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Las Leyes de Newton son un conjunto de tres leyes publicadas por Isaac Newton en 1687 en “Philosophiæ naturalis principia mathematica”, y que permiten la interpretación de los movimientos de nuestro entorno, entre otros fenómenos, constitutivos todos de la mecánica clásica.
En los problemas se usan las tres leyes: la ecuación asociada a la 2º ley; y la 1º y 3º ley de forma indirecta al plantear fuerzas.
- 1º LEY DE NEWTON O LEY DE INERCIA
El estudio del movimiento se remonta a la Antigua Grecia, cuando se pensaba que los movimientos: eran originados por un contacto directo, cesando el movimiento con el cese de dicho contacto; eran originados por una caída libre debido a que la Tierra era el centro del universo; o bien era debido a una propiedad de la materia que caracterizaba los astros y por ello seguían los movimientos circulares observados en el firmamento. Es decir, el estado natural de los cuerpos era el reposo.
En el siglo XVII Galileo Galilei interpretó el fenómeno de otro modo: si tenemos que aplicar una fuerza para mantener el movimiento, es porque existe rozamiento. Si no hubiese rozamiento, el cuerpo se seguiría moviendo permanentemente.
Newton recogió la idea en su primera ley: “Todo cuerpo preserva su estado de reposo o movimiento (MRU respecto a un sistema de referencia inercial) indefinidamente, a no ser que sea obligado a cambiar su estado por fuerzas que actúen sobre él”.
Esta ley encierra algunas cuestiones importantes:
Define fuerza como causa de modificación del estado de movimiento.
Define inercia, como tendencia de un cuerpo a mantener el movimiento
Surge el concepto de fuerza de rozamiento, como aquella que se opone al movimiento.
Surge sistema de referencia inercial y la importancia de fijar el sistema de referencia para el estudio del movimiento. Un sistema de referencia inercial es aquel que está cualitativamente en reposo o en MRU.
Implica que si la trayectoria de un cuerpo no es rectilínea, es porque debe haber alguna fuerza que provoque el cambio de dirección en el movimiento.
- 2º LEY DE NEWTON O LEY FUNDAMENTAL DE LA DINÁMICA
De la ley de inercia se deduce que la fuerza no es la causa del movimiento, sino la causa del cambio del estado de movimiento, es decir, cambios en la velocidad. Los cambios en la velocidad se determinan a través de la magnitud aceleración, informando la segunda ley de Newton de la relación entre fuerza y aceleración.
La segunda ley de Newton o principio fundamental de la dinámica establece que: “las aceleraciones que experimentan los cuerpos son proporcionales a las fuerzas que actúan sobre ellos, siendo la constante de proporcionalidad la masa del cuerpo”.
La primera ley introduce el concepto de inercia, y la segunda nos indica el valor de dicha inercia, pues es la masa quien mide la inercia de un cuerpo. Además, la segunda ley informa que la aceleración tiene la misma dirección y sentido que la fuerza aplicada.
La segunda ley de Newton permite definir el newton, unidad de fuerza del SI, como la fuerza que aplicada a un cuerpo de 1kg de masa le comunica una aceleración de 1m/s2.
De la segunda ley de Newton se puede deducir la primera:
Cuando decimos que la velocidad es constante nos referimos que toma el mismo valor siempre, incluido el cero, que correspondería con el estado de reposo, todo ello dependiendo del sistema de referencia que estemos tomando.
Existe un enunciado más correcto de esta ley usando el concepto de momento lineal, pero su introducción es objeto de estudio en Bachillerato.
Momento de una fuerza
Este concepto se introduce para hacer referencia a rotaciones. El momento de una fuerza, también llamado torque, es una magnitud vectorial de la que en este curso solo nos interesa su módulo. El módulo del momento de una fuerza, M, resulta de multiplicar el módulo de la fuerza, F, por la distancia entre el punto de aplicación de la fuerza y el eje de giro, d (también llamado brazo del momento).
Diferencia entre reposo y equilibrio
Equilibrio y reposo son dos conceptos diferentes:
Podemos decir que un cuerpo está en reposo cuando no hay traslación, debiéndose cumplir que la suma de las fuerzas que actúan sobre el cuerpo son concurrentes y la resultante es cero.
Podemos decir que un cuerpo no rota, debiéndose cumplir que la suma de los momentos de las fuerzas que tratan de provocar su rotación en sentido horario se anulan con los momentos de las fuerzas que tratan de provocar su rotación en sentido antihorario.
Diremos que un cuerpo está en equilibrio cuando: a) no hay traslación; b) y no hay rotación.
Un caso especial es cuando estamos ante un par de fuerzas. Se trata de dos fuerzas paralelas del mismo módulo, pero de sentidos contrarios. La suma de las fuerzas es cero, pero ambas contribuyen con momento del mismo tipo. En el caso de la figura, contribuyen con momento de sentido antihorario.
- 3º LEY DE NEWTON O LEY DE ACCIÓN REACCIÓN
La fuerza es una magnitud que mide interacciones, por tanto, no puede encontrarse una fuerza aislada. La tercera ley de Newton establece las condiciones que cumplen las dos fuerzas de una interacción, recibiendo el nombre de acción y reacción: “Si un cuerpo A ejerce una acción sobre otro cuerpo B, éste realiza sobre A otra acción igual y de sentido contrario”. Matemáticamente:
Esta ley es fácilmente comprensible para fuerzas de contacto (cuando empujas una pared, la pared responde con una fuerza igual hacia ti), pero también es válida para interacciones a distancia.
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