Leyes de Newton para niños
Las leyes de Newton, también conocidas como leyes del movimiento de Newton, son tres principios muy importantes en la mecánica clásica. Nos ayudan a entender cómo se mueven los objetos y qué los hace cambiar de movimiento. Estas leyes, creadas por Isaac Newton, cambiaron la forma en que entendemos el movimiento de los cuerpos en el universo.
Estas leyes son la base de la física clásica. Aunque parecen definiciones, Newton dijo que se basaban en lo que observaba y en experimentos. Su importancia es enorme porque, al combinarlas con la ley de la gravitación universal, podemos entender por qué los planetas se mueven como lo hacen, según las leyes de Kepler.
Gracias a las leyes de Newton, podemos explicar desde el movimiento de los astros (como los planetas y las estrellas) hasta cómo se mueven los proyectiles o cómo funcionan las máquinas. Isaac Newton las publicó en 1687 en su libro Philosophiæ naturalis principia mathematica.
Es importante saber que las leyes de Newton funcionan muy bien para objetos que se mueven a velocidades normales, mucho más lentas que la velocidad de la luz. Si un objeto se mueve muy, muy rápido, cerca de los 300.000 kilómetros por segundo, necesitamos otra teoría, la teoría de la relatividad especial de Albert Einstein, para entender su movimiento.
Contenido
¿Qué ideas básicas usó Newton?
Para entender el movimiento, Newton usó varios conceptos clave. Primero, habló de la masa, que es la cantidad de materia que tiene un objeto. Luego, explicó que la cantidad de movimiento de un objeto es el resultado de multiplicar su masa por su velocidad.
También, Newton destacó la importancia de diferenciar entre lo absoluto y lo relativo cuando hablamos de tiempo, espacio o movimiento. Para él, el movimiento de un cuerpo es su cambio de lugar. Para saber el movimiento "verdadero" de un objeto, hay que considerar todos los movimientos de los lugares por los que pasa, hasta llegar a un punto que no se mueve.
Newton creía que las fuerzas son la causa de los cambios en el movimiento. Para él, una fuerza es algo absoluto, no relativo.
Las tres leyes de Newton son las más importantes de la mecánica clásica. Son la ley de la inercia, la relación entre fuerza y aceleración, y la ley de acción y reacción. Newton las formuló con matemáticas, diciendo que todos los movimientos siguen estas tres reglas.
Primera ley de Newton: La ley de inercia
La primera ley de Newton nos dice que un objeto no cambia su estado de movimiento por sí solo. Si está quieto, seguirá quieto. Si se está moviendo en línea recta a una velocidad constante, seguirá moviéndose así. Esto solo cambia si una fuerza externa lo obliga a hacerlo.
Newton explicó que los objetos en movimiento suelen frenarse por fuerzas como el roce o la fricción. Antes, se pensaba que un objeto se detenía solo porque dejaba de aplicársele una fuerza. Newton aclaró que la fricción también es una fuerza.
Así, si un objeto se mueve en línea recta a velocidad constante, significa que no hay ninguna fuerza neta actuando sobre él. Un objeto en movimiento no se detiene solo; necesita una fuerza para frenarlo. Si un objeto que está quieto empieza a moverse, es porque una fuerza neta ha actuado sobre él.
Newton se basó en la idea de Galileo sobre la inercia. La inercia es la tendencia de un objeto a seguir moviéndose en línea recta a menos que algo lo desvíe. Newton pensó que si la Luna no salía disparada en línea recta, era porque una fuerza la empujaba hacia la Tierra, haciendo que su camino fuera circular. A esa fuerza la llamó gravedad.
Newton demostró que la misma fuerza que hace que una manzana caiga al suelo es la que mantiene a la Luna en su órbita.
La primera ley de Newton también nos ayuda a definir los sistemas de referencia inerciales. Estos son lugares o puntos de vista desde donde se observa que un objeto sin fuerzas netas sobre él se mueve a velocidad constante. Todos los sistemas inerciales son iguales, ninguno es más importante que otro.
La idea principal de esta ley se puede escribir así: si la suma de todas las fuerzas sobre un objeto es cero, entonces su velocidad no cambia.
¿Qué son los sistemas de referencia inerciales?
La primera ley de Newton nos ayuda a entender los sistemas de referencia inerciales. Son aquellos desde los que vemos que un objeto, si no hay fuerzas actuando sobre él, se mueve a una velocidad constante.
