LAS TRES
LEYES DE NEWTON
La primera ley de Newton, conocida también
como Ley de inercia, nos dice que si sobre un cuerpo no actúa ningún
otro, este permanecerá 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 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, suponer a un observador fijo en la Tierra es una buena
aproximación de sistema inercial.
SEGUNDA ley DE NEWTON
La Primera ley de
Newton nos dice que para que un cuerpo altere su movimiento es necesario que
exista algo que provoque dicho cambio. Ese algo es 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, además 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
La expresión de la Segunda ley de Newton que hemos dado es válida para
cuerpos cuya masa sea constante. Si la masa varia, como por ejemplo un cohete
que va quemando combustible, no es válida 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 actua 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 constante
dm/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 actua sobre
un cuerpo es nula, la cantidad de movimiento del cuerpo permanece constante en
el tiempo.
La tercera ley de Newton establece
lo siguiente:
Siempre que un objeto ejerce
una fuerza sobre un segundo objeto, el segundo objjeto ejerce una fuerza de
igual magnitud y dirección opuesta sobre el primero. Con frecuencia se
enuncia como "A cada acción siempre se opone una reacción igual".
En cualquier interacción hay un par de fuerzas de acción y reacción, cuya
magnitud es igual y sus direcciones son opuestas. Las fuerzas se dan en pares,
lo que significa que el par de fuerzas de acción y reacción forman una
interacción entre dos objetos.
Otra forma de verlo es la siguiente:
Si dos objetos interactúan, la fuerza F12, ejercida por el
objeto 1 sobre el objeto 2, es igual en magnitud y opuesta en dirección a la
fuerza F21 ejercida por el objeto 2 sobre el objeto 1:
