Isaac
Newton nació en Inglaterra el 25 de diciembre de 1642 y es
considerado uno de los más grandes e importantes científicos de
la historia. Aportó a varios campos de la ciencia, sirviendo de
base a la mayor parte de avances científicos de la época.
Físico y matemático, recibió el título de profesor en 1668,
dedicándose al estudio e investigación de los últimos avances
matemáticos; en 1666 desarrolló lo que hoy conocemos como
cálculo, un método matemático muy novedoso.
Sin embargo, hay algo que dejó una profunda huella en la
historia de la física: los llamados principios o leyes de
Newton, que profundizaremos a continuación.
Los principios de la mecánica
En 1665, cuando Newton tenía 23 años, comenzó a desarrollar los
principios de la mecánica, que terminaron siendo la base
teórica de todo el desarrollo de la física dinámica (fuerza y
movimiento) desde el siglo XVIII.
El principio de inercia
Si pensamos en todo lo que hacemos diariamente, no es difícil
entender que para mover un cuerpo debemos aplicar una fuerza, y
para detenerlo, también. La inercia es la resistencia de
un cuerpo en reposo al movimiento, o de un cuerpo en movimiento
a la aceleración, al retardo en su desplazamiento o a un cambio
de dirección del mismo. Para vencer la inercia debe aplicarse
una fuerza.
Un ejemplo de inercia es cuando vamos en el auto y frenamos
bruscamente; entonces nuestro cuerpo tiende a irse hacia
adelante. Por el contrario, cuando el vehículo parte nos vamos
hacia atrás. Esto demuestra que todos los cuerpos que están en
movimiento tienden a seguir en movimiento; los cuerpos que están
en reposo, tienden a seguir en reposo. Esta es la primera Ley
de Newton, que se enuncia así: “Todo cuerpo permanece en
reposo o se desplaza con movimiento rectilíneo uniforme, siempre
que no actúe sobre él una fuerza exterior que cambie su estado”.
Definición de masa
En un comienzo, Newton definió la masa como la cantidad
de materia de un cuerpo. Sin embargo, con el tiempo, esto quedó
mejor explicado como la medida de la inercia de un cuerpo;
es decir, la resistencia del cuerpo a cambiar su estado. Es
importante tener claro que a mayor masa, mayor inercia. Esto no
tiene nada que ver con el peso, ya que la masa es la medida de
la inercia de un cuerpo; por el contrario, el peso se refiere a
la fuerza de gravedad sobre un cuerpo y es igual al producto de
su masa y la aceleración de gravedad. El peso variará
dependiendo del lugar donde se encuentre, mientras que la masa
será siempre constante.
Por ejemplo, si tenemos dos automóviles iguales, y uno es tirado
por un hombre y el otro por un caballo (dos fuerzas distintas),
el segundo va a adquirir mayor aceleración, comprobando que la
aceleración es directamente proporcional a la fuerza: a mayor
fuerza, mayor aceleración.
Por el contrario, si tenemos dos caballos iguales (igual
fuerza), el primero tira de un auto más pequeño que el segundo
(distintas masas), el primero adquirirá mayor aceleración,
concluyendo que la aceleración es inversamente proporcional a la
masa: a menor masa, mayor aceleración.
Esta es la segunda Ley de Newton, que formalmente se
enuncia así: “Cualquier variación del movimiento es proporcional
a la fuerza que la produce y tiene lugar en la dirección en que
dicha fuerza actúa, siendo el aumento o la disminución de la
velocidad proporcional a la misma”.
Principio de acción y reacción
La tercera Ley del Movimiento de Newton
es el principio de acción y reacción. Este postula
que a cada acción corresponde una reacción igual y contraria. Es
decir, si un cuerpo A ejerce una acción sobre un cuerpo B, el
cuerpo B reacciona y ejerce una fuerza igual y contraria sobre
el cuerpo A.
Los cohetes funcionan en base al mismo principio, ya que se
aceleran al ejercer una gran fuerza sobre los gases que expulsan.
Estos gases ejercen una fuerza igual y opuesta sobre el cohete,
lo que finalmente lo hace avanzar.
Cada material, sin importar cuán duro sea, es elástico. Esto
hace que al ejercer una fuerza sobre él, este también lo haga.
Por ejemplo, si empujamos una mesa estamos ejerciendo una fuerza
sobre ella; si miramos nuestras manos, podremos ver qué están
deformadas por la fuerza y sentimos dolor. Eso quiere decir que
la mesa también ejerció una fuerza sobre nuestras manos.
La teoría de la
gravitación universal
Una
de las contribuciones más específicas de Isaac Newton fue esta
teoría. Pero, ¿sabes cómo llegó a ella? Un día del año 1665, Newton
estaba muy concentrado tratando de entender el movimiento de los
planetas en el jardín de la casa de su madre, cuando vio que desde un
árbol caía una manzana. Al observar esto, la teoría vino a él como una
luz: si el efecto de gravedad actúa en la copa de los árboles o en
lugares de altura, tal vez sucedía los mismo con la Luna.