Un sistema que está acelerando (como una plataforma que gira) no es inercial. Desde allí, veríamos que un objeto se acelera sin que ninguna fuerza lo empuje. A estos los llamamos sistemas de referencia no inerciales.
Por ejemplo, imagina una plataforma girando. Si un objeto está atado al centro con una cuerda, un observador fuera de la plataforma (inercial) verá que el objeto se mueve en círculo y se acelera hacia el centro por la cuerda. Pero un observador que gira con la plataforma (no inercial) verá el objeto quieto. Para él, debe haber una fuerza "ficticia" que equilibre la tensión de la cuerda.
En la vida real, es difícil encontrar un sistema de referencia perfectamente inercial, porque siempre hay alguna fuerza. Sin embargo, para muchos problemas, podemos considerar la Tierra como un buen sistema inercial, ya que sus aceleraciones son muy pequeñas.
Ejemplos de la primera ley de Newton
Un buen ejemplo de la ley de inercia es una bola atada a una cuerda que gira en círculo. La cuerda (que ejerce una fuerza) mantiene la bola en su trayectoria circular. Pero si la cuerda se rompe, la bola saldrá disparada en línea recta, siguiendo la dirección que tenía en ese momento.
Después de que la cuerda se rompe, no hay fuerzas netas sobre la bola, por lo que seguirá moviéndose en línea recta a velocidad constante.
Segunda ley de Newton: La ley fundamental de la dinámica
La segunda ley de Newton explica cómo una fuerza cambia el movimiento de un objeto. Newton dijo que: "El cambio de movimiento es directamente proporcional a la fuerza que se le aplica y ocurre en la misma dirección de esa fuerza".
Newton entendía que una fuerza aplicada causa un cambio en el movimiento de un objeto. Hoy en día, ese "cambio en el movimiento" lo llamamos cambio en la "cantidad de movimiento" (o momento). La cantidad de movimiento de un objeto se calcula multiplicando su masa por su velocidad.
Así, la segunda ley de Newton se puede escribir con una fórmula: Fuerza = cambio de la cantidad de movimiento / tiempo
Esto significa que la fuerza que causa un movimiento es directamente proporcional a cómo cambia la cantidad de movimiento del objeto en cada segundo. La unidad de medida de la fuerza en el Sistema Internacional es el Newton (N). Un Newton es igual a un kilogramo por metro dividido por segundo al cuadrado (1 N = 1 kg·m/s²).
Cuando varias fuerzas actúan sobre un objeto, la segunda ley de Newton se refiere a la fuerza total (o fuerza neta) que actúa sobre él. El cambio en la cantidad de movimiento de un objeto depende de la suma de todas las fuerzas que actúan sobre él. Esto se llama el principio de superposición de fuerzas.
La segunda ley de Newton funciona en los sistemas de referencia inerciales. Si el sistema no es inercial, se pueden usar "fuerzas ficticias" para que la ecuación siga siendo válida.
Casos especiales de la segunda ley
Podemos ver dos casos importantes de la segunda ley: cuando la masa del objeto no cambia y cuando sí cambia.
Cuando la masa es constante
Si la masa de un objeto no cambia, la segunda ley de Newton se simplifica a: Fuerza = masa × aceleración
Esto significa que la aceleración que un objeto adquiere es directamente proporcional a la fuerza neta que se le aplica. La masa del objeto es la constante de esa proporción. Como la fuerza y la aceleración son vectores (tienen dirección y sentido), esta ley nos dice que siempre van en la misma dirección.
Cuando la masa varía
Cuando la masa de un objeto cambia (por ejemplo, un cohete que quema combustible y pierde masa), la segunda ley de Newton es un poco más compleja. Considera la fuerza neta sobre el objeto, la velocidad de la masa que entra o sale, y la velocidad del objeto principal.
Impulso
La segunda ley también nos dice que un cambio en la cantidad de movimiento puede expresarse como la fuerza multiplicada por el tiempo durante el cual se aplica esa fuerza. Cambio de cantidad de movimiento = Fuerza × tiempo
Si la fuerza cambia con el tiempo, podemos sumar todos esos pequeños cambios. A esta cantidad la llamamos impulso lineal. El impulso es una magnitud que tiene dirección y sentido, y es muy útil para entender acciones rápidas como los choques. Sus unidades son kilogramo por metro por segundo (kg·m/s).
