La primera ley de Newton, conocida
también como Ley de inercia, nos dice que si sobre un cuerpo no actúa ningún
otro, este permanecerá indefinidamente moviéndose en línea recta con velocidad
constante (incluido el estado de reposo, que equivale a velocidad cero).
Como sabemos, el movimiento es
relativo, es decir, depende de cual sea el observador que describa el
movimiento. Así, para un pasajero de un tren, el interventor viene caminando
lentamente por el pasillo del tren, mientras que para alguien que ve pasar el
tren desde el andén de una estación, el interventor se está moviendo a una gran
velocidad. Se necesita, por tanto, un sistema de referencia al
cual referir el movimiento. La primera ley de Newton sirve para definir un tipo
especial de sistemas de referencia conocidos como Sistemas de
referencia inerciales, que son aquellos sistemas de referencia desde los
que se observa que un cuerpo sobre el que no actúa ninguna fuerza neta se mueve
con velocidad constante.
En realidad, es imposible encontrar un
sistema de referencia inercial, puesto que siempre hay algún tipo de fuerzas
actuando sobre los cuerpos, pero siempre es posible encontrar un sistema de
referencia en el que el problema que estemos estudiando se pueda tratar como si
estuviésemos en un sistema inercial. En muchos casos, suponer a un observador
fijo en la Tierra es una buena aproximación de sistema inercial.
La Primera ley de Newton nos
dice que para que un cuerpo altere su movimiento es necesario que exista algo que
provoque dicho cambio. Ese algo es lo que conocemos como fuerzas.
Estas son el resultado de la acción de unos cuerpos sobre otros.
La Segunda ley de Newton se encarga de
cuantificar el concepto de fuerza. Nos dice que la fuerza neta aplicada
sobre un cuerpo es proporcional a la aceleración que adquiere dicho cuerpo.
La constante de proporcionalidad es la masa del cuerpo, de manera
que podemos expresar la relación de la siguiente manera:
F = m a
Tanto la fuerza como la aceleración son
magnitudes vectoriales, es decir, tienen, además de un valor, una dirección y
un sentido. De esta manera, la Segunda ley de Newton debe expresarse como:
F = m a
La unidad de fuerza en el Sistema
Internacional es el Newton y se representa por N.
Un Newton es la fuerza que hay que ejercer sobre un cuerpo de un
kilogramo de masa para que adquiera una aceleración de 1
m/s2, o sea,
1 N = 1 Kg · 1 m/s2
La expresión de la Segunda ley de
Newton que hemos dado es válida para cuerpos cuya masa sea constante. Si la
masa varia, como por ejemplo un cohete que va quemando combustible, no es
válida la relación F = m · a. Vamos a generalizar
la Segunda ley de Newton para que incluya el caso de sistemas en los que pueda
variar la masa.
Para ello primero vamos a definir una
magnitud física nueva. Esta magnitud física es la cantidad de
movimiento que se representa por la letra p y que se
define como el producto de la masa de un cuerpo por su velocidad,
es decir:
p = m · v
La cantidad de movimiento también se
conoce como momento lineal. Es una magnitud vectorial y, en el Sistema
Internacional se mide en Kg·m/s . En términos de esta
nueva magnitud física, la Segunda ley de Newton se expresa de la siguiente
manera:
La Fuerza que actua sobre un cuerpo es
igual a la variación temporal de la cantidad de movimiento de dicho cuerpo, es
decir,
F = dp/dt
De esta forma incluimos también el caso
de cuerpos cuya masa no sea constante. Para el caso de que la masa sea
constante, recordando la definición de cantidad de movimiento y que como se
deriva un producto tenemos:
F = d(m·v)/dt = m·dv/dt + dm/dt ·v
Como la masa es constante
dm/dt = 0
y recordando la definición de aceleración, nos queda
F = m a
tal y como habiamos visto anteriormente.
Otra consecuencia de expresar la Segunda ley de Newton usando la cantidad de movimiento es lo que se conoce como Principio
de conservación de la cantidad de movimiento. Si la fuerza total que actua
sobre un cuerpo es cero, la Segunda ley de Newton nos dice que:
0 = dp/dt
es decir, que la derivada de la
cantidad de movimiento con respecto al tiempo es cero. Esto significa que la
cantidad de movimiento debe ser constante
en el tiempo (la derivada de una constante es cero). Esto es el Principio de conservación de la cantidad de
movimiento: si la fuerza total que actua sobre un cuerpo es
nula, la cantidad de movimiento del cuerpo permanece constante en el tiempo.
TERCERA LEY O
PRINCIPIO DE ACCIÓN-REACCIÓN
Tal como comentamos
en al principio de la Segunda ley de Newton las fuerzas son el resultado de la acción de unos cuerpos
sobre otros.
La tercera
ley, también conocida como Principio
de acción y reacción nos dice que si un cuerpo A ejerce una
acción sobre otro cuerpo B, éste realiza sobre A otra acción igual y de sentido
contrario.
Esto es algo que
podemos comprobar a diario en numerosas ocasiones. Por ejemplo, cuando queremos
dar un salto hacia arriba, empujamos el suelo para impulsarnos. La reacción del
suelo es la que nos hace saltar hacia arriba.
Cuando estamos en una piscina y empujamos
a alguien, nosotros también nos movemos en sentido contrario. Esto se debe a la
reacción que la otra persona hace sobre nosotros, aunque no haga el
intento de empujarnos a nosotros.
Hay que destacar que, aunque los pares
de acción y reacción tenga el mismo valor y sentidos contrarios, no se
anulan entre si, puesto que actúan sobre cuerpos distintos.
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