Las Leyes de Newton, también conocidas como Leyes del movimiento de Newton, son tres principios a partir de los cuales se explican la mayor parte de los problemas planteados por la dinámica, en particular aquellos relativos al movimiento de los cuerpos.
Las Leyes de Newton permiten explicar tanto el movimiento de los astros
como los movimientos de los proyectiles artificiales creados por el
ser humano, así como toda la mecánica de funcionamiento de las máquinas.
Fundamentos teóricos de las leyes
El primer concepto que maneja Newton es el de masa, que identifica con "cantidad de materia".
Newton asume a continuación que la cantidad de movimiento es el resultado del producto de la masa por la velocidad.
En tercer lugar, precisa la importancia de distinguir entre lo
absoluto y relativo siempre que se hable de tiempo, espacio, lugar o
movimiento.
En este sentido, Newton, que entiende el movimiento como una
traslación de un cuerpo de un lugar a otro, para llegar al movimiento
absoluto y verdadero de un cuerpo compone el movimiento (relativo) de
ese cuerpo en el lugar (relativo) en que se lo considera, con el
movimiento (relativo) del lugar mismo en otro lugar en el que esté
situado, y así sucesivamente, paso a paso, hasta llegar a un lugar inmóvil, es decir, al sistema de referencias de los movimientos absolutos.
De acuerdo con esto, Newton establece que los
movimientos aparentes son las diferencias de los movimientos verdaderos
y que las fuerzas son causas y efectos de estos. Consecuentemente, la
fuerza en Newton tiene un carácter absoluto, no relativo.
Estas leyes enunciadas por Newton y consideradas como las más importantes de la mecánica clásica son tres: la ley de inercia, relación entre fuerza y aceleración, y ley de acción y reacción.
Newton planteó que todos los movimientos se atienen a
estas tres leyes principales formuladas en términos matemáticos. Un
concepto es la fuerza, causa del movimiento; otro es la masa, la
medición de la cantidad de materia puesta en movimiento; los dos son
denominados habitualmente por las letras F y m.
PRIMERA LEY
Todo cuerpo persevera en su estado de reposo o de
movimiento uniforme y en línea recta, salvo en cuanto mude su estado obligado por
fuerzas exteriores.
Los proyectiles perseveran en su movimiento, salvo en
cuanto son retardados por la resistencia del aire o por la fuerza de la gravedad que
los impele hacia abajo. Un trompo cuyas partes coherentes son perpetuamente desviadas
del movimiento rectilíneo, no cesa de girar sino en cuanto es retardado por el aire.
Sin embargo, los cuerpos mayores de los planetas y cometas conservan por más tiempo
sus movimientos progresivos y circulares, que se efectúan en espacios menos
resistentes.
Al
lanzarse un paracaidista desde un avión, su cuerpo tiene un movimiento
de caída libre. Cuando se abre el paracaídas, éste frena su caída debido
a la resistencia del aire.
En ausencia de corrientes de aire, la suma de fuerzas es igual a cero,
el paracaidista desciende con velocidad constante, con movimiento
rectilíneo uniforme. No es necesaria una fuerza para que el cuerpo se
mueva en línea recta con velocidad constante.
En la antigua Grecia se pensaba que el estado natural de cualquier
objeto era el reposo y, por tanto, era necesaria una fuerza para que se
mantuviera en movimiento. Esto parecía ser cierto porque no se tomaban
en cuanta las fuerzas de fricción.
En la actualidad se sabe que en el espacio exterior; donde las fuerzas
de fricción son muy pequeñas, un cuerpo puede viajar millones de
kilómetros sin que su velocidad disminuya.
El conocimiento intuitivo de que era necesaria una fuerza para mantener
un cuerpo en movimiento era tan natural que se necesitó de un genio
como Galileo para ponerlo en duda.
Más tarde, Newton contribuyó a las observaciones de Galileo y resumió la primer ley del movimiento de la siguiente forma:
Los cuerpos que están en reposo continúan en reposo, a menos que una fuerza actúe sobre ellos.
Todo cuerpo que se mueve en línea recta con velocidad constante
continúa su movimiento, a menos que sea perturbado por una fuerza que
actúe sobre él.
INERCIA
El concepto de inercia está íntimamente relacionado con la primera ley de movimiento. Una definición común de ésta es:
Inercia es la medida de la tendencia de un objeto en reposo a
permanecer en reposo y de un objeto en movimiento a permanecer en
movimiento con su velocidad original.
