2. Leyes de Newton. PIAM - U.C.R. (Clase del 06/04/2022)

Leyes de Newton 

PIAM  - U.C.R.       Física sin matemática I. (Mecánica).

Clase del miércoles 6 de abril, 2024

José Alberto Villalobos Morales

villalobosjosealberto@gmail.com

Primera ley de Newton

Usted con respecto al resto del universo:

• “Si no permite que nada le afecte, usted nunca cambiará”.

El resto del universo con respecto a usted:

• “Si usted no ejerce ninguna influencia, todo seguirá igual, excepto lo que cambien los demás”.

En el universo, en la Tierra, en nuestro pueblo y en nuestra casa, hay gran cantidad de agentes externos a nuestra persona, que nos afectan y harán que cambie nuestro estado.

En el campo de la física, el estado más simple de un cuerpo que podemos considerar es su estado de movimiento. 
Y entonces estar en reposo, o moverse con velocidad constante, sería lo más básico, simplemente porque es como continuar todo el tiempo igual, en la misma situación.
Los físicos consideramos que solo hay dos estados de movimiento:

• El reposo, si no hay cambio de posición mientras el tiempo transcurre. No ocurre ningún desplazamiento, al menos dentro del marco de referencia en el cual estamos observando el cuerpo (o sistema) de interés. Es lo mismo que decir que su velocidad es cero.
• El movimiento, cuando la posición del cuerpo cambia durante el tiempo.

Estoy recurriendo a sus conceptos intuitivos sobre movimiento, reposo y velocidad, con eso nos basta por ahora, pero más adelante los trataremos de manera más completa.
Los físicos también llamamos fuerza a todo agente que produce un cambio en el estado de movimiento de un cuerpo.

Puede ser un jalón o un empujón que ejerzamos con nuestros músculos, o la fuerza de rozamiento que ejerce la carretera sobre las llantas de un vehículo, para que este se mueva hacia adelante y la muy conocida fuerza de gravedad que nos afecta todos los días al caminar, saltar, lanzar una bola al aire y volar en un avión.
También considere que una fuerza tiene magnitud (su valor) y dirección; es una cantidad vectorial.
Usted puede empujar con poquita o mucha fuerza, hacia la izquierda, o la derecha, hacia arriba o hacia abajo, hacia el Norte, o hacia el Oeste. Cada una de esas direcciones producirá efectos distintos sobre el cuerpo, ya que, con solo tener dirección diferente, la fuerza es diferente (¡es otra fuerza!).

Si una cantidad queda completamente especificada por su magnitud, se dice que es un escalar, como el tiempo, la masa, el volumen, la densidad, la temperatura, la carga eléctrica.
Si la cantidad, además de la magnitud requiere una dirección, se llama vector.

• La Primera ley de Newton establece que:
  Todo cuerpo continúa en su estado de reposo, o de movimiento rectilíneo con velocidad constante, a menos que una fuerza externa, actúe sobre él.

Lo de externa es importante; solo las fuerzas externas son capaces de producir cambios en el estado de movimiento del cuerpo.
Las fuerzas internas no lo hacen, solo modifican el estado interno (microscópico, molecular o atómico).
Las fuerzas externas son generalmente producidas por otros cuerpos, o por la acción de campos de fuerza, donde se encuentra el cuerpo en estudio, por ejemplo, un campo gravitatorio o un campo electromagnético.
Las fuerzas externas más simples de caracterizar y analizar sus consecuencias son las fuerzas de contacto. Por ejemplo, la que ejerce un amigo al empujarnos, la del rozamiento entre el suelo y la suela de los zapatos, la del rozamiento del aire cuando viajamos en una motocicleta, la que ejerce el agua de una piscina y nos ayuda a nadar.

• Y ahora, el recíproco de la Primera Ley de Newton:
  Si observamos que un cuerpo sufre cambios en su estado de movimiento (se mueve con velocidad no constante), podemos afirmar que existe una fuerza externa actuando sobre él.

