Primera ley de Newton o ley de la
inercia
La primera ley
de Newton, conocida también como Ley de inercía, nos dice que si sobre un
cuerpo no actua 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 actua 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.
Segunda ley de Newton o principio fundamental
de la Dinámica
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
Newtones la fuerza que hay que ejercer sobre un cuerpo de un kilogramo de
masapara 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 movimientoque 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 de Newton 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 tambien 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 anulanentre si, puesto que actuan sobre cuerpos distintos.
