Aplicaciones Tercera Ley de Newton

Tercera Ley de Newton o Principio de Acción y Reacción

Si un cuerpo actúa sobre otro con una fuerza (acción), éste reacciona contra el primero con una fuerza igual, de la misma dirección pero de sentido contrario (reacción)

Para este principio debemos de considerar que las fuerzas van siempre en pareja, ya que una fuerza aislada (acción) no puede existir. Así, podemos asegurar que, del mismo modo que la Tierra atrae a un cuerpo, el cuerpo atrae a la Tierra: si la Tierra no se mueve es porque la atracción que recibe por parte del cuerpo es despreciable dada su masa.
A primera vista parece que estas dos fuerzas deberían anularse, por ser iguales en valor y dirección y además opuestas; sin embargo no es así, ya que ambas no actúan sobre el mismo cuerpo, sino sobre cuerpos diferentes.
Aunque, según acabamos de ver, a una de estas fuerzas se le da el nombre de acción y a la otra de reacción, la distinción entre ellas es arbitraria, pues cada una es causa simultánea de la otra.
El enunciado del tercer principio presupone que las fuerzas de acción y reacción son simultáneas. Sin embargo, se ha postulado recientemente que quizá no lo sean, con lo cual este principio tal vez deba ser revisado en el futuro.

DINÁMICA DE NEWTON. Ley Fundamental. Comprobación

2ª Ley de Newton o Principio de la acción de fuerzas

Del primer principio de la dinámica se deduce que si la resultante de las fuerzas que actúan sobre un cuerpo es cero, el cuerpo permanece en reposo o se desplaza en línea recta a velocidad constante. Desde este punto de vista, el reposo y el movimiento rectilíneo y uniforme son equivalentes. Pero ¿qué sucede si la fuerza neta que actúa sobre un cuerpo es distinta de cero? Cuando esto ocurre, el cuerpo experimenta una aceleración.

La fuerza neta aplicada sobre un cuerpo es proporcional a la aceleración que adquiere dicho cuerpo. La constante de proporcionalidad es la masa del cuerpo, de manera que podemos expresar la relación de la siguiente manera:

F = m a

Esta ecuación es la llamada ecuación fundamental de la Dinámica, por su enorme importancia y aplicaciones.
A partir de ella deduciremos el enunciado del segundo principio:

"Si sobre un cuerpo actúa una fuerza, o varias cuya resultante no sea nula, tiene una aceleración que es directamente proporcional a la intensidad de la fuerza aplicada e inversamente proporcional a una cualidad característica del cuerpo denominada masa inerte"

a= F/m

Primer principio de la dinámica o Ley de la inercia

El primer principio de la dinámica, también llamado principio de la inercia, nos informa acerca de lo que sucede cuando no actúan fuerzas sobre un cuerpo  o cuando la resultante de las fuerzas que actúan sobre él es nula

“Si sobre un cuerpo no actúa fuerza alguna, o la resultante de las fuerzas que actúan es nula, el cuerpo permanece indefiniblemente en su estado de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme”

Este primer principio significa que para que un cuerpo experimente una aceleración, es necesario siempre que una fuerza no equilibrada actúe sobre él y que si un cuerpo está en reposo o moviéndose con velocidad constante, la fuerza exterior resultante ha de ser cero (realmente no se ha podido observar ningún objeto sobre el que no actúe una fuerza).

La materia ofrece una cierta inercia o resistencia a los cambios de movimiento; de ahí que la primera ley de Newton se conozca con el nombre de principio de la inercia.

La primera parte de este principio es evidente, pues ya estamos acostumbrados a observar estos fenómenos. En cambio, la segunda no se comprende tan fácilmente, puesto que todos hemos observado que cuando un cuerpo se mueve siempre termina parándose, lo que parece estar en contradicción con este principio; pero si pulimentamos cada vez más las superficies del cuerpo y del plano, el tiempo que tarda en pararse va aumentando progresivamente, lo que hace pensar en la existencia de alguna fuerza “no visible”. Esta fuerza se llama fuerza de rozamiento. Si se llegase a alcanzar un pulimento perfecto, al ser nula la fuerza de rozamiento, el cuerpo nunca se detendría, quedando confirmado el primer principio.

La ley de la inercia fue descubierta por Galileo. El cual, tras haber estudiado la caída de los cuerpos, consideró el movimiento de una bola que después de ascender por un plano subía por otro, hasta llegar a alcanzar una altura casi igual a la inicial, atribuyendo la pequeña diferencia al rozamiento y llegando incluso a afirmar que si no existiese rozamiento, la altura sería la misma. Si se va disminuyendo la inclinación del plano, la bola ha de recorrer una distancia cada vez mayor, para alcanzar la misma altura, y en el caso límite de que el plano sea horizontal, la bola no se detendrá, pues nunca logrará llegar a su altura primitiva. Llegó así Galileo a la conclusión de que todo cuerpo conserva su estado de movimiento, mientras no haya una causa exterior que lo perturbe.

Esquema de los experimentos de Galileo

Enunciado original de los Principios de Newton

La Dinámica se fundamenta en tres principios que, aunque intuidos inicialmente por Galileo, fueron enunciados por Newton en el año 1687, en su célebre obra

Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, probablemente el libro más famoso de la historia de la Física.

