Ciencias
¿Cuáles son las tres leyes del movimiento de Newton?
Un cuerpo conserva su velocidad mientras no actúe una fuerza resultante; esa fuerza es masa por aceleración; y las fuerzas van en pares iguales y opuestos.
La respuesta corta
Las tres leyes de Newton describen cómo las fuerzas cambian el movimiento. Primera: un cuerpo conserva su velocidad mientras no actúe sobre él una fuerza resultante. Segunda: esa fuerza resultante es igual a la masa por la aceleración, F = ma. Tercera: las fuerzas van en pares iguales y opuestos que actúan sobre dos cuerpos distintos.
El método, paso a paso
Dibuje el cuerpo solo y marque todas las fuerzas que actúan sobre él
El diagrama de cuerpo libre es donde estas preguntas se ganan o se pierden. Aislar un cuerpo impide que se cuelen fuerzas que actúan sobre otras cosas, y hace manejable la tercera ley más adelante: una fuerza cuya pareja actúa en otro sitio no puede aparecer en este diagrama.
Combine las fuerzas en una única resultante
Las fuerzas son vectores, así que la dirección forma parte de la magnitud y las fuerzas opuestas se restan en lugar de sumarse. Cada una de las tres leyes es una afirmación sobre la resultante y no sobre las fuerzas por separado, y por eso no se puede decidir nada hasta que las flechas se han combinado en una sola.
Aplique la primera ley como una prueba sobre esa resultante
Si la resultante es cero, la velocidad no cambia: el cuerpo sigue en reposo o sigue moviéndose a velocidad constante en línea recta. Esta es la ley que más a menudo invierten los alumnos, al suponer que un movimiento constante necesita una fuerza constante. Sobre un coche que va a velocidad constante por una autopista la fuerza resultante es cero.
Aplique la segunda ley cuando la resultante no es cero
Una resultante distinta de cero produce una aceleración en la dirección de esa resultante, con el tamaño que da F = ma. La masa aparece como la resistencia a ese cambio, y por eso el mismo empujón produce una aceleración menor sobre un cuerpo más pesado. Reordenar a a = F/m hace la relación más fácil de leer.
Use la tercera ley para nombrar la fuerza pareja
Toda fuerza tiene una pareja igual y opuesta que actúa sobre el otro cuerpo. Mantener la pareja en ese otro cuerpo es todo el asunto: es la razón de que el par nunca se cancele, y de que un libro apoyado en una mesa se explique con la primera ley y no con la tercera.
La primera ley: sin fuerza resultante, sin cambio de velocidad
Un cuerpo en reposo sigue en reposo, y un cuerpo en movimiento sigue moviéndose a la misma velocidad y en la misma línea recta, mientras no actúe sobre él una fuerza externa resultante. La propiedad que hace que esto sea cierto es la inercia, y la masa es su medida.
La ley es contraria a la intuición porque el movimiento cotidiano siempre lleva rozamiento y resistencia del aire, así que las cosas sí se frenan cuando uno deja de empujar. Lo que dice la ley es que la frenada la causan esas fuerzas y no la ausencia del empujón. Un disco que se deslizara sobre hielo sin rozamiento seguiría avanzando, y eso es lo que la convierte en la descripción más útil.
La segunda ley: F = ma
La aceleración de un cuerpo es directamente proporcional a la fuerza resultante que actúa sobre él, en la misma dirección que esa fuerza, e inversamente proporcional a su masa. En símbolos, F = ma, donde la fuerza va en newtons, la masa en kilogramos y la aceleración en metros por segundo al cuadrado.
Las unidades se deducen de la ecuación en lugar de ser datos aparte: un newton es la fuerza que acelera un kilogramo a un metro por segundo al cuadrado, así que 1 N = 1 kg m/s². Una fuerza resultante de 3600 N sobre un coche de 1200 kg da una aceleración de 3600 ÷ 1200 = 3 m/s².
El peso es el ejemplo cotidiano. Una masa de 1 kg en el campo gravitatorio de la Tierra, de unos 9.8 N/kg, tiene un peso de unos 9.8 N. La masa es una cantidad de materia y no cambia con el lugar; el peso es una fuerza y sí cambia.