Luego de
esto, llegó a la conclusión de que la fuerza de gravedad sobre un objeto
no solo depende de la distancia, sino también de su masa. Entonces, la
teoría dice: “cada partícula del Universo atrae a todas las demás con
una fuerza proporcional al producto de su masa, e inversamente
proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas, fuerza que actúa a
lo largo de la línea que une las dos partículas”.
Primera Ley de Newton
Fuerza y Movimiento
Desde la antigüedad la relación entre fuerza y movimiento fue
objeto de estudio. En el siglo IV (a. C), el filósofo griego
Aristóteles , fundamentándose únicamente en la “observación”,
manifestaba que para poner un cuerpo en movimiento, o para
mantenerlo en dicho estado una vez iniciado, era necesario que
sobre el cuerpo actuara de manera constante una fuerza. Si ésta
dejaba de actuar, el cuerpo adquiría su “estado natural”, es
decir, el “reposo”.
El
estado natural de todos los cuerpos es el “reposo” Aristóteles
Si se suponen nulas las fuerzas de
fricción o roce, puede un cuerpo moverse sin que exista
ninguna fuerza aplicada sobre el mismo. Galileo
No
se preocupó Aristóteles de hacer la comprobación experimental de
sus ideas y, debido a su enorme prestigio, las mismas se
mantuvieron hasta el siglo XVI, sin que nadie se animara a
contradecirlas, ya que tales comportamientos se consideraban
como “naturales” y sin ninguna discusión, hasta que surge el
físico italiano Galileo Galilei ,
quien enfrentó el pensamiento aristotélico basado en una serie
de razonamientos lógicos.
Galileo, que introduce el método experimental en el estudio de
los fenómenos físicos realizó una serie de experimentos que lo
llevaron a conclusiones diferentes de las de Aristóteles
Como en el universo todos los objetos están sometidos a
interacciones mutuas es muy importante establecer que relación
existe entre fuerza y movimiento. El estudio del movimiento
tomando en cuenta las fuerzas de interacción entre el objeto que
se mueve y los demás objetos que lo rodean recibe el nombre de
Dinámica .
La Dinámica comprende tres leyes que generalmente reciben el
nombre de Leyes del movimiento de Newton:
Ley de
Inercia
Ley de
la Fuerza o Ley de la Masa
Ley de
Acción y Reacción
Aunque estas leyes son llamadas comúnmente Leyes de Newton, por
haber sido este físico quien primero las enunció en forma
correcta y la aplicó a casos concretos. Debe tenerse presente
que el descubridor de la Ley de Inercia fue el físico italiano
Galileo Galilei, y la Ley de la Fuerza era conocida por el
astrónomo alemán Johannes Kepler.
Primera Ley de
movimiento de Newton (Ley de Inercia)
Newton complementó los trabajos
realizados por Galileo en lo referente a la relación entre
fuerza y movimiento. Galileo trabajó sobre el movimiento que
realizaban los cuerpos en una superficie horizontal, una vez se
les daba cierto impulso. Newton repitió dichos experimentos y
descubre que cuanto más lisas son las superficies, tanto más
lejos se deslizará el cuerpo antes de llegar al reposo (
V = 0), una vez que se hubiese dado
el mismo impulso. O sea, cuanto más lisas son las dos superficie
en contacto tanto menos se desacelera el objeto y tanto más
débil es la fuerza de fricción que actúa sobre él.
La primera ley de Newton o Principio de Inercia de Galileo como
también se le conoce es un enunciado de un experimento
idealizado (Porque no existe roce).
Primera ley de
Newton
En ausencia de la acción de
fuerzas (si existen, su resultante es nula), un cuerpo
en reposo continuará en reposo, y uno en movimiento se
moverá en línea recta y con velocidad constante, es
decir Movimiento rectilíneo uniforme (MRU).
Si un cuerpo está en reposo o
MRU, su aceleración es nula. Esta ley indica que si la fuerza
resultante es nula o en ausencia de fuerzas que se ejercen sobre
el cuerpo, éste no podrá acelerar.
O
también Si un cuerpo se acelera (No está en reposo ni a
velocidad constante en línea recta) entonces las fuerzas que
actúan sobre él son diferentes de cero.
En términos matemáticos quiere
decir, que si sobre un cuerpo actúan varias fuerzas
y
éste permanece en reposo o a velocidad constante, la suma
vectorial de las fuerzas es nula, es decir:
Las situaciones de reposo y velocidad constante físicamente son
equivalentes y en ambas situaciones se dice que la partícula
está en equilibrio, es decir; una partícula está en equilibrio
cuando se encuentra en una de estas dos condiciones;
o está en reposo o en movimiento
rectilíneo uniforme. Esto quiere decir que la fuerza
resultante de varias fuerzas que actúan sobre una partícula es
nula, todo ocurrirá como si no existiera ninguna fuerza actuando
sobre ella.
En virtud de la descomposición de un vector en sus componentes
rectangulares, se puede escribir:
y se conoce con el nombre de
ecuaciones de equilibrio de traslación (Primera condición).
