En en la entrada #5 de conceptos de física, hablamos de las leyes en la física. En ese post mencionamos varias leyes, las cuales íbamos a ir desarrollando, bueno es hora de empezar. Una de las leyes más básicas en la ley de movimiento de Sir Isaac Newton; es una ley que incluso se aprende o se debiera aprender en el secundario. Esta ley es tan básica que todo movimiento (no relativistico) está gobernado por ella, incluso los planetas y el sistema solar completo.

Cada ley del movimiento (tres en total) que Newton desarrolló tiene importantes interpretaciones matemáticas y físicas que son necesarias para comprender el movimiento de los objetos en nuestro universo. Las aplicaciones de estas leyes son realmente ilimitadas.

En esencia, estas leyes definen el medio por el cual los cambios de movimiento, específicamente la forma en que los cambios en el movimiento están relacionados con la fuerza y la masa.

Orígenes de las leyes de Newton del movimiento

Sir Isaac Newton (1642-1727) fue un físico británico que, en muchos aspectos, puede considerarse como el más grande físico de todos los tiempos. Aunque hubo algunos predecesores de gran talla, como Arquímedes, Copérnico y Galileo, Newton fue quien verdaderamente ejemplifica el método de la investigación científica que se utilizó a lo largo de los siglos.

Durante casi un siglo, la descripción de Aristóteles del universo físico demostró ser insuficiente para describir la naturaleza del movimiento (o el movimiento de la naturaleza, si se quiere). Newton abordó el problema y se acercó con tres reglas generales sobre el movimiento de los objetos que han sido apodado por la posteridad como las tres leyes de Newton del movimiento.

En 1687, Newton introdujo las tres leyes en su libro Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Principios matemáticos de filosofía natural), que es generalmente conocido como Principia, donde también presentó su teoría de la gravitación universal, que estableció las bases de la mecánica clásica.

Las tres leyes del movimiento

Primera Ley de Newton, postula que para que el movimiento de un objeto cambie, una fuerza debe actuar sobre este, es conocida como ley de la inercia.

Segunda Ley de Newton, define la relación entre la aceleración, la fuerza y la masa.

Tercera Ley de Newton, postula que cada vez que se ejerce una fuerza sobre un objeto, este ejerce una fuerza de igual magnitud pero de sentido opuesto sobre el cuerpo que ejerce la fuerza. Esta ley es conocida como ley de acción y reacción.

Primer ley del movimiento (Principia)

Todo cuerpo continúa en su estado de reposo o de movimiento uniforme en una línea recta, a menos que sea obligado a cambiar ese estado por fuerzas impresas en él.

A veces se denomina la ley de la inercia, o simplemente la inercia. En esencia, incluye estos dos puntos:

• Un objeto que no se está moviendo no se moverá hasta que una fuerza actúa sobre él.
• Un objeto que está en movimiento no va a cambiar la velocidad hasta que una fuerza actúa sobre él.

Ahora, vamos a por otra forma de expresar Primera Ley de Newton. Un cuerpo que sometido a ninguna fuerza neta se mueve a una velocidad constante (que puede ser cero) y la aceleración es cero.

Por lo tanto, sin fuerza neta, el objeto sigue haciendo lo que está haciendo. Es importante tener en cuenta las palabras fuerza neta. Esto significa que la suma total de las fuerzas sobre el objeto debe ser igual a cero. Un objeto sobre el suelo tiene una fuerza de gravedad tirando de él hacia abajo, pero también hay una fuerza normal empujando hacia arriba desde el suelo, por lo que la fuerza neta es cero -por lo que que no se mueve.

Supongamos un disco de hockey, considere dos personas golpeando el disco de hockey exactamente en lados opuestos al mismo tiempo y con una fuerza exactamente igual. En este caso excepcional, el disco no se movería.

Dado que tanto la velocidad y la fuerza son magnitudes vectoriales, si una fuerza (como la gravedad) actúa hacia abajo sobre un objeto, y no hay fuerza hacia arriba, el objeto obtener una aceleración vertical hacia abajo. Sin embargo la velocidad horizontal no va a cambiar.

Si golpeo una pelota desde el techo a una velocidad horizontal de 3 m/s (ignorando la fuerza de la resistencia del aire), a pesar de que la gravedad ejerce una fuerza (y por lo tanto aceleración) en la dirección vertical. Si no fuera por la gravedad, la pelota habría mantenido una línea recta, por lo menos hasta que golpee otro objeto.

Segunda ley de Newton

La aceleración producida por una fuerza que actúa sobre un cuerpo es directamente proporcional a la magnitud de la fuerza e inversamente proporcional a la masa del cuerpo.

La formulación matemática de la segunda ley se muestra a la derecha, con F representando la fuerza, m representa la masa del objeto y a representando la aceleración del objeto.

Esta fórmula es muy útil en la mecánica clásica, ya que proporciona un medio para cambiar directamente entre la aceleración y de fuerza que actúa sobre una masa dada. Una gran parte de la mecánica clásica en última instancia, se descompone en la aplicación de esta fórmula en diferentes contextos.

El símbolo sigma a la izquierda de la fuerza indica que es la fuerza neta, o la suma de todas las fuerzas que intervienen en el objeto en estudio. Como la fuerza son vectores la dirección de la fuerza neta será también la misma dirección que la aceleración. También puede utilizarse esta ecuación en X e Y (e incluso Z), que puede hacer muchos de los problemas más manejables, especialmente si orientamos el sistema de coordenadas correctamente.

Como se habrán dado cuenta cuando las fuerzas que actúan suman cero, se consigue el estado definido en la Primera Ley de Newton (la aceleración neta debe ser cero). Sabemos esto porque todos los objetos tienen masa (en la mecánica clásica, por lo menos). Si el objeto está en movimiento continuará moviéndose a una velocidad constante, la velocidad no cambiará hasta que una fuerza neta actué sobre él. Obviamente, un objeto en reposo no se mueve en absoluto sin una fuerza neta.

Tercera ley de Newton

Para cada acción hay siempre una reacción igual y opuesta, o bien, las acciones mutuas de dos cuerpos entre sí son siempre iguales y dirigidas en direcciones opuestas.

Representemos la Tercera Ley observando dos cuerpos A y B que están interactuando. Definimos FA como la fuerza aplicada a un cuerpo por el cuerpo B y FA como la fuerza ejercida sobre el cuerpo B por el cuerpo A. Estas fuerzas serán iguales en magnitud y opuesta en dirección. En términos matemáticos, se expresa como:

F_B = – F_Ao

F_A + F_B = 0

Esto no es lo mismo que tener una fuerza neta de cero, sin embargo. Si se aplica una fuerza a una caja de zapatos vacía sobre una mesa, la caja de zapatos aplica una fuerza igual opuesta. Esto no suena bien en primer momento -obviamente, la caja no nos esta moviendo. Pero recordemos que, según la segunda ley, la fuerza y la aceleración están relacionadas- pero no son idénticos!

Debido a que nuestra masa es mucho mayor que la masa de la caja de zapatos, la fuerza que ejercen hace que se acelere lejos de nosotros y la fuerza que ejerce sobre nosotros no causar una aceleración.

No sólo eso, sino que mientras está presionando con la punta de su dedo, el dedo a su vez empuja a nuestro cuerpo, y el resto de nuestro cuerpo empuja hacia adelante al dedo. Nuestro cuerpo a su vez empuja la silla o el piso (o ambos), y es lo que mantiene su cuerpo en movimiento y le permite mantener el dedo en movimiento para continuar ejerciendo la fuerza. No hay nada empujando detrás de la caja de zapatos para que deje de moverse.

Sin embargo, si la caja de zapatos está contra una pared y la empujo hacia ella, la caja de zapatos impulsará la pared – y la pared ejercerá un empuje en sentido opuesto. La caja de zapatos, en este momento, dejar de moverse. Usted puede tratar de presionar más, pero la caja se rompe antes de continuar su viaje a través de la pared, porque no es lo suficientemente fuerte como para manejar las fuerzas involucradas.

Creo que esto va quedando algo largo, además una cerveza me mira amenazadora por lo que tengo que hacer cumplir la tercera ley de Newton, y voy a reaccionar bebiéndola gustosamente. Espero les haya gustado y sera hasta la próxima queridos lectores.