Esto se utiliza para investigar y descubrir una fuerza de momento desconocida.
Galileo y Newton, cuando analizaron el movimiento de la Luna alrededor de la Tierra y la revolución de los satélites de Júpiter, dedujeron que había una fuerza externa a los satélites, actuando sobre ellos, lo cual permitió a Newton caracterizar su naturaleza, en términos de la Ley de Gravitación Universal.

No se preocupe si le vienen a la mente conceptos relacionados con los anteriores, como posición, desplazamiento, movimiento, reposo, velocidad, rapidez, inercia, masa, aceleración, esfuerzo, ímpetu, cantidad de movimiento, energía, trabajo y potencia.
Solo considere que están relacionados, pero no son lo mismo. En ciencias no puede haber tanto sinónimo porque la situación entonces se puede volver confusa. A cada uno de estos conceptos le dedicaremos su espacio físico ¡con poquita matemática!

*https://www.physicsclassroom.com/class/1DKin/Lesson-1/Scalars-and-Vectors

Tercera Ley de Newton

•  ¡No te puedo tocar sin que me toques!

Ahora tratemos de caracterizar un poco más las fuerzas, con base a las fuerzas de contacto.
Una de ellas es la que ejerce sobre un cuerpo, la superficie sobre la cual descansa. Si es perpendicular a dicha superficie, los físicos e ingenieros la llamamos fuerza normal.

Otra es la ejercida por la presión de un líquido, o un gas, en reposo, contra las paredes del recipiente que lo contienen y también es una fuerza normal perpendicular a las paredes. ({ojo, no es la presión que no es una fuerza!)

En la caricia al cachete, el beso, el golpe del guante de un boxeador, en el choque del Titanic contra el iceberg y en el 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.
Sabemos que esta fuerza depende de las irregularidades de ambas superficies y de cuanto esté apretada una contra la otra.
Aun cuando pongamos bolitas microscópicas entre las superficies (lubricante), o macroscópicas (rodines), solo disminuiremos el rozamiento, nunca lo eliminamos.
Veamos entonces si usted está de acuerdo con lo siguiente:

• Todas las fuerzas son interacciones. No 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 esta pareja de fuerzas de interacción; 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. 

Además:

• Tienen la misma magnitud. Es lógico, no hay preferencias, favoritismo o discriminación, no importa lo similares o diferente que sean los cuerpos que interaccionan.
• La cantidad de fuerza que usted ejerce sobre un cuerpo es igual a la cantidad de fuerza que el cuerpo ejerce sobre usted.
• Tienen dirección opuesta. Si una está dirigida hacia la izquierda, la otra va hacia la derecha. Si le parece 180° de diferencia en dirección de dirección, una respecto de la otra.

Las fuerzas de interacción nunca se anulan, porque actúan sobre cuerpos diferentes.
Esto parece muy evidente, pero vamos a aclararlo. Primero debe identificar muy bien la pareja de fuerza de interacción, pues solo a ellas se aplica la Tercera Ley de Newton.
Por ejemplo, si usted empuja con sus manos una caja que está en el piso, con una fuerza de 10 unidades hacia el Norte, la caja ejerce sobre sus manos una fuerza de 10 unidades dirigida hacia el Sur. Tienen igual magnitud, dirección opuesta y ocurren simultáneamente. Pero no se anulan porque actúan sobre cuerpos diferentes: una es la de sus manos sobre la caja y la otra, la de la caja sobre sus manos.
Para el movimiento de la caja solo debe tomar en cuenta la fuerza que usted ejerce hacia adelante y la del rozamiento entre el piso y la caja, hacia atrás. Mientras que, para su propio movimiento, tomará en cuenta la fuerza que ejerce la caja hacia atrás sobre sus manos y la que ejerce hacia adelante el piso sobre sus zapatos.
Hay desde luego una fuerza hacia atrás de sus zapatos sobre el piso (el otro miembro de la pareja zapatos-piso), pero esa no se aplica a la caja.

• En resumen, la Tercera Ley de Newton establece que:
  Las fuerzas de interacción entre dos cuerpos tienen igual magnitud y dirección opuesta.

