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.
La primera ley de Newton, conocida
también como
Ley de inercia, dice que si sobre un cuerpo no actúa ningún otro,
este permanecera indefinidamente moviéndose en línea recta
con velocidad constante (incluido el estado de reposo, que equivale a velocidad
cero).
Como sabemos, el movimiento es relativo, es decir, depende de
cual sea el observador que describa el movimiento.
Así, 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
esta moviendo a una gran velocidad. Se necesita, por tanto, un sistema de referencia al cual referir el
movimiento.
1ra Ley de Newton: Ley de la Inercia
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 actúaninguna fuerza neta se mueve
con velocidad constante.
De manera concisa, esta ley postula, 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
estan 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.
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 siestuviésemos en un sistema
inercial. En muchos casos, suponer a un observador
fijo en la Tierra es una buena aproximación de sistema 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.
La Primera ley de Newton nos
dice que para que un cuerpo altere su movimiento es
necesario que exista algoque provoque dicho cambio. Ese algoes
lo que conocemos como fuerzas.
Estas son el resultado de la acción de unos cuerpos
sobre otros.
La Segunda ley de Newton
se encarga de cuantificar el concepto de fuerza. Nos dice que la fuerza
neta aplicada sobre un cuerpo es proporcional a la
aceleración que adquiere dicho cuerpo. La constante de proporcionalidad
es la masa del cuerpo, de manera que
podemos expresar la relación de la siguiente manera
F = m a
Tanto la fuerza como
la aceleración son magnitudes vectoriales, es decir, tienen,
ademas de un valor, una dirección y un sentido. De esta manera,
la Segunda ley de Newton debe expresarse como:
F = m a
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
2da Ley de Newton: Ley de la Fuerza o Principio Fundamental de la
Mecanica
La expresión de la Segunda ley de Newton que hemos dado es valida
para cuerpos cuya masa sea constante. Si la masa varia, como por ejemplo un cohete que va quemando
combustible, no es valida la relación F = m ·a.
Vamos a generalizar la Segunda ley de Newton
para que incluya el caso de sistemas en los que pueda variar la masa.
Para ello primero vamos a definir una magnitud física nueva.
Esta magnitud física es la cantidad de movimiento que se
representa por la letra p y que se define como
el producto de la masa de un cuerpo por su velocidad, es decir
p = m · v
La cantidad de movimiento también se conoce como momento lineal. Es una magnitud
vectorial y, en el Sistema Internacional se mide en Kg·m/s . En términos de esta nueva magnitud
física, la Segunda ley de Newton
se expresa de la siguiente manera
La Fuerza que actúa sobre un cuerpo es igual a la variación
temporal de la cantidad de movimiento de dicho cuerpo, es decir,
F = dp/dt
De esta forma incluimos también el caso de cuerpos cuya masa no sea
constante. Para el caso de que la masa sea constante, recordando la
definición de cantidad de movimiento y que como
se deriva un producto tenemos
F = d(m·v)/dt = m·dv/dt + dm/dt ·v
Como la masa es constantedm/dt = 0
y recordando la definición de aceleración, nos queda
F = m a
tal y como
habíamos visto anteriormente.
Otra consecuencia de expresar la Segunda Ley de Newton usando la cantidad
de movimiento es lo que se conoce como Principio de
conservación de la cantidad de movimiento. Si la fuerza total que
actúa sobre un cuerpo es cero, la Segunda ley de Newton nos dice que
0 = dp/dt
es decir, que la derivada de la cantidad de movimiento con respecto al tiempo
es cero. Esto significa que la cantidad de movimiento debe
ser constante en el tiempo (la derivada de una constante es cero). Esto
es el Principio de conservación de la cantidad de
movimiento: si la fuerza total que actúa sobre un
cuerpo es nula, la cantidad de movimiento del cuerpo permanece constante en el tiempo.
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 modificara el estado de movimiento, cambiando
la velocidad en módulo o dirección. En concreto, los cambios
experimentados en la cantidad de movimiento 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 laaceleración estan relacionadas.
Dicho sintéticamente, la fuerza se define simplemente en función
del momento en que se aplica a un objeto, con lo que dos fuerzas seran
iguales si causan la misma tasa de cambio en el momento del objeto.
En términos matematicos esta ley se expresa mediante la
relación
Donde es la cantidad de movimiento y la fuerza total. Si
suponemos la masa constante y nos manejamos con velocidades que no superen el
10% de la velocidad de la luz podemos reescribir la ecuación anterior
siguiendo los siguientes pasos:
Sabemos que es la cantidad de movimiento, 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 dinamica, 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 y. 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 actúasobre una
partícula no es cero, esta partícula tendra una
aceleración proporcional a la magnitud de la resultante y en
dirección de ésta. La expresión anterior así
establecida es valida tanto para la mecanica
clasica como para la mecanica relativista, a pesar de
que la definición de momento lineal es diferente en las dos teorías:
mientras que la dinamica clasica afirma que la masa de un cuerpo
es siempre la misma, con independencia de la velocidad con la que se mueve, la
mecanica 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 valdra 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 dinamica 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
mecanica un conjunto lógico y
completo. Expone que por cada fuerza que actúa sobre un cuerpo, este realiza una fuerza de igual intensidad y
dirección, 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 opuestas en sentido.
Tal como comentamos en
al principio de la Segunda ley de Newton las
fuerzas son el resultado de la acción de unos cuerpos sobre otros.
La tercera ley, también conocida como Principio
de acción y reacción nos dice esencialmente que si un
cuerpo A ejerce una acción sobre otro cuerpo B, éste realiza
sobre A otra acción igual y de sentido contrario.
3ra Ley de Newton: Ley de la Acción y Reacción
Esteprincipio presupone que la interacción entre dos partículas
se propaga instantaneamente en el espacio (lo cual requeriría
velocidad infinita), y en su formulación original no es valido
para fuerzas electromagnéticas puesto que estas no se propagan por el
espacio de modo instantaneo sino que lo hacen a velocidad finita
“c”.
Es importante observar que este principio de
acción y reacción relaciona dos fuerzas que no estan
aplicadas al mismo cuerpo, produciendo en ellos aceleraciones diferentes,
según sean sus masas. Por lo demas, 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.
Esta ley es algo que podemos comprobar a diario en numerosas
ocasiones. Por ejemplo, cuando queremos dar un
salto hacia arriba, empujamos el suelo para impulsarnos. La reacción del
suelo es la que nos hace saltar hacia arriba.
Cuando estamos en una piscina y empujamos a alguien,
nosotros también nos movemos en sentido contrario. Esto
se debe a la reacción que la otra persona hace sobre
nosotros, aunque no haga el intento de empujarnos a nosotros.
Hay que destacar que, aunque los pares de acción y reacción tenga
el mismo valor y sentidos contrarios, no se anulan entre sí, puesto que actúan sobre cuerpos distintos.