Leyes del Movimiento de Newton

Las leyes de Newton explican las causas del movimiento y son consideradas como la base fundamental de la dinámica, la cual relaciona el movimiento con las fuerzas que lo producen, por ello, son también conocidas como las «Leyes del Movimiento de Newton», enunciadas por Sir Isaac Newton (1642-1727) en su Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (“Principios matemáticas de la filosofía natural”) en 1687; quién usó las ideas y observaciones de Copérnico, Brahe, Kepler y Galileo para crear un conjunto de leyes a partir de experimentos realizados con cuerpos en movimiento y que no pueden deducirse ni demostrarse a partir de otros principios.

                                    

Leyes de Newton from María José Zavala

Las leyes poseen tres enunciados elementales: la primera (ley de la inercia) dice que si la fuerza neta sobre un cuerpo es cero, su movimiento no cambia, la segunda (ley de la masa) relaciona la fuerza con la aceleración cuando la fuerza neta no es cero, y la tercera (ley de acción y reacción) establece la relación entre las fuerzas que ejercen dos cuerpos que interactúan entre sí.
Debido a que la fuerza es el principal concepto manejado en estas leyes, es necesario conocer su definición, así como el de otros conceptos relacionados: masa, peso, aceleración (este último fue definido en la unidad de cinemática). Se conoce por fuerza la interacción entre dos cuerpos o entre un cuerpo y su ambiente, por esta razón se refiere a la fuerza que un cuerpo ejerce sobre un segundo cuerpo; en un sentido práctico, aplicamos fuerza cuando empujamos o halamos un cuerpo y dado que puede realizarse en múltiples direcciones, la fuerza es una magnitud vectorial con dirección de acción y magnitud específicas.

Existen tipos de fuerza de contacto (implica contacto directo entre dos cuerpos) como la fuerza normal (ejercida sobre un objeto por cualquier superficie con la que esté en contacto y que actúa de forma perpendicular a la superficie de contacto, sin importar el ángulo de esa superficie), la fuerza de fricción (ejercida sobre un objeto por una superficie que actúa paralela a la superficie, en la dirección opuesta al deslizamiento) y la fuerza de tensión (ejercida por un cuerda estirada sobre un objeto atado a ella; también hay fuerzas de largo alcance (las que actúan aunque los cuerpos estén separados) como la fuerza magnética y eléctrica y la fuerza de atracción gravitacional que la Tierra ejerce sobre un cuerpo, conocida como el peso del cuerpo. 

Cuando dos fuerzas actúan al mismo tiempo en un mismo punto de un cuerpo, el efecto sobre el movimiento del cuerpo es igual al de una sola fuerza igual a la suma vectorial de las fuerzas originales. El principio de superposición de fuerzas explica que el efecto de cualquier cantidad de fuerzas aplicadas a un punto de cuerpo es el mismo de una sola fuerza igual a la suma vectorial de las fuerzas.

La superposición de fuerzas permite sustituir una fuerza por sus vectores componentes, como se hace con los vectores de desplazamiento, velocidad y aceleración. 

Usualmente se necesitará obtener la suma vectorial (resultante) de todas las fuerzas que actúan sobre un cuerpo, eso significa encontrar la fuerza neta que actúa sobre el cuerpo, para lo cual se realiza una sumatoria de todas las fuerzas. La versión con componentes comprende la suma de las componentes x y la suma de las componentes y. Cada componente puede ser positiva o negativa, dependiendo del plano. Una vez que se tienen las componentes se puede obtener la magnitud y la dirección de la fuerza neta, utilizando el teorema de Pitágoras.

Cuando la fuerza neta es cero, podría ser que el cuerpo está en reposo y ninguna fuerza externa actúa sobre él pero también existe la posibilidad de que la fuerza neta sea cero cuando un cuerpo está en movimiento, esto se debe a que los cuerpos en movimiento naturalmente se detienen ya que se ven frenados por la fricción entre la superficie y el cuerpo que se mueve, pero si pudiésemos eliminar totalmente la fricción entre el cuerpo y la superficie en la que se mueve, el cuerpo nunca frenaría y no necesitaríamos fuerza alguna para mantener tal cuerpo en movimiento. En decir, si ninguna fuerza neta actúa sobre un cuerpo, éste permanece en reposo, o bien, se mueve con velocidad constante en línea recta (aceleración = cero), por lo cual se dice que el cuerpo está en equilibrio y esto solamente se aplica cuando sobre el cuerpo no actúan fuerzas, o, por el contrario, actúan varias fuerzas cuya fuerza neta sea cero. La tendencia de un cuerpo a permanecer en estado de reposo o a seguir moviéndose una vez iniciado su movimiento es conocida como inercia, el cual es el principio fundamental de la primera ley de Newton.

Cabe destacar, que este estudio del movimiento se basa en el modelo de partícula donde se describen cuerpos como partículas cualesquiera, es decir, objetos semejantes a un punto, con masa pero de tamaño infinitesimal. Si el cuerpo no posee estas características, es más difícil explicar su movimiento porque habría que determinar en qué parte del cuerpo se aplican las fuerzas.

