Leyes de Newton “fácil de entender”
Para el estudio del movimiento se utilizan como base las leyes de Newton. En ésta se establecen las relaciones entre los movimientos y las fuerzas.
En estas leyes se explica los fenómenos de la naturaleza con respecto al movimiento. Observando la naturaleza se llegó al principio de inercia, al observar que los cuerpos que están en movimiento lo mantienen por si solo sin que nadie los empuje.
La inercia de un cuerpo se puede vencer al ejercer sobre él una fuerza, presentando el cuerpo una aceleración. La segunda ley establece la relación para determinar la aceleración que experimenta un cuerpo bajo la acción de una fuerza.
Siendo las tres leyes de Newton las bases de la mecánica, se exponen, de forma sencilla, éstos principios: de inercia, de masa y el principio de acción y reacción, con ejercicios fáciles de comprender.
CONCEPTOS BASICOS “para entender las leyes de Newton”
Masa:
La masa de un cuerpo es la cantidad de materia que lo forma. Se mide en kilogramos (kg) o libras (lb). [1]
Movimiento:
Cambio de posición de un cuerpo, respecto a un sistema de referencia. [2]
Movimiento Rectilíneo Uniforme:
Es aquel movimiento de un cuerpo a velocidad constante (magnitud y dirección), con una trayectoria recta. [3]. Ver figura 1.
Aceleración:
Cambio de la velocidad de un objeto por unidad de tiempo.
Fuerza:
Acción que ejerce un cuerpo sobre otro, produciendo movimiento o deformación.
Primera Ley de Newton “Principio de Inercia“
La inercia es la propiedad de la materia, por la cual, si un cuerpo está en movimiento, tiende a seguir en movimiento, si está en reposo tiende a mantenerse en reposo. Ver figura 2. Cuanto mayor es la masa de un cuerpo mayor es su inercia.
El principio de inercia, establecido por Isaac Newton, postula que “si sobre un cuerpo no actúa ninguna fuerza, o actúan varias fuerzas que se anulan entre sí, entonces el cuerpo está en reposo o bien en movimiento rectilíneo uniforme”. [4]. Ver figura 3.
La sensación desagradable en el estómago que se siente cuando arranca bruscamente un ascensor, es debido a la inercia, a la resistencia del cuerpo a ponerse en movimiento. La inercia también se observa cuando el conductor de un vehículo acelera y los pasajeros del vehículo se inclinan hacia atrás, si el conductor frena repentinamente, los pasajeros se inclinan hacia adelante, tendiendo a seguir con el movimiento que tenían.
Segunda Ley de Newton “Principio de Masa”
Para vencer la inercia de un cuerpo se puede aplicar una fuerza. La segunda ley de Newton establece la relación entra la fuerza aplicada, la masa del objeto y la aceleración que éste adquiere.
En la figura 4, se tienen dos caballos que ejercen la misma fuerza sobre una carreta, pero en la carreta de la derecha hay mayor masa, así que la carreta se moverá más lento, con menor aceleración.
En la figura 5, se tienen dos carretas que tienen igual masa. Sobre la carreta de la derecha se ejerce mayor fuerza ya que tiene dos caballos, así que la carreta se moverá con mayor aceleración que la de la izquierda.
La segunda ley de newton establece que “La aceleración que adquiere un cuerpo, bajo la acción de una fuerza, es directamente proporcional a la fuerza en inversamente proporcional a su masa”. Ver figura 6.
Ejercicio 1 ¿Qué aceleración adquiere el carro azul de la figura 7, cuando se jala con una fuerza de 2000 N? El carro tiene una masa de 1.000 kg.
Solución:
Aplicando la segunda ley de Newton, la aceleración es el cociente entre la fuerza aplicada y la masa del carro
Así el carro tendrá una aceleración de 2 m/s2. Por cada segundo que transcurra su velocidad ira aumentando 2m/s.
Peso de un objeto
El peso de un cuerpo es la fuerza con la que la que la tierra lo atrae hacia ella. Si un objeto se deja caer libremente adquiere una aceleración de aproximadamente 9,81 m/s2, conocida como “aceleración de la gravedad (g)”.
El peso es una fuerza que siempre va dirigida hacia la tierra. Por la segunda ley de Newton, viene dada por: Peso= m.g.
En cualquier lugar del planeta la masa de un cuerpo es la misma, no varía, sin embargo, la aceleración de la gravedad varia de unos puntos a otros de la tierra, por tanto, el peso también varía. Esto se debe a que la Tierra se comporta como si todo su poder de atracción estuviera acumulado en su centro, cuanto más cerca del centro se esté ubicado mayor será la fuerza de atracción, mayor peso. Ver figura 8.
Ejercicio 2 ¿Cuál es la masa de una mujer que pesa 600 N?
Solución
Para determinar el peso de un cuerpo se aplica la segunda ley de Newton, tal como se muestra en la figura 9.
Ejercicio 3 Determine el peso de un hombre cuya masa es de 70 kilogramos, cuando se ubica en:
a) El mar. A nivel del mar la aceleración de la gravedad es g= 9,81 m/s2
b) En el polo norte, donde la gravedad es de g= 9,83 m/s2
c) En el ecuador, con g= 9,78 m/s2
Solución
En la figura 10 se presenta el cálculo del peso del hombre a nivel del mar, en el polo norte y en el ecuador. Ya que la gravedad es distinta, los pesos son distintos, pero la masa permanece constante.
Tercera ley de Newton “Principio de Acción y Reacción”
La tercera Ley de Newton establece que “siempre que un cuerpo ejerce una fuerza(acción) sobre otro cuerpo, éste reacciona con una fuerza igual y opuesta aplicada sobre el primer cuerpo”. [5].
En la figura 11 se puede observar éste principio: cuando una persona sobre el bote A empuja con el remo al bote B. El bote B, se mueve hacia la derecha, mientras que el bote A, se mueve hacia la izquierda por la fuerza de reacción del bote B sobre el bote A.
Ejercicio 4 Determine la fuerza con la que la mesa empuja al libro.
Solución:
Por ley de acción y reacción (tercera ley de Newton), la fuerza que ejerce el libro sobre la mesa, es la misma que la fuerza que ejerce la mesa sobre el libro, solo que es en sentido contrario. Ya que las magnitudes de las fuerzas son de la misma magnitud, pero en sentido contrario, la suma de las fuerzas es nula y el libro se mantiene en reposo (primera ley de Newton). Ver figura 13.
CONCLUSIONES:
El principio de inercia establece las relaciones entre los movimientos y las fuerzas que se aplican sobre un cuerpo. Si la fuerza es nula, el movimiento es rectilíneo y uniforme, o el cuerpo se mantiene en reposo. Si la fuerza sobre el cuerpo no es nula hay una aceleración (cambio de velocidad).
El principio de masa, la segunda Ley de Newton, establece la relación entre la fuerza aplicada, la masa del objeto y la aceleración que experimenta. La aceleración es directamente proporcional a la fuerza aplicada, e inversamente proporcional a la masa del cuerpo.
El principio de acción y reacción, o tercera Ley de Newton, enuncia que la fuerza ejercida de un cuerpo A sobre un cuerpo B, es igual en magnitud y opuesta en dirección a la ejercida por el cuerpo B sobre el cuerpo A.