Se sabe que para un camión de carga la inercia es mucho mayor que para
una carretilla, porque es mucho más fácil mover la carretilla que el
camión. También se puede detener con mayor facilidad una carretilla que
un camión cuando ambos se mueven con la misma velocidad. Es difícil
alterar el estado de movimiento de un objeto cuya inercia es grande. La
inercia de un objeto está relacionada con su masa; así, una masa de 1 kg
tiene cierta inercia y una masa de 2 kg tiene el doble de inercia.
Segunda Ley
El cambio del movimiento es proporcional a la fuerza
motriz imprimida y se efectúa según la línea recta en dirección de la cual se
imprime dicha fuerza.
Si alguna fuerza imprime un movimiento cualquiera, la
fuerza doble, triple, etc., generará doble o triple movimiento, ya sea que esas
fuerzas se apliquen simultáneamente o graduada y sucesivamente. Y este movimiento (en
el mismo plano, con la fuerza generatriz determinada), si el cuerpo se movía ya
antes, se agrega a aquel movimiento si él obra en el mismo sentido, o, al contrario,
lo disminuye o lo desvía oblicuamente y se compone con él según la acción de
ambos.
Esto se representa así:
Si la fuerza es directamente proporcional a la aceleración (a mayor fuerza, mayor aceleración)
y la masa es inversamente proporcional a la aceleración (a mayor masa, menor aceleración)
si se reúnen ambas expresiones:
de donde:
La proporcionalidad se puede transformar en una igualdad si se incorpora una constante de proporcionalidad K.
F = K m a
La constante vale 1 si utilizamos las unidades apropiadas para la masa y la aceleración.
K = 1
La expresión de la segunda ley de Newton es:
F = m a
fuerza = masa x aceleración
La fuerza que actúa sobre un cuerpo es igual al producto de la masa del cuerpo por la aceleración que le produce.
Tercera Ley
A toda acción se opone siempre una reacción contraria
e igual; es decir: que las acciones entre dos cuerpos son siempre iguales entre sí y
dirigidas en sentido contrario.
Todo cuerpo que oprime o atrae hacia sí a otro, es, a
su vez, oprimido o atraído. Si alguien oprime una piedra con el dedo, también su
dedo es oprimido por la piedra. Si un caballo tira de una piedra atada por una cuerda,
también (por decirlo así) es atraído igualmente el caballo hacia la piedra, pues la
cuerda, tensa en todos sus puntos con el mismo esfuerzo, tirará del caballo hacia la
piedra, lo mismo que de la piedra hacia el caballo, e impedirá en tanto el progreso o
el avance de uno de ellos en cuanto promoverá el avance del otro. Si algún cuerpo
choca con otro, mudará el movimiento de éste con su fuerza, del mismo modo que, a su
vez, en el movimiento propio sufrirá mutación en sentido contrario del otro (por la
unidad de la presión transformada). A estas acciones son iguales los cambios, no de
las velocidades, sino de los movimientos, siempre que se trate de cuerpos que no
sufren otro impedimento exterior. En efecto los cambios de las velocidades realizados
en direcciones contrarias, por cuanto los movimientos se cambian igualmente, son
recíprocamente proporcionales a las masas de los cuerpos. Esta ley es válida
también para las atracciones, como se probará en el próximo escolio.
De acuerdo con la expresión F = m a de la segunda ley de Newton, las unidades son: [F] = (1 kg) (1 m/s2) = 1 N.
A esta unidad se le lama newton (N) y es la unidad de fuerza que se utiliza en el Sistema Internacional de Unidades (SI).
La segunda ley estudia el efecto que tienen las fuerzas no equilibradas
que actúan sobre un objeto. Por ejemplo, la fuerza no equilibrada
aplicada por un bat sobre una pelota hace que ésta se acelere (cambia su
velocidad); es decir, fuerzas no equilibradas causan aceleraciones.
Masa es una medida de la inercia de un objeto
Peso es la medida con que la fuerza de gravedad ejercida por la Tierra atrae al objeto hacia su centro.
F = m a
W = m g
Por ejemplo, si la masa de Juan es 60 kg, su peso es:
W = (60 kg)(9.8 m/s2)
W = 588 N
Bibliografía:
No hay comentarios:
Publicar un comentario