Dinámica – Las Leyes de Newton
En el estudio del movimiento, la cinemática, se propone describirlo sin preocuparnos con sus causas. Cuando nos preocupamos con las causas del movimiento, estamos entrando en un área de la mecánica conocida como dinámica.
En dinámica existen tres leyes en las que todo el estudio del movimiento puede ser resumido. Estas son las conocidas “Leyes de Newton”
* Primera Ley de Newton – Ley de Inercia
* Segunda Ley de Newton – Principio fundamental de la dinámica
* Tercera Ley de Newton – Ley de acción y reacción
La primera ley de Newton describe lo que sucede con los cuerpos que están en equilibrio. La segunda ley explica lo que sucede cuando no existe equilibrio y la tercera ley muestra como es el comportamiento de las fuerzas cuando tenemos dos cuerpos interactuando entre si.
Para comprender mejor estas leyes, es preciso conocer algunos conceptos físicos muy importantes como la fuerza de equilibrio.
Si por ejemplo nos detenemos a observarnos nosotros mismos, seguramente en este momento estamos sentados en una silla, leyendo este texto. Justamente ahora, sobre nosotros están actuando fuerzas, pero aún con estas fuerzas trabajando, nosotros aun continuamos en nuestro lugar. Esto sucede porque ellas están cancelándose mutuamente. Podemos decir entonces que cada uno de nosotros está en equilibrio.
El reposo no es la única situación de equilibrio posible. Imagina ponerte de pie en un bus en movimiento, si el acelere, frena o realiza una curva, podremos terminar desequilibrándonos y cayendo. Pero, existe un caso en que, a pesar de estar el bus en movimiento no existirá peligro de caernos.
Esto sucederá en caso que el ómnibus ejecute un movimiento rectilíneo y uniforme (en otras palabras, cuando se mueve en línea recta con velocidad constante). En esta situación, podemos decir que el ómnibus está en equilibrio.
Los dos casos ejemplificados anteriormente ilustran situaciones de cuerpos en equilibrio. El primero muestra el equilibrio de los cuerpos en reposo, que es conocido como equilibrio estático.
El segundo muestra el equilibrio de los cuerpos en movimiento, que es conocido como equilibrio dinámico. En los dos casos tenemos algo en común que define la situación de equilibrio y ese algo en común es el hecho de que todas las fuerzas que están actuando se están anulando
Por tanto:
El equilibrio ocurre en toda situación en que las fuerzas actuantes en determinado cuerpo se cancelan.
La Primera Ley de Newton – La ley de la Inercia
En la naturaleza, todos los cuerpos presentan cierta resistencia a las alteraciones en su estado de equilibrio, sea el estático o dinámico. Imagina que tengas que patear dos bolas diferentes, una de futbol y una de boliche.
Es claro que la bola de futbol será pateada con más facilidad que la de boliche, que presenta una mayor resistencia para salir de su lugar, por lo tanto una mayor tendencia a mantenerse en equilibrio, o un mayor grado de inercia.
Se define inercia como una resistencia natural de los cuerpos a alteraciones en su estado de equilibrio.
La primera ley de Newton trata de los cuerpos en equilibrio y puede ser enunciada de la siguiente forma:
Cuando las fuerzas actuantes en un cuerpo se anulan, el permanecerá en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme.
Un objeto que reposa sobre una mesa, por ejemplo, está en equilibrio estático y tiende a permanecer en esta condición indefinidamente.
En el caso de los cuerpos en movimiento, podemos imaginar un coche en movimiento que frena bruscamente. Los pasajeros serán lanzados hacia el frente porque tienden a continuar en movimiento.
Fuerza Resultante
En nuestro cotidiano, es imposible encontrar un cuerpo sobre el cual no existan fuerzas actuando, porque el solo hecho de encontrarnos sobre la Tierra, nos hace someternos a la fuerza de gravedad.
Muchas veces estas fuerzas se anulan, lo que resulta en equilibrio. En otros casos, la resultante de las fuerzas que actúan sobre un cuerpo es diferente de cero. Cuando esto ocurre, el resultado de estas fuerzas es definido como fuerza resultante.
La determinación de una fuerza resultante no es algo simple, ya que se trata de una magnitud vectorial. Esto quiere decir que una fuerza es definida por una intensidad, una dirección y un sentido.
Como la fuerza se trata de una magnitud vectorial, no podemos determinar la fuera resultante utilizando el álgebra al que estamos acostumbrados. Entonces, es necesario conocer un proceso matemático, llamado suma vectorial.
A continuación les ilustramos los casos más conocidos para la determinación de la fuerza resultante de dos fuerzas aplicadas en un cuerpo.
Caso 1 – Fuerzas con la misma dirección y sentido
Caso 2 – Fuerzas perpendiculares
Caso 3 – Fuerzas con la misma dirección y sentidos opuestos
Caso 4 – Caso General – Ley de los Cosenos
La Segunda Ley de Newton
Cuando diversas fuerzas actúan en un cuerpo y ellas no se anulan, es porque existe una fuerza resultante. Y como se comporta un cuerpo que está bajo una fuerza resultante?
La respuesta fue dada por Newton en su segunda Ley del Movimiento. En esas situaciones Newton explicó, que el cuerpo sufrirá una aceleración. Fuerza resultante y aceleración son dos magnitudes físicas íntimamente ligadas.
La segunda ley de Newton también nos muestra como fuerza y aceleración se relacionan: esas dos magnitudes son directamente proporcionales. Esto quiere decir que, si aumentamos la fuerza, la aceleración va a aumentar en la misma proporción.
La relación de proporción entre fuerza y aceleración la mostramos a continuación:
Para que podamos cambiar la proporción por una igualdad, precisamos insertar en la ecuación de arriba, una constante de proporcionalidad. Esta constante es la masa del cuerpo en que es aplicada la fuerza resultante.
Por ello, la segunda ley de Newton es representada matemáticamente por la fórmula:
La segunda ley de Newton también nos enseña que, fuerza resultante y aceleración serán vectores siempre con la misma dirección y sentido.
Unidades de fuerza y masa en el Sistema Internacional.
Fuerza: Newton (N)
Masa: Kilogramo (Kg)
La tercera Ley de Newton
La tercera ley de Newton nos muestra como es el intercambio de fuerzas, cuando dos cuerpos interactúan entre si, sea esa interacción por contacto o por campo. Según la tercera ley, si un cuerpo aplica una fuerza sobre otro, inmediatamente el recibirá de ese otro cuerpo una fuerza de igual intensidad, igual dirección y sentido opuesto a la fuerza aplicada, como mostramos en la figura a continuación:
