Leyes de Newton


Las leyes del movimiento de Newton describen la relación entre las fuerzas que actúan sobre un cuerpo y el movimiento de este cuerpo debido a dichas fuerzas. Estas constituyen los principios fundamentales usados para analizar el movimiento de los cuerpos y son la base de la mecánica clásica.

Las tres leyes de Newton fueron publicadas en 1867 por Isaac Newton (1643-1727) en su obra Principios matemáticos de la filosofía natural (Philosophiae Naturalis Principia Mathematica). 

Primera ley de Newton

La primera ley de Newton establece que si la resultante de las fuerzas ejercidas sobre un cuerpo es nula, el cuerpo permanecerá en reposo si estaba en reposo inicialmente, o se mantendrá en movimiento rectilíneo uniforme si estaba inicialmente en movimiento.

Así, para que un cuerpo salga de su estado de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme, es necesario que una fuerza actúe sobre él.

La primera ley de Newton es llamada también “ley de la inercia” o “principio de la inercia”. La inercia es la tendencia de los cuerpos de permanecer en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme.

Por lo tanto, si la suma vectorial de las fuerzas es nula, resultará en el equilibrio de las partículas. Por otro lado, si hay fuerzas resultantes, producirá una variación en su velocidad.

Cuanto mayor sea la masa de un cuerpo, mayor será su tendencia de permanecer en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme.

Ejemplo

Pensemos en un conductor que lleva un carro a una determinada velocidad, se atraviesa un perro delante del carro y el conductor frena rápidamente. En esta situación los pasajeros continúan el movimiento y son lanzados hacia adelante.

Segunda ley de Newton

La segunda ley de Newton es el principio fundamental de la mecánica y establece que la intensidad de la resultante de las fuerzas ejercidas en un cuerpo es directamente proporcional al producto de la aceleración que adquiere por la masa del cuerpo:

segunda ley newton

Donde F es el resultante de las fuerzas que actúan sobre el cuerpo; m, la masa del cuerpo; a, la aceleración del cuerpo.

En el sistema internacional las unidades de medida son:

Para F (fuerza): newtons (N).
Para m (masa): kilogramos (kg).
Para a (aceleración): metros por segundo al cuadrado (m/s2).

Es importante resaltar que la fuerza es un vector, es decir, posee módulo, dirección y sentido. Por lo tanto, cuando varias fuerzas actúan sobre un cuerpo, ellas se suman vectorialmente y el resultado es la fuerza resultante.

La flecha sobre las letras en la fórmula representa que la fuerza y la aceleración son vectores y que la dirección y el sentido de la aceleración serán los mismos de la fuerza resultante.

Ejemplo

Un carrito de mercado es más fácil de mover si está vacío, esto es, requiere menos fuerza para moverlo porque tiene menos masa. En cambio, si está lleno, cuesta más moverlo.

Tercera ley de Newton

La tercera ley de Newton es llamada ley de acción y reacción, en la cual a toda fuerza de acción le corresponde una fuerza de reacción.

De esta manera, las fuerzas de acción y reacción, que actúan en pares, no se equilibran, una vez que están aplicadas en cuerpos diferentes. Recordando que esas fuerzas presentan la misma magnitud y dirección pero en sentido opuesto.

Ejemplo

Una forma de ejemplificar la tercera ley de Newton podría ser la siguiente: hay dos patinadores, parados uno frente al otro. Si uno de ellos empuja al otro, ambos se moverán en sentidos opuestos.

Vea también Isaac Newton.

Pasos para resolver problemas de las leyes de Newton

Paso 1

Identifica los principios físicos involucrados. Dibuja un esquema de la situación. Usa flechas para mostrar las fuerzas, su dirección y magnitud.

Paso 1

Paso 2

Identifica lo que se pide en el problema y cuáles son los datos conocidos o que se pueden inferir del problema. Luego determina el sistema de interés. Este paso es crítico, ya que la segunda ley de Newton sólo considera las fuerzas externas. La tercera ley de Newton se puede usar si las fuerzas se ejercen entre componentes de un sistema (interno) o entre el sistema y algo en el exterior (externo).

Dibuja un diagrama de cuerpo libre donde muestras el sistema de interés y las fuerzas externas (no se coloca velocidad o aceleración).

Paso 3

Una vez que las fuerzas externas están claramente identificadas en un diagrama de cuerpo libre, se puede escribir la ecuación para determinar el parámetro desconocido. Si el problema es de una dimensión —es decir, las fuerzas son paralelas— entonces se suman los escalares. Si el problema es bidimensional, debe ser separado en sus componentes de una dimensión. Esto se hace proyectando los vectores de las fuerzas en un set de ejes escogidos a conveniencia. Por ejemplo, cuando el problema tiene un plano inclinado, se representa un eje paralelo al la diagonal, y otro perpendicular.

Paso 4

Revisa la solución para ver si es razonable. En la mayoría de los casos es obvio. Por ejemplo, cuando hay fricción se enlentece el deslizamiento de un objeto en plano inclinado. Otra forma de revisar la solución es revisar las unidades: si el parámetro desconocido es Fuerza y las unidades son kg, evidentemente hay un error.

paso 3

Puntos claves a recordar

  • Las tres leyes de Newton son la base de la mecánica.
  • La fuerza resultante es la suma de todas las fuerzas que actúan sobre un objeto. Las fuerzas que son de igual magnitud pero en sentidos opuestos se anulan.
  • La aceleración de un objeto es proporcional a la fuerza aplicada sobre él.
  • La fuerza causa que un objeto se mueva.
  • Un objeto con mayor masa requiere más fuerza para moverse.
  • La fricción es la fuerza entre los objetos y la superficie sobre la que se mueven.
  • La inercia es la tendencia de un cuerpo en movimiento a permanecer en movimiento y depende de la masa.

Ejercicios (con soluciones)

Ejercicio 1

Pregunta: Cuando no hay fuerzas resultantes sobre un objeto en movimiento, este llega al reposo debido a su inercia. ¿Verdadero o falso?

Respuesta: Falso. Si no se aplican fuerzas resultantes a un objeto en movimiento, su velocidad no cambia. La razón por la que los objetos dejan de moverse es porque la fricción los frena. La inercia no es una fuerza. Es la tendencia de un objeto para resistir un cambio en su velocidad.

Ejercicio 2

Pregunta: Dos jóvenes están halando una cuerda en direcciones opuestas ¿Cuál es la fuerza “igual y en dirección opuesta” a la fuerza de la mano de uno de los jóvenes que hala la cuerda según la tercera ley de Newton?

Respuesta: La fuerza de la cuerda que hala de la mano del joven en la dirección opuesta. ¿Por qué? Si el objeto A le aplica una fuerza al objeto B, entonces la fuerza “igual y opuesta” es la fuerza que B aplica sobre A (misma magnitud, pero dirección opuesta). No se anulan entre sí porque actúan sobre dos cuerpos diferentes. La tercera ley de Newton describe la fuerza de la cuerda que hala de la mano en dirección opuesta.

Ejercicio 3

Pregunta: Un astronauta percibe que se aleja lentamente de la estación espacial y la cuerda que lo conecta está rota. En sus manos tiene un equipo de 5 kg. ¿Qué podría hacer el astronauta de forma rápida?

Respuesta: Debería lanzar el equipo en la misma dirección a la que se va alejando. Por la tercera ley de Newton, el equipo aplicará la misma fuerza en dirección opuesta, o sea, hacia la estación espacial.

Ejercicio 4

Pregunta: En un experimento el bloque I (m=10 kg) y el bloque II (m=6 kg) están conectados por una cuerda ideal. En un primer momento, se aplica una fuerza de magnitud igual a 64N en el bloque I, generando en la cuerda una tensión TA. Luego, se aplica una fuerza de la misma magnitud F en el bloque II, produciendo una tensión TB, como se muestra en el esquema.

ejercicio 4 alternativo

Si consideramos despreciable la fricción entre los bloques y la superficie, la relación entre las tensiones corresponde a:

a) 9/10
b) 4/7
c) 3/5
d) 8/13

Respuesta correcta: Opción c. 

Ejercicio 5

Pregunta: En el interior de un avión que se desplaza horizontalmente con relación al suelo, con velocidad constante de 1000 km/h, un pasajero deja caer un vaso. Observe la figura en la cual están indicados cuatro puntos en el piso del corredor del avión y la posición del pasajero. ¿Sobre cuál de los puntos marcados cae el vaso?
ejercicio 5

Respuesta: Sobre el punto R.