza en el analisis de los movimientos próximos a la superficie de la tierra y también en el estudio de los cuerpos celestes.

Tercera ley de Newton

Esta ley nos habla de cómo interactúan los cuerpos. Por ejemplo cuando nosotros presionamos con el dedo un bloque en el suelo, el bloque oprime simultaneamente el dedo en la dirección contraria. A este hecho se le denomina interacción; entonces, las fuerzas que aparecen durante la interacción sobre cada uno de los cuerpos son las acciones mutuas entre ellos Hecht: 2007.)

En general, si un cuerpo actúa sobre otro, este último actúa sobre el primero de una manera definida que se puede expresar

“cuando dos cuerpos ejercen fuerzas mutuas entre sí, las dos fuerzas son siempre de igual magnitud y de dirección opuesta. Es decir, que las acciones mutuas entre dos cuerpos son siempre iguales entre si y dirigidas en sentidos contrarios”.
Por lo tanto, no puede existir una sola fuerza aislada.

[pic]

Observe que las fuerzas de acción y de reacción no se anulan. Son igualesen magnitud y opuestas en dirección, pero actúan sobre cuerpos diferentes. Para que dos fuerzas se anulen deben actuar sobre el mismo objeto. Se puede decir que las fuerzas de acción crean las fuerzas de reacción.

[pic]

Un claro ejemplo seria un hombre al subir escaleras. Normalmente ponemos el pie y después nos impulsamos para subir el otro pie y así sucesivamente, mientras esto pasa al ejercer una fuerza al peldaño, el peldaño ejerce la misma fuerza pero hacia arriba, esto quiere decir que son iguales en magnitud pero opuestas en dirección, a esto se refiere la ley de interacción.

Conclusión

'Las tres leyes del movimiento de Newton' se enuncian abajo en palabras modernas: como hemos visto todas necesitan un poco de explicación.

En ausencia de fuerzas, un objeto ('cuerpo') en descanso seguira en descanso, y un cuerpo moviéndose a una velocidad constante en línea recta, lo continuara haciendo indefinidamente.

Cuando se aplica una fuerza a un objeto, se acelera. La aceleración es en dirección a la fuerza y proporcional a su intensidad y es inversamente proporcional a la masa que se mueve: a = k(F/m)donde k es algún número, dependiendo de las unidades en que se midan F, m y a. Con unidades correctas (volveremos a ver esto), k = 1 dando a = F/m ó en la forma en que se encuentra normalmente en los libros de texto F = m a De forma mas precisa, deberíamos escribir F = ma siendo F y a vectores en la misma dirección. Noobstante, cuando se sobreentiende una dirección única, se puede usar la forma simple.

'La ley de la reacción' enunciada algunas veces como que 'para cada acción existe una reacción igual y opuesta'. En términos mas explícitos:

'Las fuerzas son siempre producidas en pares, con direcciones opuestas y magnitudes iguales. Si el cuerpo nº 1 actúa con una fuerza F sobre el cuerpo nº 2, entonces el cuerpo nº 2 actúa sobre el cuerpo nº 1 con una fuerza de igual intensidad y dirección opuesta.'

Bibliografía

Alonso, Marcelo. Y Rojo, Onofre. (1989). Física, mecanica y termodinamica. México, sitesa.
Bueche, Frederick. (1989). Física para estudiantes de ciencias e ingeniería. México, Mc graw hill.
Gonzalez, Víctor. Y Casillas, Enrique. (2000). Física 1. México, Progreso S.A
Gutiérrez, Carlos. Y Cepeda, Martha. (2008). Física 1. México D.F. Larousse.
Hecht, Eugene. (2007). Física general. México, Mc Graw Hill.
Noreña, Francisco y Tonda, Juan. (1995). Física 1 para segudno año. México D.F. Cfe.
Resnick, Robert. (2000). Física. México, CECSA.
Rodríguez, Lombrado. (1985). Fundamentos de Física1. México D.F. Mc Graw Hill.
Tambutti, Romilio. (1994). Física 1 segundo grado. México, Limusa.
Tippens, Paul. (2001). Física conceptos y aplicaciones. Chile, Mc Graw Hill.

Autores
Moisés Emmanuel Escamilla Lazaro
moises_prepa@hotmail.com
Omar Alejandro Hernandez Banda
calaomardo_telo14@hotmail.com
Instituto Tecnológico de Querétaro