LAS LEYES DEL MOVIMIENTO DE NEWTON Tomado del capítulo V del libro “Fundamentos de física mecánica” de los autores: JAIME ARTURO LAGOS FIGUEROA y PAULO CESAR REALPE MUÑOZ

LAS LEYES DEL MOVIMIENTO DE NEWTON Tomado del capítulo V del libro “Fundamentos de física mecánica” de los autores: JAIME ARTURO LAGOS FIGUEROA y PAULO CESAR REALPE MUÑOZ

INTRODUCCIÓN

En los capítulos anteriores se ha estudiado el movimiento de los objetos sin tener en cuenta la causa que lo produce.

En este capítulo se estudiará la fuerza como directa responsable del movimiento de cualquier partícula, además, describiremos las leyes del movimiento de Newton y desarrollaremos algunas aplicaciones para uno o varios objetos en movimiento y en reposo.

5.1 CONCEPTO DE FUERZA

Podemos definir la fuerza como la interacción entre un objeto y el medio que lo rodea, esta interacción puede deformar al objeto o cambiar su estado de movimiento. El motor de un vehiculo ejerce una fuerza sobre este haciendo que su estado de movimiento cambia con el tiempo.

Cuando dos cuerpos se encuentran en contacto existe una fuerza llamada fuerza de contacto. Otro tipo de fuerza denominada de largo alcance involucra la interacción entre dos cuerpos que se encuentran separadas, un ejemplo de esta fuerza es la gravedad; el sol ejerce una fuerza sobre la tierra manteniendo a esta fija sobre su orbita.

Es importante decir que las interacciones conocidas en la naturaleza son: la fuerza gravitacional, que aparece entre objetos a causa de sus masas y separación, la fuerza electromagnética debida a las cargas eléctricas, polos de un imán y corrientes eléctricas, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil, que son interacciones entre las partículas subatómicas.

La fuerza es una cantidad vectorial, por tal motivo tiene una magnitud (“que tan fuerte es”), dirección y sentido. La magnitud SI de la fuerza es el Newton abreviado como N (se dará una definición mas precisa de esta magnitud en la sección 5.3). La dirección de una fuerza

es la dirección en la que esta cambiaría su posición en ausencia de otras fuerzas. La dirección se indica mediante una flecha como se muestra en la Figura 5.1, la cual muestra que la fuerza es la dirección ejercida por la cuerda sobre el objeto. En la Tabla 5.1 se presenta algunas magnitudes de fuerzas típicas en la naturaleza.

F

Figura 5.1: Fuerza aplicada por una cuerda a un objeto

Tabla 5.1: Magnitudes de fuerzas típicas Fuerza gravitacional del Sol sobre la Tierra 3.5 x 1022 N Peso de una ballena azul grande 1.9 x 106 N Peso de un jugador de futbol americano 1.1 x 103 N Peso de una manzana media 1 N Peso de los huevos de insecto mas pequeño 2 x 10-6 N Atracción eléctrica entre un protón y electrón del átomo de hidrogeno

8.2 x 10-8 N

Peso de una bacteria muy pequeña 1 x 10-18 N Peso de un átomo de hidrogeno 1.6 x 10-26 N Peso de un electrón 8.9 x 10-30 N Atracción gravitacional entre un protón y un electrón del átomo de hidrogeno

3.6 x 10-47 N

5.2 PRIMERA LEY DE NEWTON: LEY DE LA INERCIA

Para que un objeto permanezca en reposo o en equilibrio, es necesario que la sumatoria vectorial de todas las fuerzas que actúan sobre él, sea igual a cero (equilibrio de traslación). Esto es una condición necesaria para que el objeto este en reposo, es decir que si un objeto esta en reposo la fuerza neta del objeto es nula, si la fuerza neta es diferente de cero entonces el objeto empieza moverse. Sin embargo es posible que aún cuando la fuerza neta sea nula, el objeto pude tener movimiento dado que también debe cumplirse otra condición para que el objeto permanezca en reposo (equilibrio de rotación).

Antiguamente se pensaba que se necesitaba alguna influencia, interacción o fuerza para conservar el movimiento de un cuerpo. Se creía que se encontraba en su estado natural cuando estaba en equilibrio, por ejemplo, para poner en movimiento al cuerpo con velocidad constante, tenía que impulsarlo continuamente un agente externo; de otra manera se detendría. Sin embargo, si se usa un bloque más liso y una superficie más lisa cada vez, se encuentra que el bloque disminuirá su velocidad con mayor lentitud y cada vez llegará más y más lejos.

Extrapolando al caso ideal, el cuerpo seguirá indefinidamente en línea recta con velocidad constante. Por lo tanto la primera ley de Newton o ley de la inercia establece que si sobre un cuerpo la resultante de las fuerzas aplicadas es nula, el cuerpo estará en reposo o en

movimiento rectilíneo uniforme (aceleración nula). Esta ley sólo es válida si el observador está en un marco de referencia inercial, es decir, un sistema de referencia inercial es aquél en el que un cuerpo no sometido a interacciones está en equilibrio o en movimiento rectilíneo uniforme. Serán sistemas de referencia inerciales todos aquellos que sean fijos o los que posean velocidad constante respecto de los fijos. La Tierra no es un marco inercial pero podemos considerar, para movimientos en torno a la Tierra, que los sistemas fijos a la Tierra son también inerciales.

5.3 SEGUNDA LEY DE NEWTON: LEY DE LA FUERZA

La primera ley de Newton establece lo que sucede cuando la suma vectorial de fuerzas que actúan sobre un objeto es igual a cero; permanece en reposo o con velocidad constante. La segunda ley de Newton explica lo que ocurre cuando la sumatoria de fuerzas que actúan sobre el objeto es diferente de cero. Antes de estudiar la segunda ley de Newton es importante estudiar una propiedad importante de la materia: la masa.

La masa es una propiedad de un objeto el cual específica la resistencia que presenta un cuerpo a cambios de su velocidad. Cuanto mayor sea la masa de un cuerpo, menor es la aceleración de él bajo la acción de una fuerza aplicada.

Si una fuerza actúa sobre un objeto de masa m

1

produce una aceleración a

1

y la misma fuerza que actúa sobre un objeto de masa m

2

produce una aceleración a

2

, se cumple una relación inversa entre las masas y sus aceleraciones, es decir

m m

= a

1

(5.1)

La masa es una propiedad inherente de un cuerpo y es independiente del entorno y del método empleado para medirla. La masa es una cantidad escalar ya que solo tiene magnitud y obedece a las reglas de la aritmética general.

Ahora bien, si se ejerce una fuerza horizontal F sobre un objeto, este se mueve con una aceleración a, si se triplica la fuerza, la aceleración del objeto también se triplica. Según lo anterior podemos concluir que la aceleración de un objeto es proporcional a la fuerza aplicada.

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