Ejemplos de la segunda ley de Newton
Aquí tienes algunas aplicaciones de la segunda ley de Newton:
- Caída libre: Cuando un objeto se deja caer desde una altura, la única fuerza que actúa sobre él es su propio peso (la fuerza de la gravedad). La segunda ley nos ayuda a calcular cómo acelera hacia abajo.
- Péndulo simple: Imagina una bola atada a un hilo que cuelga. Si la mueves y la sueltas, el péndulo empieza a oscilar. Las fuerzas que actúan sobre la bola son su peso y la tensión del hilo. La segunda ley nos permite entender cómo se mueve y qué tan fuerte es la tensión del hilo en cada punto de su recorrido.
Tercera ley de Newton: Principio de acción y reacción
La tercera ley de Newton dice que por cada acción, siempre hay una reacción igual y opuesta. Esto significa que si un objeto ejerce una fuerza sobre otro, el segundo objeto ejerce una fuerza de la misma intensidad y en la misma dirección, pero en sentido contrario, sobre el primero.
Newton lo expresó así: "Con toda acción ocurre siempre una reacción igual y contraria". Las fuerzas siempre aparecen en pares: si tú empujas algo, ese algo te empuja a ti con la misma fuerza, pero en la dirección opuesta.
Esta ley fue una idea original de Newton y completó las leyes de la mecánica. Nos dice que las fuerzas siempre vienen en pares. Si dos objetos interactúan, la fuerza que el objeto 1 ejerce sobre el objeto 2 es igual en magnitud y dirección, pero opuesta en sentido, a la fuerza que el objeto 2 ejerce sobre el objeto 1.
Esta ley nos ayuda a entender los principios de conservación de la cantidad de movimiento y del momento angular.
Ejemplos de la tercera ley de Newton
Aquí tienes algunos ejemplos de acción y reacción:
- Si un patinador empuja a otro patinador de peso similar, ambos se moverán en direcciones opuestas con la misma velocidad.
- Cuando estás de pie, tus pies empujan la Tierra hacia abajo, y la Tierra te empuja a ti hacia arriba con la misma fuerza, manteniéndote en equilibrio.
- Al caminar, empujas el suelo hacia atrás con tus pies, y el suelo te empuja hacia adelante, lo que te permite avanzar.
- La fuerza normal es la fuerza de reacción que una superficie ejerce sobre un objeto apoyado en ella, siempre perpendicular a la superficie.
- Las fuerzas a distancia también cumplen esta ley. Por ejemplo, la fuerza que la Tierra ejerce sobre la Luna es igual y opuesta a la fuerza que la Luna ejerce sobre la Tierra. Esta fuerza es la que mantiene a la Luna en su órbita.
La fuerza que la Luna ejerce sobre la Tierra también es la causa de las mareas, que son las subidas y bajadas del nivel del mar.
- Conservación de la cantidad de movimiento
Un choque o colisión es cuando dos o más objetos interactúan por un corto tiempo.
Durante un choque, los objetos intercambian energía y cantidad de movimiento. Según la primera ley de Newton, en un sistema aislado (donde no hay fuerzas externas), la cantidad de movimiento total del sistema se mantiene constante. Sin embargo, la energía de movimiento (energía cinética) puede cambiar.
Los choques se clasifican en:
- Choque elástico: La cantidad de movimiento y la energía cinética total del sistema se mantienen constantes. La suma de la cantidad de movimiento de los objetos antes del choque es la misma que después. Lo mismo ocurre con la energía cinética.
- Choque inelástico: La cantidad de movimiento total se mantiene constante, pero la energía cinética cambia. Parte de la energía cinética se transforma en otras formas de energía, como calor o deformación de los objetos. Después de un choque inelástico, los objetos pueden quedarse unidos y moverse juntos.
Historia de las leyes del movimiento
La dinámica es la parte de la física que estudia cómo se mueven los objetos y qué fuerzas causan esos movimientos. La dinámica clásica, basada en las leyes de Newton, es útil para estudiar objetos grandes (no átomos) que se mueven a velocidades mucho menores que la luz. Para entender esto, empezamos observando el mundo que nos rodea. Si quieres mover algo que está quieto, tienes que empujarlo o levantarlo, es decir, aplicar una fuerza.
El estudio del movimiento es complejo. Durante siglos, las ideas sobre el movimiento fueron incorrectas. Por ejemplo, Aristóteles pensaba que un objeto se detenía cuando la fuerza que lo empujaba dejaba de actuar. Aunque esto no era cierto, sus ideas duraron mucho tiempo debido a su prestigio.
