Leyes de Newton en Física
Primera Ley de Newton
Si todas las fuerzas que actúan sobre un objeto están equilibradas (es decir, su suma es igual a cero), entonces el objeto estará en reposo o se moverá con velocidad constante.
Otra forma de expresar la ley:
Si la suma de todas las fuerzas que actúan sobre un objeto es igual a cero, entonces la aceleración de ese objeto es igual a 0 y, por lo tanto, su velocidad no cambia. Si está en reposo, permanece en reposo y, si se mueve a una velocidad constante, continúa moviéndose a la misma velocidad.
Ejemplo 1
¿Qué fuerza se necesita para que una caja de 100 Kg que se mueve en una línea recta a la velocidad de 1 m/s en un piso sin fricción siga moviéndose durante otros 100 minutos en la misma dirección y a la misma velocidad?
Solución
Las fuerzas que actúan sobre una caja en el suelo están equilibradas: El peso está equilibrado por la fuerza normal que el suelo ejerce sobre la caja. Dado que no hay fricción, de acuerdo con la primera ley de Newton, no se necesita ninguna fuerza y la caja sigue moviéndose a la misma velocidad siempre y cuando no haya una fuerza neta que actúe sobre ella y que esté equilibrada.
Segunda Ley de Newton
La fuerza neta F que actúa sobre un cuerpo es igual a su masa inercial m multiplicada por su aceleración a.
∑ F = m a (Nota: F y a son magnitudes vectoriales)
Otra forma de expresar la ley:
Si la suma de todas las fuerzas que actúan sobre un objeto no es igual a cero, entonces ese objeto se acelerará de acuerdo con la ley ∑ F = m a. Dado que la masa m es un escalar, el objeto se acelerará en la dirección de la fuerza neta ∑ F.
Ejemplo 2
Una fuerza de 30 N actúa hacia el este y una segunda fuerza de 30 N hacia el oeste sobre un objeto de masa m = 20 Kg. ¿Cuál es la magnitud y dirección de la aceleración a del objeto?
Solución
Las dos fuerzas tienen igual magnitud pero dirección opuesta (este y oeste) y, por lo tanto, su suma es igual a 0. Por lo tanto, según la segunda ley de Newton, tenemos:
0 = m a
Dado que m no es igual a 0, entonces la aceleración a = 0.
Ejemplo 3
Una fuerza de 30 N actúa hacia el este y una segunda fuerza de 20 N hacia el oeste sobre un objeto de masa m = 20 Kg. ¿Cuál es la magnitud y dirección de la aceleración a del objeto?
Solución
Las dos fuerzas actúan en direcciones diferentes, por lo que la magnitud de la suma de las fuerzas es:
30 - 20 = 10 N
La dirección de la suma es hacia el este porque esta es la dirección de la fuerza con mayor magnitud. Por lo tanto, utilizando la segunda ley de Newton:
10 = m a
a = 10 / 20 = 0.5 m/s2
El objeto se acelera hacia el este a 0.5 m/s2.
Tercera Ley de Newton
Para cada acción, hay una reacción igual (en magnitud) y opuesta.
Dos cosas importantes sobre las fuerzas de acción y reacción:
1) Las fuerzas de acción y reacción existen en pares.
2) Cada una de las fuerzas de acción y reacción actúa sobre un objeto diferente.
Ejemplo 4
Cuando una persona empuja un carrito con una fuerza F1, el carrito también ejerce una fuerza F2 sobre la persona. F1 actúa sobre el carrito y F2 actúa sobre la persona. F1 y F2 actúan sobre dos objetos diferentes.
NOTA PARA EVITAR CONFUSIONES: Dado que las fuerzas son iguales en magnitud y opuestas en dirección, su suma es igual a 0; ¿por qué hay aceleración del carrito? Porque las dos fuerzas están actuando sobre diferentes objetos. La segunda ley de Newton se refiere a la fuerza neta sobre un solo objeto. Así que para entender por qué el carrito se acelera cuando se empuja, necesitamos considerar todas las fuerzas que actúan únicamente sobre el carrito.
Ejemplo 5
Las llantas empujan el camino y el camino empuja las llantas y, por lo tanto, el coche se mueve.
Ejemplo 6
¿Dónde está la reacción al peso de un objeto que cae?
La Tierra ejerce una fuerza sobre el objeto en caída, pero el objeto también ejerce una fuerza sobre la Tierra y, debido a su gran masa, la aceleración de la Tierra es mucho menor que la del objeto.
Algunas aplicaciones importantes de la tercera ley de Newton
Ejemplo 7
El motor para enviar un cohete al espacio funciona de acuerdo con la tercera ley de Newton.
La combustión del combustible dentro del cohete da como resultado que los gases escapen a una velocidad muy alta en una dirección y el cohete se mueva en la dirección opuesta.
Ejemplo 8
El aire que escapa de un globo empuja el globo en la dirección opuesta.
Ejemplo 9
Los motores a reacción también funcionan según el principio de la tercera ley de Newton: los gases a alta velocidad son expulsados por la parte trasera del motor de reacción, produciendo un movimiento del jet en la dirección opuesta.
Ejemplo 10
Las llantas giratorias de una bicicleta en movimiento empujan el camino hacia atrás y el camino reacciona empujando la bicicleta hacia adelante. Estas son fuerzas de fricción entre las llantas y el camino.