Las denominadas genéricamente Leyes de Newton o Leyes de la Dinámica son atribuidas a Isaac Newton (1643-1727), pero tienen en realidad muchos precursores, aunque fue el físico inglés quién unificó toda la teoría, dando nacimiento de esta manera a lo que se conoce como Teoría Mecánica (actualmente Mecánica Clásica) y que hoy en día se sigue estudiando en todos los ámbitos educativos (en cualquier parte del mundo, y en todas las carreras que necesiten una base de Física, ya sea relacionadas con Ingeniería, Salud, etc.).
Una de las particularidades de estas leyes es que basándose en pocos principios (y algebraicamente muy sencillos) logra explicar todos los fenómenos del universo que ocurren a velocidades pequeñas comparadas con la velocidad de la luz.
Otra nota sobre el mismo tema:
Primera Ley de Newton
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Venimos conduciendo un auto y compramos un matafuegos al que dejamos suelto en la luneta trasera. Durante el viaje se cruza un perro y frenamos bruscamente para no lastimarlo. ¿Qué pasa con el conductor? ¿Qué pasa con el matafuegos? ¿Cómo se llama este fenómeno?
Esta ley también se conoce como ‘Primera Ley de la Dinámica’, ’Ley de Inercia’ o ‘Principio de Galileo’.
“Un cuerpo no puede cambiar por sí solo su estado inicial, ya sea de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme, a menos que se aplique una fuerza o una serie de fuerzas cuya resultante no sea nula.”
Primero escribimos el principio con símbolos, y después intentamos enunciar la ley leyendo los símbolos:
∑ F = 0 ↔ a
= 0
Se trata de una ecuación vectorial, ya que tanto las fuerzas como la aceleración son vectores. En muchos textos (y generalmente por un problema de tipografía) a veces no aparece el ‘sombrerito’ que indica que se trata de vectores.
Si salimos de paseo en una bicicleta y pedaleamos por un camino horizontal cuya superficie es un mejorado de tosca, y luego de alcanzar una determinada velocidad soltamos los pedales, comprobaremos que nuestro vehículo seguirá recorriendo camino un largo trecho más (longitud que podemos medir). Si repetimos la operación pero en un camino con una carpeta asfáltica, observaremos que la distancia recorrida es bastante mayor que la anterior. Si volvemos a repetir pero ahora sobre un camino helado, la distancia será todavía mayor.
Suponiendo que en todos los casos la bicicleta estaba en las mismas condiciones (presión en las ruedas, lubricación de ejes y cadena, etc.) entonces veremos que al transitar por caminos más ‘lisos’ o con menor ‘rugosidad’ la ‘bici’ tiende a seguir con el movimiento que tenía cuando dejamos de pedalear. Esta experiencia es una simple aplicación del Principio de Inercia, y para analizarlo debemos considerar un sistema de referencia inercial y la ausencia de rozamiento. La tendencia de un cuerpo a seguir moviéndose una vez iniciado su movimiento es resultado de una propiedad llamada inercia. La tendencia de un cuerpo en reposo a permanecer en reposo también se debe a la inercia (Sears; 2011:112).
La primera ley de Newton dice que hay dos posibles estados para un objeto sobre el que la fuerza neta es cero: un cuerpo en reposo está en equilibrio estático y un objeto en movimiento con velocidad constante está en equilibrio dinámico (Bauer; 2011:107). En otras palabras establece la equivalencia entre el estado de reposo y de movimiento rectilíneo uniforme respecto de las fuerzas.
Más sobre esta Ley (clic en los enlaces siguientes):
Segunda Ley de Newton
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En el apartado anterior vimos que si la sumatoria de fuerzas que actúa sobre un cuerpo es nula, entonces éste no modifica su estado ¿pero que pasa si no es nula? ¿Si actúa una fuerza neta (distinta de cero), se modifica la velocidad del cuerpo? ¿Qué ocurre si la fuerza neta no actúa en la dirección de la velocidad?
Este principio también es conocido como ‘Segunda Ley de la Dinámica’, ’Ley de masa’ o ‘Principio de Newton’.
“La causa (sumatoria de fuerzas) de un movimiento se puede expresar como el producto de la aceleración adquirida (efecto) por la masa del objeto."
Otra forma de enunciarla puede ser la siguiente:
"La aceleración de un objeto es directamente proporcional a la fuerza neta que actúa sobre él, y es inversamente proporcional a su masa. La dirección de la aceleración es en la dirección de la fuerza neta que actúa sobre el objeto" (Giancoli; 2008:86).
De igual manera que hicimos en la primera ley, expresamos la segunda mediante símbolos:
∑ F = m.a
La Segunda Ley es una ecuación vectorial que nos indica que la sumatoria de todas las fuerzas que recibe un cuerpo es igual al producto de su masa por la aceleración que desarrolla, y que la dirección y el sentido de la resultante (la suma de todas las fuerzas) es igual a la dirección y el sentido de la aceleración, siendo la masa un escalar.