Sin embargo, algunos pensadores se acercaron a las ideas de Newton mucho antes que él. En la antigüedad, filósofos como Lucrecio ya dudaban de Aristóteles, diciendo que en el vacío, todos los cuerpos caerían a la misma velocidad, sin importar su peso.
En España, Juan de Celaya (en 1517) y su discípulo Domingo de Soto (en 1551) hicieron importantes avances. Domingo de Soto, un fraile dominico, es considerado un pionero de la física moderna. Él fue uno de los primeros en decir que un cuerpo en caída libre acelera de manera uniforme con el tiempo. Sus ideas influyeron en científicos como Galileo.
Soto clasificó los movimientos en diferentes tipos, como el movimiento uniforme (velocidad constante) y el movimiento disforme (velocidad que cambia). Describió la caída libre como un ejemplo de movimiento uniformemente acelerado, algo que Galileo también estudiaría después.
Después de estos pioneros, Galileo hizo un gran avance al usar el método científico. Él demostró que no siempre debemos confiar en lo que vemos a primera vista, porque a veces nos equivocamos. Galileo hizo muchos experimentos, cambiando las condiciones y midiendo los resultados. Así, descubrió que un objeto que se mueve a velocidad constante sobre una superficie muy lisa se movería para siempre si no hubiera fricción ni otras fuerzas.
Galileo también se preguntó qué parámetro del movimiento indica la acción de fuerzas externas. Newton respondió de forma más precisa: no es la velocidad, sino el cambio de velocidad (la aceleración) lo que indica que una fuerza está actuando. Esta relación entre fuerza y aceleración es la base de la mecánica clásica. Fue Isaac Newton, alrededor de 1690, quien formuló completamente estas leyes y desarrolló las matemáticas necesarias para explicarlas.
¿Tienen límites las leyes de Newton?
Después de que Newton formuló sus leyes, otros científicos las mejoraron o las adaptaron para situaciones más complejas. Por ejemplo, el principio de d'Alembert (1743) ayudó a resolver problemas con objetos que tienen restricciones de movimiento.
Más tarde, Lagrange encontró una forma de las ecuaciones de movimiento que funciona en cualquier sistema de referencia, incluso en los que no son inerciales, sin necesidad de añadir "fuerzas ficticias".
La teoría de la relatividad de Einstein, que estudia objetos a velocidades muy cercanas a la luz, mostró que las leyes de Newton necesitan algunas modificaciones para esas condiciones extremas. Y la mecánica cuántica, que estudia el mundo a escalas muy pequeñas (como los átomos), demostró que las leyes de Newton son solo una aproximación para el comportamiento de objetos grandes.
¿Cómo cambian las leyes con la relatividad?
Las leyes de Newton son muy precisas para velocidades bajas. Pero cuando los objetos se mueven muy rápido, cerca de la velocidad de la luz, las cosas cambian:
- Primera ley: Sigue siendo válida, pero en lugar de "línea recta", hablamos de "línea geodésica" en el espacio-tiempo curvo (debido a la gravedad).
- Segunda ley: Sigue siendo válida si decimos que la fuerza sobre una partícula es igual al cambio de su momento lineal. Sin embargo, la forma de calcular el momento lineal es diferente en la teoría de la relatividad. Esto hace que la relación entre fuerza y aceleración sea más compleja para velocidades muy altas.
- Tercera ley: La formulación original de Newton dice que la acción y la reacción son siempre en la misma línea. Pero en presencia de campos magnéticos, esto no siempre se cumple. Por ejemplo, las fuerzas magnéticas entre dos partículas en movimiento no siempre están en la misma línea ni son de igual magnitud. Esto se entiende mejor con las ecuaciones de la electrodinámica relativista.
Teorema de Ehrenfest
El teorema de Ehrenfest nos ayuda a conectar las leyes de Newton con la mecánica cuántica. Aunque en la mecánica cuántica no hablamos de fuerzas o trayectorias de la misma manera, sí podemos hablar de conceptos como el momento lineal y la energía potencial.
Este teorema dice que el cambio en el valor promedio del momento de una partícula en un campo es igual al valor promedio de la "fuerza" que actúa sobre ella. Es una forma de ver cómo las leyes de Newton se aplican en el mundo cuántico, pero usando promedios.
Véase también
- Sistema de referencia inercial
- Mecánica clásica
- Física clásica
- Momento de inercia
- Cantidad de movimiento
- Inercia
- Fuerza
- Choque elástico