La tercera ley: los pares actúan sobre cuerpos distintos
A toda acción le corresponde una reacción igual y opuesta. La formulación es conocida y su significado se malinterpreta de forma habitual, porque las dos fuerzas de un par de la tercera ley nunca actúan sobre el mismo cuerpo. Son iguales en magnitud, opuestas en dirección, del mismo tipo y aplicadas a dos cuerpos distintos.
Un libro apoyado en una mesa es la prueba estándar. El peso del libro tira del libro hacia abajo; la fuerza normal de contacto de la mesa empuja el libro hacia arriba. Estas dos se equilibran, y por eso el libro no se mueve, pero no son un par de la tercera ley, porque las dos actúan sobre el libro. La pareja del peso del libro es la atracción gravitatoria del libro sobre la Tierra, y la pareja del empuje de la mesa es el empuje del libro hacia abajo sobre la mesa.
La distinción importa en la práctica tanto como en un examen. Si los pares de la tercera ley se cancelaran, nada podría acelerar nunca: un nadador empuja el agua hacia atrás y el agua empuja al nadador hacia delante, y el nadador avanza precisamente porque esas dos fuerzas actúan sobre cosas distintas.
- Iguales en magnitud
- Opuestas en dirección
- Del mismo tipo de fuerza: las dos gravitatorias, las dos de contacto, las dos de rozamiento
- Actuando sobre dos cuerpos distintos, que es la razón de que nunca se cancelen
Cómo enseñamos esto
Empezamos con los diagramas de cuerpo libre y seguimos con ellos más tiempo del que dedican la mayoría de las programaciones. Casi todos los errores de este tema —fuerzas de otros cuerpos que aparecen en el diagrama equivocado, pares de la tercera ley que se creen cancelados— son un problema de diagrama antes que un problema de física.
La pregunta del libro sobre la mesa se usa como diagnóstico en nuestras clases de Grado 9 y 10. Un alumno capaz de explicar por qué las dos fuerzas equilibradas sobre el libro no son un par de la tercera ley ha entendido bien la tercera ley, y el que no puede suele haber memorizado la frase sin ella.
Preguntas frecuentes
¿Cuáles son las tres leyes del movimiento de Newton en términos sencillos?
Primera: un cuerpo sigue haciendo lo que está haciendo mientras no actúe sobre él una fuerza resultante. Segunda: una fuerza resultante lo hace acelerar, con F = ma. Tercera: las fuerzas van siempre en pares iguales y opuestos, actuando sobre dos cuerpos distintos.
¿Por qué no se cancelan entre sí las fuerzas de acción y reacción?
Porque actúan sobre cuerpos distintos. Cancelarse exige dos fuerzas sobre el mismo cuerpo. Un nadador empuja el agua hacia atrás y el agua empuja al nadador hacia delante: cuerpos distintos, así que el nadador acelera. Si los pares de la tercera ley se cancelaran, nada podría moverse.
¿Un cuerpo en movimiento necesita una fuerza para seguir moviéndose?
No. La primera ley dice que la velocidad solo cambia cuando actúa una fuerza resultante. Un coche necesita su motor porque el rozamiento y la resistencia del aire se le oponen; la fuerza motriz está equilibrando a esas, no manteniendo el movimiento. Sin fuerzas opuestas no haría falta ninguna fuerza.
¿Qué diferencia hay entre masa y peso?
La masa es la cantidad de materia de un cuerpo, se mide en kilogramos y es la misma en todas partes. El peso es la fuerza de la gravedad sobre esa masa, se mide en newtons y cambia con la intensidad del campo gravitatorio. Una masa de 1 kg pesa unos 9.8 N en la Tierra y bastante menos en la Luna.
¿Qué significa fuerza resultante?
La única fuerza que produce el mismo efecto que todas las fuerzas que actúan sobre un cuerpo combinadas. Como las fuerzas son vectores, las fuerzas opuestas se restan. Las tres leyes son afirmaciones sobre la resultante, así que hay que hallarla antes de poder aplicar ninguna.
Fuentes
- 4.3 Newton's Second Law of Motion: Concept of a System — College Physics 2e — OpenStax, Rice University
- 4.1 Development of Force Concept — College Physics 2e — OpenStax, Rice University
Última actualización
¿Sigue atascado?
Un profesor puede verle resolverlo en directo y detectar exactamente dónde falla. La primera clase es gratuita.