El movimiento de un cuerpo se puede observar desde cualquier marco de referencia, pero la ley de la inercia define un conjunto especial de marcos de referencia llamados marcos inerciales o marcos de referencia inerciales, puesto que si un cuerpo no interactúa con otros cuerpos, es posible identificar un marco de referencia en el que el cuerpo tiene aceleración cero, y cualquier marco de referencia que se mueva con velocidad constante con respecto a un marco inercial es, en sí mismo, un marco inercial. Por esta razón, cualquier marco unido a la Tierra es un marco inercial, porque la Tierra es aproximadamente un marco de referencia inercial, a pesar de sus aceleraciones centrípetas asociadas a su rotación y traslación alrededor del Sol, que son, sin embargo, mucho más pequeñas que g y a veces pueden despreciarse.
Considerando los marcos inerciales, la primera ley de Newton plantea que «en ausencia de fuerzas externas, cuando se vea desde un marco de referencia inercial, un cuerpo en reposo permanece en reposo y un cuerpo en movimiento continúa en movimiento con una velocidad constante (esto es, con una rapidez constante en línea recta)».

Cuando la fuerza neta sobre una partícula no es cero, entonces es constante, esto quiere decir que la velocidad de la partícula cambia a ritmo constante; es decir, la partícula se mueve con aceleración constante. Esto implica que una fuerza neta que actúa sobre una partícula hace que esta acelere en la dirección que la fuerza neta (aceleración y fuerza son magnitudes directamente proporcionales). El cociente de la magnitud de la fuerza neta entre la magnitud de la aceleración es constante, y se define como masa inercial, o simplemente masa del cuerpo y se denota con m. Es decir, F = ma.

Esta relación indican que cuanto mayor sea la masa del cuerpo, más se «resiste» un cuerpo a ser acelerado. La masa es una propiedad inherente de un cuerpo y es independiente del entorno del cuerpo y del método empleado para medirla, de igual modo, es una magnitud escalar y su unidad en el SI es el kilogramo (Kg). Por lo cual «un newton es la cantidad de fuerza neta que proporciona una aceleración de 1 metro por segundo al cuadrado a un cuerpo con masa de 1 kilogramo». (En el sistema inglés de ingeniería, la unidad de fuerza es la libra, que se define como la fuerza que, cuando actúa sobre una masa de 1 slug -unidad de masa en el sistema inglés de ingeniería-, produce una aceleración de 1 pie/s; un newton equivale aproximadamente a ¼ de libra)

De ahí, que la segunda ley de Newton establezca que si una fuerza externa neta actúa sobre un cuerpo, éste se acelera. La dirección de aceleración es la misma que la dirección de la fuerza neta y su magnitud es inversamente proporcional a su masa (mientras mayor sea la masa, menor será su aceleración). Por lo tanto, se puede relacionar masa, aceleración y fuerza por medio de la ecuación: F = ma.

 Uno de los aspectos que se consideran cuando hablamos de las leyes del movimiento de Newton es la relación entre masa y peso. El peso de un cuerpo es la fuerza ejercida sobre un cuerpo por la atracción de la Tierra, se expresa comúnmente la w por weight (peso en inglés). El peso depende de la fuerza gravitacional, es decir, que el peso de un cuerpo puede cambiar según el planeta en el que se encuentre, y como puede deducirse, el peso es una magnitud vectorial. El peso de un cuerpo actúa sobre él en todo momento, aun cuando el cuerpo esté en caída libre.

El valor de g cambia de 9.8 m/s² a 9.78 y 9.82 m/s² según el punto de la superficie terrestre donde se mida, por el achatamiento en los polos, que hacen que nuestro planeta no sea una esfera perfecta, y por los efectos de su rotación y el movimiento orbital. En la Luna, el valor de g es 1.62 m/s². De tal manera que si medimos una masa de un 1 kg en la Tierra su peso es de 9.8 N, pero si lo hacemos en la Luna, su peso será 1.62 N.

La forma más fácil de medir la masa de un cuerpo consiste en medir su peso, generalmente comparándolo con un estándar. De ahí la confusión cuándo decimos que «un cuerpo pesa 5 kg», cuando en realidad conocemos su masa de 5 kg porque la hemos pesado.

En cuanto a la tercera ley de Newton, la ley de acción y reacción, consideraremos que una fuerza que actúa sobre un cuerpo siempre es el resultado de su interacción con otro cuerpo, así que a toda fuerza de acción existe una fuerza de reacción, la cual tiene dirección opuesta pero de igual magnitud. El enunciado completo de esta ley establece que «si dos objetos interactúan, la fuerza ejercida por el objeto 1 sobre el objeto 2 es igual en magnitud y opuesta en dirección a la fuerza ejercida por el objeto 2 sobre el objeto 1.

A partir de esto, se concluye que las fuerzas actúan en pares y que no existe fuerza aislada individual y ambas fuerzas, acción y reacción, actúan sobre cuerpos diferentes. Para representar con mayor facilidad las fuerzas que interactúan entre sí, se realiza un diagrama de cuerpo libre que nos permite aislar sólo aquellas fuerzas que actúan sobre el cuerpo y eliminar las que no forman parte del análisis del movimiento de dicho cuerpo, también se puede facilitar el diagrama si se considera al cuerpo como una partícula.

Responde este corto cuestionario sobre los conceptos teóricos asociados a las Leyes de Newton

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