Leyes de newton: Inercia, Dinámica, acción y reacción

Las leyes de Newton, denominadas también como leyes del movimiento de Newton, son tres enunciados fundamentales que sirven para explicar una amplia variedad de problemas en la mecánica clásica. Estas leyes, especialmente relacionadas con el movimiento de los objetos, transformaron de manera radical los conceptos esenciales de la física y la comprensión del movimiento en el cosmos.

Introducción

Estas leyes forman la base no solo de la dinámica clásica, sino también de la física clásica en su conjunto. Aunque contienen algunas definiciones y pueden considerarse axiomas en cierto modo, Newton sostuvo que se fundamentaban en observaciones y experimentos cuantitativos, y no pueden deducirse de otras relaciones más fundamentales. La prueba de su validez se encuentra en sus predicciones, las cuales han sido confirmadas en cada caso durante más de dos siglos.

La importancia de estas leyes se destaca en dos aspectos: primero, junto con la transformación de Galileo, forman los fundamentos de la mecánica clásica. Segundo, al integrarlas con la ley de la gravitación universal, es posible deducir y entender las leyes de Kepler sobre el movimiento de los planetas. De este modo, las leyes de Newton permiten explicar tanto el movimiento de los cuerpos celestes como el de los proyectiles artificiales y el funcionamiento de las máquinas. Isaac Newton presentó la formulación matemática de estas leyes en su obra "Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica", publicada en 1687.

La dinámica de Newton, conocida también como dinámica clásica, es válida únicamente en sistemas de referencia inerciales, que se mueven a velocidad constante. Aunque la Tierra gira y rota, se considera un sistema inercial en muchos experimentos prácticos. Esta dinámica es aplicable solo a cuerpos que se desplazan a velocidades mucho menores que la de la luz. Cuando un objeto se aproxima a una velocidad de 300,000 km/s, se manifiestan fenómenos conocidos como efectos relativistas, que son estudiados por la teoría de la relatividad especial, formulada por Albert Einstein en 1905.

Primera ley de Newton o ley de inercia

La primera ley del movimiento de Newton desafía la idea aristotélica de que un cuerpo necesita una fuerza constante para mantenerse en movimiento. Newton establece que un cuerpo permanecerá en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme a menos que una fuerza externa no equilibrada actúe sobre él. Esta ley introduce el concepto de que los cuerpos en movimiento experimentan fuerzas de fricción que los desaceleran gradualmente, un avance significativo respecto a las concepciones anteriores que no consideraban la fricción como una fuerza.

En términos prácticos, esto significa que un objeto en movimiento rectilíneo uniforme no cambiará su velocidad o dirección a menos que una fuerza externa intervenga. De igual manera, un objeto en reposo no comenzará a moverse a menos que se le aplique una fuerza. Newton adaptó la ley de la inercia de Galileo, que describe la tendencia de un objeto a continuar en su estado de movimiento a menos que una fuerza actúe sobre él.

Newton también aplicó esta ley a la Luna, observando que no se movía en línea recta porque una fuerza, la gravedad, la mantenía en su órbita alrededor de la Tierra. Esta fuerza, que Newton postuló como actuante a distancia, es la misma que hace caer una manzana al suelo. Utilizando la tercera ley de Kepler, Newton dedujo la naturaleza de la gravedad y mostró que es la fuerza que tanto atrae a la Luna hacia la Tierra como hace que los objetos caigan al suelo.

La primera ley de Newton establece la equivalencia entre el estado de reposo y el de movimiento rectilíneo uniforme en sistemas de referencia inerciales. Si consideramos dos sistemas de referencia, S y S', con S' moviéndose a velocidad constante respecto a S, y un objeto en reposo en S' sin fuerzas netas actuando sobre él, el objeto permanecerá en reposo respecto a S' y en movimiento rectilíneo uniforme respecto a S. Este principio de equivalencia es conocido como el principio de relatividad de Galileo o newtoniano, y establece que ningún sistema de referencia inercial tiene preferencia sobre otro.

Todo cuerpo persevera en su estado de reposo o movimiento uniforme y rectilíneo a no ser que sea obligado a cambiar su estado por fuerzas impresas sobre él

El enunciado fundamental que podemos extraer de la ley de Newton es que

Esta expresión es una ecuación vectorial, ya que las fuerzas llevan dirección y sentido. Por otra parte, cabe destacar que la variación de la velocidad corresponde a la aceleración.

Segunda ley de Newton o ley fundamental de la dinámica

Es relevante señalar que Newton conceptualizó la fuerza de varias maneras, identificando tipos como fuerzas inerciales (vis insita), fuerzas impresas (vis impressa), y fuerzas centrípetas (vis centripeta). En particular, según la segunda ley de Newton, cualquier fuerza impresa es responsable de un cambio observable en el movimiento de un objeto.

Aunque en su formulación original Newton no mencionó explícitamente términos como masa, aceleración o la variación de la velocidad en el tiempo, describió el cambio en el movimiento como una variación en la "cantidad de movimiento" (momentum). En la actualidad, dentro del contexto de la mecánica clásica, el movimiento de un objeto se describe mediante su momentum, que es una magnitud vectorial.

El cambio de movimiento es directamente proporcional a la fuerza motriz impresa y ocurre según la línea recta a lo largo de la cual aquella fuerza se imprime

El enunciado fundamental que podemos extraer de la ley de Newton es que:

Fuerza resultante (Fresultante) = masa (m) x aceleración (a)

Una fuerza neta actúa sobre un cuerpo de masa constante y le proporciona una aceleración determinada. En los casos en que la masa no sea constante, la fórmula se enfocará más bien en la cantidad de movimiento (p), según la fórmula siguiente:

Cantidad de movimiento (p) = masa (m) x velocidad (v). Por ende: F(neta) = d (m.v) / dt.

Así se puede relacionar la fuerza con la aceleración y la masa, sin importar si ésta última es variable o no.

Tercera ley de Newton o principio de acción y reacción

La tercera ley de Newton afirma que cuando un objeto aplica una fuerza sobre otro, este segundo objeto ejerce una fuerza de igual magnitud y en la misma dirección, pero en sentido contrario sobre el primero. Esta ley se enuncia comúnmente como: "a cada acción siempre se opone una reacción igual, pero en sentido contrario." En toda interacción, existe un par de fuerzas, conocidas como fuerza de acción y fuerza de reacción, que son iguales en magnitud y opuestas en dirección.

La tercera ley de Newton es una aportación completamente original al campo de la física, ya que mientras las dos primeras leyes ya habían sido propuestas de diferentes maneras por científicos como Galileo, Hooke y Huygens, esta tercera ley completa el conjunto de principios de la mecánica. La ley establece que por cada fuerza ejercida sobre un cuerpo, este ejerce una fuerza de igual intensidad, pero en sentido opuesto, sobre el cuerpo que la generó. En otras palabras, las fuerzas, ubicadas a lo largo de la misma línea, siempre aparecen en pares con magnitudes iguales y direcciones opuestas. Si dos objetos interactúan, la fuerza F12 ejercida por el objeto 1 sobre el objeto 2 es igual en magnitud y dirección, pero en sentido contrario a la fuerza F21 ejercida por el objeto 2 sobre el objeto 1.

Con toda acción ocurre siempre una reacción igual y contraria: quiere decir que las acciones mutuas de dos cuerpos siempre son iguales y dirigidas en sentido opuesto.

El enunciado fundamental que podemos extraer de la ley de Newton es que:

F (1-2) = ­F (2-1)