Las leyes de Newton son un tema de gran importancia debido a que explica varias problemáticas de la mecánica clásica. En esta ocasión hablaremos acerca de ellas de forma detallada, en conjunto con ejemplos y ejercicios prácticos que permitirán un correcto entendimiento.
¿Qué son las leyes de Newton?
Las leyes del movimiento de Newton consisten en tres principios que sirven para explicar el movimiento de los cuerpos. Gracias a ellas se revolucionó la física y dinámica clásica, formando parte de los pilares fundamentales de dichas áreas.
Cabe destacar que la dinámica de Newton (conocida como “dinámica clásica”), solamente tienen lugar en un sistema de referencia inercial. Este se refiere a aquellos que se mueven a una velocidad constante, ya que la variación de la cantidad de movimiento es igual a las fuerzas reales aplicadas en el sistema.
La formulación matemática de Isaac Newton fue publicada el 5 de julio de 1687 en su obra Philosophiæ naturalis principia mathematica, conocida bajo el nombre de “Principia”.
La importancia de estas leyes radica en que forman parte de la base de la mecánica clásica en conjunto con la transformación de Galileo. Ademas, combinándolas con la ley de gravitación universal es posible entender las leyes de Kepler; las cuales explican cómo funciona el movimiento de los astros.
En conclusión, estos principios permiten comprender tanto el movimiento planetario, como el de los proyectiles que han sido creados por el ser humano; incluyendo el funcionamiento de las máquinas.
Fundamentos de los principios
Newton establece el concepto “masa” (m) para hacer referencia a la cantidad de materia. A su vez, asume que la cantidad de movimiento es igual al producto de la masa por la velocidad. Además, hace énfasis en diferenciar lo relativo y absoluto con respecto al tiempo, lugar o movimiento.
El físico considera que el movimiento se trata del traslado de un cuerpo de un sitio a otro. También clasifica que la fuerza (F) “newton” es del tipo absoluto.
¿Cuáles son las 3 leyes de Newton?
Las leyes enunciadas por Isaac Newton son la ley de inercia, ley fundamental de la dinámica y el principio de acción y reacción. A continuación explicaremos en qué consiste cada una.
Primera ley de Newton
La ley de inercia es el primer principio expuesto por Newton, el cual confronta la errónea idea planteada por Aristóteles (que el cuerpo solo puede mantener el movimiento si le es aplicada una fuerza).
En ésta se establece que los cuerpos no pueden cambiar su estado inicial por sí mismos, ya que es necesario la aplicación de una o varias fuerzas. Además, se considera el hecho de que los cuerpos que están en movimiento se someten a fuerzas de roce o fricción; encargándose de frenarlos progresivamente.
En otras palabras, los cuerpos que se desplazan con un movimiento rectilíneo uniforme no podrán detenerse a menos de que se les aplique una fuerza. De igual manera con los que están en reposo, ya que su velocidad es cero y solo cambiará si se le aplica una fuerza.
La primera ley del movimiento de Newton se aplica en los sistemas de referencia inercial; a pesar de que éstos no existen, es posible tratarlos al momento de estudiar un problema.
Ejemplo
Un ejemplo de la ley de inercia sería el siguiente:
Calcular el valor de la fuerza aplicada a un automóvil que se mueve a una velocidad de 150 m/s.
El único dato proporcionado es la velocidad (v= 150 m/s), por lo que tomando en cuenta el enunciado de la ley “todo cuerpo se mantendrá en reposo o movimiento rectilíneo uniforme siempre y cuando no se aplique una fuerza externa sobre él”, la fuerza sería 0 Newton (F = 0 N).
Segunda ley de Newton
La ley fundamental de la dinámica postula que la aceleración adquirida por un cuerpo dependerá de la fuerza que se aplique en el mismo. La constante vendría a ser la cantidad de materia (masa) de un cuerpo, ya que puede ser o no constante.
Es importante entender que la fuerza y la aceleración son magnitudes vectoriales, lo que significa que no solo tienen un valor, sino también un sentido y una dirección.
Masa constante
La segunda ley de Newton con una masa constante se expresa como “F= m . a”.
Es importante resaltar que el Newton (N) es la unidad de fuerza utilizada en el Sistema Internacional. Su valor es la fuerza necesaria para aplicar en 1 Kg de masa para lograr que acelere 1 m/s2. La fórmula vendría a ser= “1 N = 1 Kg . 1 m/s2”.
Masa no constante
Este caso se aplica en los cuerpos donde varía la masa, como por ejemplo en un cohete que va quemando combustible a medida que avanza. Por ello es necesario definir la cantidad de movimiento o momento lineal (p), que es el resultado de la masa de un cuerpo por su velocidad (p= m.v). Según el Sistema Internacional esta se mide en “Kg . m/s”.
La fórmula de esta ley vendría a ser:
F= d(m.v) / dt
La misma permite asociar la fuerza con la aceleración y la masa (sea o no constante). Por ejemplo, si fuese constante la masa (dm/dt= 0), esta saldría de la derivada y la fórmula quedaría igual a la anteriormente mostrada:
F= m . dv/dt -> obteniendo F= m.a
La segunda ley, al igual que la primera, solo se aplica en un sistema de referencia inercial. Aunque, en caso de un sistema no inercial, es posible utilizar la misma ecuación si se incluye las fuerzas inerciales.
Ejemplo
Un claro ejemplo de la segunda Ley de Newton es una bola de nieve cayendo por una superficie inclinada, donde a medida que adquiere mayor cantidad de materia (masa), aumenta la aceleración en conjunto con el efecto de gravedad.
Momento lineal
Para entender esta ley primero es necesario comprender la cantidad de movimiento (p). Esta es una magnitud vectorial proporcional a la cantidad de materia y a la velocidad del cuerpo. Las variaciones del momento lineal están expresadas según la fuerza resultante y el período de tiempo por el que es ejercida.
F = ma = m . dv/dt
F dt = m.dv = d(mv) = dp
Tercera ley de Newton
Esta se denomina como el principio de acción y reacción, en el que se postula que: cuando un objeto ejerce fuerza en otro, el segundo también ejerce una fuerza idéntica a la anterior pero en sentido contrario. En otras palabras, a cada acción se le opone una reacción igual, pero en sentido opuesto.
Ejemplo
Un ejemplo de la tercera ley del movimiento es el rebote de una pelota.
Cuando una persona lanza una pelota contra una pared, la fuerza aplicada en la acción de “lanzar” provocará que la pared (que tiene mayor masa) provoque una reacción con la misma fuerza al sentido opuesto; provocando que la pelota rebote. Además, mientras más fuerza se le aplique al lanzamiento, con mayor fuerza rebotará.
Leyes de Newton PDF
Debido a la complejidad del tema y lo largo que puede llegar a ser tomando en cuenta todas la variables existentes, hemos traído un archivo PDF sobre las leyes publicado por la Universidad de Salamanca, España