El enunciado original de dichos principios es el siguiente:

Ley I: Todo cuerpo continúa en su estado de reposo o de movimiento uniforme en línea recta, a menos que sea forzado a cambiar ese estado por fuerzas que actúan sobre él.

Ley II: El cambio de movimiento es proporcional a la fuerza motriz que se ha impreso, y sigue la dirección de la línea recta en que se imprime la fuerza.

Ley III: A toda acción se opone siempre una reacción igual;  o bien; las acciones recíprocas de dos cuerpos, uno sobre otro, son siempre iguales y dirigidas hacia las partes opuestas.

Antecedentes históricos

Durante toda la antigüedad, así como en la Edad Media, prevalecieron las teorías de Aristóteles acerca del movimiento. Aristóteles consideraba el movimiento como un cambio desde el reposo         que exigía una causa. Clasifica los movimientos en naturales y violentos.

Para Aristóteles el cosmos era una esfera extensa, pero finita, limitada por la esfera de las estrellas fijas. En el centro del cosmos estaba la Tierra, a la cual rodeaban las envolturas esféricas del aire, agua y fuego. En este universo cada tipo de cuerpo o sustancia tenía su lugar natural y un movimiento natural en relación a ese lugar, hacia el cual tendía a dirigirse en línea recta. Al encontrarse en ese lugar podía estar en reposo; esa era la razón por la que el fuego, cuyo lugar natural es arriba, parece ligero; mientras que la tierra, por el contrario, parece pesada, porque su lugar natural es abajo.

Por otra parte, según Aristóteles, todo movimiento violento para ser mantenido, necesita la acción continua de una fuerza; así, por ejemplo, si lanzamos verticalmente hacia arriba una piedra, alcanzará mayor o menor altura, pero siempre terminará por llegar al suelo, que es su lugar natural.

Aplicando el razonamiento aristotélico, un cuerpo debe caer con mayor rapidez cuanto más pesado sea, ya que es mayor su tendencia a moverse hacia el lugar que le corresponde (lugar natural).

Aunque Aristóteles fue muy discutido por Juan Filopón, en el siglo V, y Juan Buridán, en el siglo XIV, fue el físico italiano Galileo Galiley (1564-1642) quién demostró, en una serie de experiencias llevada a cabo en la torre de Pisa, que todos los cuerpos, sea cual sea su peso, caen con una misma velocidad (salvo pequeñas diferencias atribuibles a la resistencia del aire), y sentó  las bases de la Dinámica, que luego sería estructurada por Newton.

Isaac Newton

Matemático y físico inglés, nacido en  Woolsthorpe y muerto en Kensington (1642-1727). En 16661, al salir de la escuela de Grantham, ingresó en el Colegio de la Trinidad, de Cambridge, donde en el 1665 se graduó de bachiller en Artes. En 1668 volvió del que había sido nombrado fellow (socio) el año anterior. Allí vivió los veintiocho años siguientes, dedicado a investigaciones científicas, cuyos resultados han inmortalizado su nombre. Fue respetado durante toda su vida como ningún otro científico

Newton abandonó Cambridge en 1696, y durante el resto de su vida residió en Londres con un cargo en la Casa de la Moneda que le permitiría vivir bien. En 1705 se le concedió el título de noble, y desde 1703 hasta su muerte fue presidente de la Royal Society.

Su obra matemática se extiende particularmente a los siguientes puntos:

1)    descubrió, al mismo tiempo que Leibniz, el cálculo diferencial e integral, que él llamó cálculo de flexiones.

2)    Generalizó la fórmula del binomio, ya conocida por Vieta y Briggs, demostrando que era aplicable para cualquier exponente.

En mecánica y astronomía estableció la ley de gravitación universal deduciéndola a partir de la tercera ley de Kepler, que relaciona los períodos de revolución de los planetas con sus distancias al sol. Obtuvo así el valor de la fuerza necesaria para que la Luna gire en torno a la Tierra y resultó que se corresponde con el valor de la gravedad de la superficie de nuestro globo. De este modo redujo a una sola las mecánicas terrestre y extraterrestre.

Determinó, con gran exactitud, las masas del Sol y de los planetas y varias de las particularidades del movimiento de la Tierra (que las mareas se deben a la atracción del Sol y de la Luna…)

En óptica demostró que la luz blanca se compone de los colores fundamentales del espectro y estableció la teoría de los colores fundamentales del espectro y la teoría de la emisión de la luz.

En Física, destaca sobre todo por sus tres leyes (la de la inercia; la 2ª ley de  la dinámica o ley fundamental y la ley de acción y reacción).

Newton, a pesar de haber sido uno de los físicos y matemáticos más geniales y haber contribuido, quizá como nadie, al progreso de la ciencia, ha sido sobrepasado en todos los terrenos que abarcó su gran labor, como él ya había previsto.

Padeció durante sus últimos años diversos problemas renales, incluyendo atroces cólicos nefríticos, sufriendo uno de los cuales moriría la noche del 31 de marzo de 1727 (calendario gregoriano).Fue enterrado en la abadía de Westminster junto a los grandes hombres de Inglaterra