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 70 km/h, la fuerza del parabrisas sobre el mosquito es de igual magnitud que la fuerza del mosquito sobre el parabrisas. Pero las consecuencias son desastrosas para el mosquito y casi nada para el parabrisas.

Los físicos tienen mucha confianza en la infalibilidad de la Tercera Ley de Newton.

No se ha encontrado ninguna situación donde deje de cumplirse la tercera ley, 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 que no conocemos del todo.

Segunda Ley de Newton. F = m a

Ya hemos comentado algunas de las propiedades de las fuerzas (Tercera Ley) y lo que sucede si no actúan fuerzas (Primera Ley).

¿Qué sucede cuando actúa  una sola fuerza sobre un cuerpo, o cuando la suma de todas las fuerzas que actúan no se anula, es diferente de cero?

A la luz de la Primera ley, consideramos que el cuerpo sufrirá una aceleración, y lo más simple de suponer es que la dirección de esa aceleración sea la misma que la dirección de la fuerza aplicada, de la fuerza neta, o resultante.

¿Y en cuanto a la magnitud de la aceleración, los metros/segundo cada segundo?
Parece muy lógico pensar que fuerzas de magnitud creciente producen aceleraciones crecientes.
Hay una relación directa entre la fuerza aplicada y la aceleración.
Obviamente, el efecto de una fuerza específica va a depender de alguna propiedad importante del cuerpo. Esa propiedad es su inercia. Cuantitativamente  va a depender de la masa del cuerpo (los kilogramos).
Nuestra experiencia empujando o halando cuerpos en la casa, nos enseña  que a mayor masa cuesta más acelerar (¡sacar del reposo y mover!) el cuerpo -con una fuerza dada.
Hay entonces una relación inversa entre la masa y la aceleración, para una fuerza específica.

Se puede hacer un experimento sencillo, con carritos, cintas métricas, cronómetros, poleas y cuerpos de diferente masa, para probar que:

1. La aceleración es directamente proporcional a la fuerza aplicada y en la misma dirección.
2. La aceleración que produce una fuerza determinada es inversamente proporcional a la masa del cuerpo

La manera más simple de usar la segunda ley de Newton es hacer la constante  de proporcionalidad igual a 1.  Esto demás permite definir operacionalmente a la “unidad de fuerza” y escribir la segunda ley como  un producto:

•     F = m a
• La fuerza neta aplicada a un cuerpo es igual al producto de su masa y aceleración.

Entonces: Una unidad de fuerza aplicada a una unidad de masa (1 kilogramo), le produce una unidad de aceleración (1 metro por segundo cada segundo).

Esa unidad de fuerza se denomina el newton, cuyo símbolo es N, establecida en honor al filósofo, físico y astrónomo inglés Isaac Newton* (1642 - 1727).
Si aplicamos una fuerza de 5 N a un cuerpo de 1 kg, resulta que este acelera a 5 m/s². Por el contrario, si aplicamos una fuerza de 1 N a un cuerpo de 5 kg, la aceleración resultante será 1/5 m/s².

Un newton (1 N) es una cantidad de fuerza pequeña.
Si usted sostiene con la palma de su mano una caja cuya masa es 1 kg, la fuerza que hace hacia arriba es aproximadamente 9,8 N, justo para compensar la otra fuerza, el efecto del peso de la caja sobre su mano (Tercera Ley), que está dirigida hacia abajo, por eso la caja permanece en reposo.
Si quiere acelerar la caja hacia arriba, su mano debe ejercer una fuerza mayor que 9,8 N, para producir una fuerza neta, ascendente, diferente de cero.
Y si quiere acelerarla hacia abajo, simplemente déjela caer retirando el apoyo de su mano, para que sea la fuerza neta del peso de la caja (9,8 N) la que produce la aceleración descendente (9,8 m/s2).
Pero si quiere una aceleración aún mayor que 9,8 m/s2, debe ayudarle al peso, ejerciendo una fuerza adicional, también hacia abajo.

* https://en.wikipedia.org/wiki/Isaac_Newton

Olivian Newtn-John-Physical (Official Music Video): https://www.youtube.com/watch?v=vWz9VN40nCA