Una fuerza neta (o sea distinta de cero) ejercida sobre un objeto en la dirección del movimiento incrementará su rapidez, si tiene un sentido opuesto al movimiento puede reducir la velocidad (incluso detenerlo), y si la fuerza neta actúa lateralmente sobre un objeto en movimiento, cambiará la dirección de la velocidad y quizá también su magnitud. Y como vimos en Cinemática, todo cambio en la velocidad (ya sea en módulo, dirección, o ambos) es una aceleración, por lo tanto podemos concluir que una fuerza neta produce una aceleración (Giancoli, 2009:86).
La ∑ F equivale a la resultante de un sistema de fuerzas (FRes=ΣF), por lo que la ecuación también podría expresarse como FRes=m.a, y solo en el caso particular que actúe una sola fuerza se podría escribir F=m.a (en cualquier otro caso representaría un error y no tendría validez universal). Además no debemos confundir el vector "m.a" con una fuerza, porque aún siendo igual a la suma vectorial de todas las fuerzas que actúan sobre el cuerpo, el vector no es una fuerza. La aceleración es el resultado de una fuerza neta (o FRes) distinta de cero; no es una fuerza por sí misma. Muchas veces el “sentido común” lleva a pensar que hay una “fuerza de aceleración” que nos empuja contra el asiento cuando nuestro automóvil acelera hacia adelante; pero esa fuerza no existe ya que es la inercia la que nos quiere hacer permanecer en el estado que estábamos (Sears; 2009:118).
Si bien el primer principio es el que asegura la existencia de los otros dos, porque exige la elección de un sistema de referencia no inercial; algunos autores consideran que no es erróneo decir que se aplica la primera ley en la resolución de ejercicios cuando el cuerpo está en reposo o con velocidad constante (como si el primer principio fuera un caso particular del segundo para ∑F=0). Por ejemplo en el texto de Sears y Zemansky (2009:126) se lee "las leyes primera y segunda de Newton se refieren a un cuerpo específico, usamos la primera ley en una situación de equilibrio, o la segunda en una situación sin equilibrio".
Más sobre esta Ley (clic en el link siguiente):
Tercera Ley de Newton
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¿Qué acción concreta debemos hacer para saltar y alcanzar algo que está más alto que nuestro brazo extendido? ¿Por qué cuando golpeamos contra un material muy duro parece que rebotamos? ¿Por qué cuándo queremos que una canoa se interne en el río empujamos con un remo el muelle?
Este principio también es conocido como ‘Tercera Ley de la Dinámica’ o ‘Principio de Acción y Reacción’.
“Cuando un cuerpo A ejerce una fuerza sobre otro cuerpo B, entonces B reaccionará ejerciendo sobre A una fuerza de igual magnitud y dirección pero de sentido contrario de la que recibe."
De los tres principios es el más revelador de la naturaleza de las fuerzas, o mejor dicho de las interacciones de los cuerpos, ya que éstos se pueden: atraer, repeler, chocar, etc., pero siempre entre dos cuerpos. Entonces aparecen dos fuerzas (el par de fuerzas de la interacción), una sobre cada cuerpo de los que están interactuando.
Como venimos haciendo, expresamos la ley mediante símbolos:
FA→B = - FB→A
FA→B:
Fuerza que el cuerpo A realiza sobre B (simplificando FAB).
FB→A:
Fuerza que el cuerpo B realiza sobre A (simplificando FBA).
Si consideramos dos cuerpos A y B que interactúan entre sí, entonces existirá una fuerza sobre cada uno. Estas fuerzas pueden ser atractivas o repulsivas (dependiendo de su naturaleza). Si A y B se atraen entre sí, entonces A actúa sobre B atrayéndola hacia sí con una fuerza FAB y, análogamente, B actúa sobre A atrayéndola a su vez con una fuerza FBA.
A la fuerza con que un cuerpo actúa sobre otro se denomina fuerza de acción y a la fuerza con que el otro actúa sobre el primero se denomina fuerza de reacción. Resumiendo podemos decir que las fuerzas que actúan sobre un cuerpo son las fuerzas de reacción debido a la interacción de este con los demás cuerpos del universo.
Más sobre esta Ley (clic en el link siguiente):
Fuentes:
Bauer, W. (2011). Física para Ingeniería y Ciencias Vol. I. Mac Graw Hill. México.
Giancoli, D. (2009). Física para Ciencias e Ingeniería Vol. 1. Ed. 4°. Pearson Prentice Hall. México.
Sears; Zemansky (2009). Física Universitaria Vol 1. 12° Ed. Pearson Educación. México.
