sábado, 15 de marzo de 2014

Tercera ley de Newton, “¡No te puedo tocar sin que me toques!”

Ya conversamos  sobre la Primera ley de Newton (¡y algunas generalizaciones!), esto es,  lo que sucede si ninguna fuerza externa actúa sobre un cuerpo.
En un curso tradicional de Física, por lo general se sigue con la Segunda Ley; -la consecuencia de que haya una fuerza (no nula) actuando sobre el cuerpo-.
Por ahora, mejor voy a pasar a la tercera ley, porque ésta expresa características muy básicas de las fuerzas, que debemos tener en cuenta previamente, antes de analizar los efectos que ellas producen.
También porque mi amigo E. Espinoza me comentó sobre una relativamente nueva teoría en la que F= m a podría no aplicarse en el caso gravitatorio, cuando las aceleraciones son demasiado pequeñas, por ejemplo las que sufren algunas estrellas en su movimiento de


revolución alrededor de su centro galáctico (MOND). Esta alternativa parece que está dando resultados aceptables para explicar por qué, la rapidez  de esas estrellas es casi constante (no disminuye a medida que la distancia al centro aumenta), -sin tener que recurrir a la materia-oscura-, para justificar un supuesto faltante de masa. Estoy estudiando esto, si lo llego a comprender bien, aunque sea un poquito, trataré de explicárselo. Pero, desde luego, no considere que la hipótesis sobre "materia oscura" está descartada, o en entredicho.
Recapitulando entonces la Primera Ley:
 

“Si ningún agente externo (fuerza) lo afecta, permanecerá siempre en el mismo estado de movimiento.”

“Si su estado de movimiento cambia, puede estar seguro que una fuerza externa está actuando sobre usted”.

Para caracterizar un poco más la fuerza, describiremos un poquito las “fuerzas de contacto”.
Una fuerza de contacto es, por ejemplo, la que ejerce sobre un cuerpo, la superficie sobre la cual descansa. Si es perpendicular a dicha superficie, los físicos la llamamos fuerza normal, (N)”.
Otra fuerza de contacto es la ejercida por la presión que ejerce un líquido, o un gas, contra las paredes del recipiente que lo contienen y también es una fuerza normal (¡perpendicular!)
En la caricia al cachete, el beso,  el pellizco, el golpe del guante de un boxeador sobre la quijada de su oponente, en el choque del “Titanic” contra el iceberg y de la locomotora contra el carrito que se brincó el alto, también hay fuerzas normales, pero además hay fuerzas paralelas a las superficies.

La fuerza paralela a la superficie más conocida, es la -fuerza de rozamiento por deslizamiento (fr)-. Sabemos que depende de las irregularidades de ambas superficies y de cuanto esté apretada una contra la otra y que aun cuando pongamos bolitas microscópicas entre las superficies (lubricante), o macroscópicas (rodines), no podemos eliminarlas totalmente.
La situación se vuelve más más compleja, cuando interviene el roce del viento contra el fuselaje de un avión, o contra el cuerpo de un paracaidista. También el roce entre el agua y el casco de cualquier vehículo acuático, inclusive con un nadador, porque dependen de la velocidad.
Cuando nos empujan, o empujamos algo, las fuerzas son de contacto.
Veamos entonces lo que establece la Tercera Ley de Newton:

  • Todas las fuerzas son “interacciones”.
    N
    o existe una única fuerza aislada sin su pareja.
     
  • No existe maña, habilidad, efecto especial, o como quiera usted llamarlo, que le permita de alguna manera tocar algo, sin que ese algo lo toque a usted. 
  • Algunos físicos llaman a la pareja de fuerzas en las interacciones, “acción” y “reacción”. Pero tenga cuidado, eso no significa que una de las fuerzas ocurre primero y la otra fuerza después. No es así, los dos miembros de la pareja de fuerzas, aparecen, crecen, decrecen y desaparecen, simultáneamente. 
  • Tienen la misma magnitud.
    Es lógico, no hay preferencias, favoritismo o discriminación, no importa lo semejante o diferente que sean los cuerpos.
    “Las fuerzas de acción y reacción tienen en todo momento la misma magnitud (Fa,b= Fb,a)”. 
  • Tienen dirección opuesta, 180° una respecto a la otra.
    Por ejemplo, si Fa,b está dirigida hacia el norte, Fb,a está dirigida hacia el Sur. 
  • Nunca se anulan, porque actúan sobre cuerpos diferentes.
    Esto parece muy evidente, pero vamos a aclararlo: si  denotamos con Fa,b es la fuerza ejercida sobre el cuerpo “a”, debido al cuerpo “b”, entonces Fb,a , será la fuerza ejercida sobre el cuerpo “b”, debida al cuerpo “a”.

En resumen: 
F a,b = - F b,a

Antes de terminar, le comento un pequeño adelanto sobre la segunda ley, simplemente para aclarar una posible duda sobre la tercera ley:

Para encontrar el efecto producido sobre un cuerpo (una aceleración) debido a la acción de una o varias fuerzas, -solo- debe tomarse en cuenta las fuerzas externas que actúan sobre dicho cuerpo.
No se toman en cuenta las fuerzas que éste cuerpo ejerce sobre los demás. Debe aprender a distinguir claramente las fuerzas externas.

La igualdad de magnitud de las interacciones, no implica igualdad de consecuencias sobre los cuerpos que interaccionan,  eso dependerá de la masa de los cuerpos y de su consistencia.
Así cuando un mosquito choca contra el parabrisas de un auto que viaja a 90 km/h, la fuerzacarro,mosquito es de igual magnitud que la fuerzamosquito,carro (¡tercera ley!), pero las consecuencias son desastrosas para el mosquito (¡ por causa de la segunda ley!) y no mucho para el parabrisas.

En una colisión entre vehículos, puede haber negligencia, impericia, imprudencia y hasta mala voluntad, de algún lado, pero esos detalles legales no los resuelve la tercera ley.
Sin embargo, con base a un análisis de la mecánica total del evento, que tome en cuenta, condiciones de los vehículos y el pavimento, límites de velocidad establecidos y/o comprobados, marcas en la carretera, posiciones finales e iniciales, estado de los conductores, etc., las leyes de la mecánica pueden asesorar a los jueces para encontrar un responsable legal.

Los físicos tienen mucha confianza en la infalibilidad de la Tercera Ley de Newton, no se ha encontrado a la fecha ninguna situación donde deje de cumplirse, aún en el caso en que no distinguimos claramente  (de momento) la pareja de cuerpos que interactúa, por ejemplo cuando un cuerpo es afectado por un campo gravitatorio, o un campo electromagnético.
¿Qué le parece algunos ejercicios?


  1. La Tierra  atrae a la Luna con una fuerza gravitatoria (FLuna, Tierra) que la mantiene en órbita. Describa unas tres características del otro miembro de la pareja (FTierra, Luna). 
  2. Imagine un conjunto de blocs de cemento apilados en 4 filas hacia arriba sobre la plataforma de un camión que viaja a 30 km/h. Describa todas la pareja de fuerzas acción reacción entre la plataforma y el bloc que está en la fila inferior y entre éste y cada uno que están encima, en las filas superiores. 
  3. Describa todas las parejas de fuerza, entre un imán y un clavo de hierro que están sobre una mesa.

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