LEYES DE NEWTON

Las leyes de Newton constituyen los cimientos no solo de la dinámica clásica sino también de la física clásica en general. Aunque incluyen ciertas definiciones y en cierto sentido pueden verse como axiomas, Newton afirmó que estaban basadas en observaciones y experimentos cuantitativos; ciertamente no pueden derivarse a partir de otras relaciones más básicas. La demostración de su validez radica en sus predicciones... La validez de esas predicciones fue verificada en todos y cada uno de los casos durante más de dos siglos

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PRIMERA LEY: "LEY DE LA INERCIA"

POSTULADO:

‘Todo cuerpo persevera en su estado de reposo o movimiento rectilíneo y uniforme a no ser en tanto que sea obligado por fuerzas impresas a cambiar su estado.’

Esta ley postula, por tanto, 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 cuya resultante no sea nula. Newton toma en consideración, así, el que los cuerpos en movimiento están 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 tal a la fricción

Este principio nos permite también definir, como condiciones iniciales del movimiento, las que caracterizan a un movimiento estacionario o constante: la posición r y la velocidad 

Conviene observar también que Newton emplea el término «cuerpo» para referirse en realidad a una partícula, o punto material, caracterizada por la posición y velocidad de un solo punto.

EJERCICIO:

Si sobre una pelota de tenis se aplican únicamente dos fuerzas concurrentes F1 = 2 N y F2 = 200000 dinas de sentido contrario, ¿cuáles son los posibles estados de dicha pelota?

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Solución

Datos

F1 = 2 N
F2 = 200000 dinas = 200000 · 10-5 dinas/N = 2 N

Resolución

Si calculamos el valor de la fuerza resultante FR que actúa sobre la pelota tenemos que:

FR=F1−F2 ⇒FR = 2 N −2 N ⇒FR = 0 N

Tal y como hemos calculado la fuerza que sufre la pelota es nula.

Teniendo en cuenta este hecho, según la primera ley de Newton,

si sobre un cuerpo no actúa ninguna fuerza resultante no se produce un cambio en su velocidad y por tanto permanecerá en reposo si se encontraba en reposo o siguiendo un movimiento rectilíneo uniforme si estaba en movimiento.

De aquí, los únicos posibles estados que puede experimentar la pelota son:

• Reposo
• Movimiento rectilíneo uniforme

SEGUNDA LEY: "LEY DE LA FUERZA"

POSTULADO:

‘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.’

Esta ley indica claramente una relación lineal («proporcional») entre fuerzas y variaciones de la cantidad de movimiento, de tipo vectorial («según la línea recta»). Se denomina en ocasiones ley fundamental de la dinámica, permitiendo obtener las ecuaciones básicas de la misma. Expresada como ecuación, equivale a:

Pasando al límite, para un incremento infinitesimal de tiempo, obtenemos la relación diferencial siguiente:

d(mv) = Fdt:

• La aceleración que adquiere un cuerpo es proporcional a la fuerza aplicada, y la constante de proporcionalidad es la masa del cuerpo.
• Si actúan varias fuerzas, esta ecuación se refiere a la fuerza resultante, suma vectorial de todas ellas.
• Esta es una ecuación vectorial, luego se debe cumplir componente a componente.
• En ocasiones será útil recordar el concepto de componentes intrínsecas: si la trayectoria no es rectilínea es porque hay una aceleración normal, luego habrá también una fuerza normal (en dirección perpendicular a la trayectoria); si el módulo de la velocidad varía es porque hay una aceleración en la dirección de la velocidad (en la misma dirección de la trayectoria).
• La fuerza y la aceleración son vectores paralelos, pero esto no significa que el vector velocidad sea paralelo a la fuerza. Es decir, la trayectoria no tiene por qué ser tangente a la fuerza aplicada (sólo ocurre si al menos, la dirección de la velocidad es constante).

• Esta ecuación debe cumplirse para todos los cuerpos. Cuando analicemos un problema con varios cuerpos y diferentes fuerzas aplicadas sobre ellos, deberemos entonces tener en cuenta las fuerzas que actúan sobre cada uno de ellos y el principio de superposición de fuerzas. Aplicaremos la segunda ley de Newton para cada uno de ellos, teniendo en cuenta las interacciones mutuas y obteniendo la fuerza resultante sobre cada uno de ellos.

EJERCICIO

Se aplica una fuerza de 10 N sobre un cuerpo en reposo que tiene una masa de 2 kg.

¿Cuál es su aceleración?

¿Qué velocidad adquiere si se sigue aplicando la fuerza durante 10 segundos?

Solución

Despejamos la aceleración de la ecuación F = m · a


Reemplazamos por los datos y obtenemos la aceleración.


Para calcular la velocidad planteamos la ecuación de velocidad de MRUV.

TERCERA LEY: "LEY DE LA ACCIÓN Y REACCIÓN"

POSTULADO:
‘Con toda acción ocurre siempre una reacción igual y contraria. O sea, las acciones mutuas de los cuerpos siempre son iguales y dirigidas en direcciones opuestas.’

Se trata del llamado principio de acción y reacción. Todas las fuerzas deben de tener contrapartida, siendo imposible ejercer una fuerza desde el vacío, sin apoyo. Es siempre necesario apoyarse en algún cuerpo o medio material que absorba la reacción (modificando a su vez el movimiento de este otro cuerpo, según la segunda ley).

• Si una persona empuja a otra de peso similar, las dos se mueven con la misma velocidad pero en sentido contrario.
• Cuando saltamos, empujamos a la tierra hacia abajo, que no se mueve debido a su gran masa, y esta nos empuja con la misma intensidad hacia arriba.
• Una persona que rema en un bote empuja el agua con el remo en un sentido y el agua responde empujando el bote en sentido opuesto.
• Cuando caminamos empujamos a la tierra hacia atrás con nuestros pies, a lo que la tierra responde empujándonos a nosotros hacia delante, haciendo que avancemos.