Lo anterior significa que para un cuerpo esté en reposo o en
MRU, las sumas de las fuerzas en las que han descompuesto
individualmente en el eje X y en el eje Y, respectivamente, son
nulas.
Si está en reposo, continúa en ese estado. Si se está moviendo,
continúa haciéndolo sin cambiar de dirección ni de rapidez. La
ley establece que un cuerpo no se acelera por si mismo; la
aceleración debe ser impuesta contra la tendencia de un cuerpo a
conservar su estado de movimiento. La tendencia de un cuerpo a
oponerse a un cambio en su movimiento, es lo que Galileo
denominó Inercia.
La inercia de la materia en “estado de reposo” es evidente, pues
un objeto en estado de reposo respecto a un marco de referencia,
no puede ponerse por si mismo en estado de movimiento.
La inercia de la materia en “estado de movimiento” es más
difícil de comprender, pues si a un objeto en estado de reposo
se le da un impulso inicial de tal manera que adquiera cierta
velocidad, ésta disminuye progresivamente hasta que finalmente
el objeto se detiene. Sin embargo, lo que ocurre es que el
objeto que se mueve interactúa con los demás objetos que lo
rodean, por lo que se encuentra constantemente sometidos a
fuerzas exteriores que se oponen al movimiento, tales como el
roce y la resistencia del aire.
Esto demuestra que todos los cuerpos que están en movimiento
tienden a seguir en movimiento; los cuerpos que están en reposo,
tienden a seguir en reposo. Esta es la
primera Ley de Newton , que se enuncia así: “Todo
cuerpo permanece en reposo o se desplaza con movimiento
rectilíneo uniforme, siempre que no actúe sobre él una fuerza
exterior que cambie su estado”.
Esta condición equivale a admitir que el objeto no interactúa
con ninguno de los objetos que lo rodean, lo cual es una
condición que no se da en realidad, pues todos los objetos están
sometidos a interacciones mutuas. Por consiguiente, sobre un
objeto en reposo o en movimiento están actuando constantemente
fuerzas exteriores. Sin embargo, si en un momento dado todas las
fuerzas que actúan sobre el objeto se equilibran, la fuerza
resultante que actúa sobre el objeto es nula, lo cual equivale a
la condición exigida por la Primera Ley de Newton.
Un
objeto permanece en reposo o se mueve indefinidamente
con velocidad constante, cuando las fuerzas que actúan
sobre el objeto se equilibran, dando una resultante nula.
Aunque Galileo fue quien introdujo el concepto de inercia, fue
Newton quien valoró su importancia. La ley de la inercia define
el movimiento natural e indica que clases de movimiento son el
resultado de las fuerzas aplicadas.
Si piensa en todo lo que hace diariamente, no es difícil
entender que para mover un cuerpo debe aplicar una fuerza, y
para detenerlo, también. La inercia
es la resistencia de un cuerpo en reposo al movimiento, o
de un cuerpo en movimiento a la aceleración, al retardo en su
desplazamiento o a un cambio de dirección del mismo. Para vencer
la inercia debe aplicarse una fuerza.
Todo cuerpo posee inercia. Depende de la cantidad de materia en
la sustancia de un cuerpo; a mayor cantidad de materia, mayor
inercia. Al hablar de cuánta materia tiene un cuerpo, se emplea
el término masa. La masa es una medida de la inercia de un
cuerpo.
La masa guarda una
correspondencia con la noción intuitiva del peso.
¿Cómo determinar cuál de dos cuerpos es el más pesado?
Al hacerlo, se juzga cuál de
los dos es más difícil de mover, para apreciar cuál opone más
resistencia a un cambio en su movimiento. Lo que realmente se
hace con ello es comparar la inercia de los objetos.
Ejemplos donde se pone de manifiesto la Ley de Inercia: Cuando
un caballo se detiene de repente con toda seguridad el jinete
seguirá moviéndose y se caerá si no se agarra con fuerza .
Un
ejemplo de inercia es cuando vas en la moto con tu compañero(a)
y frenas bruscamente; entonces el cuerpo de tu compañero(a)
tiende a irse hacia adelante. Por el contrario, cuando el
vehículo arranca el o ella se va hacia atrás.
Algo muy importante acerca de esta primera ley de Newton es lo
relativo a los sistemas de referencias.
Un
cuerpo en reposo sólo estará en reposo en ciertos sistemas de
referencia. En otros se estará moviendo. En ciertos sistemas se
estará moviendo a velocidad constante, mientras que en otros se
acelerará.
La primera ley de Newton no se cumple en todos los sistemas de
referencia. Para que ésta sea válida el movimiento del objeto
debe ser referido a un sistema muy especial, llamado
sistema inercial .
Una de las propiedades de un sistema inercial es que los cuerpos
que están en reposo, con respecto a este sistema, no sufren
ninguna acción de fuerzas.
y
éste permanece en reposo o a velocidad constante, la suma
vectorial de las fuerzas es nula, es decir:
