Las tres leyes de Newton: inercia, F = ma y acción-reacción

En 1687, Isaac Newton publicó tres leyes que explican el movimiento de todo lo que nos rodea, desde una pelota hasta los planetas. Son la base de la mecánica clásica y uno de los temas más preguntados en los exámenes.

Primera ley: ley de la inercia

Todo cuerpo permanece en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme a menos que una fuerza neta actúe sobre él.

La inercia es la tendencia de los cuerpos a conservar su estado de movimiento. Por eso, cuando un camión frena de golpe, los pasajeros se van hacia adelante: su cuerpo «quiere» seguir moviéndose. Y por eso un objeto en movimiento en el espacio, sin fricción, seguiría moviéndose para siempre.

Consecuencia importante: si la fuerza neta es cero, la velocidad no cambia (puede ser cero o constante). No se necesita una fuerza para mantener un movimiento, sino para cambiarlo.

Segunda ley: ley de la masa inercial

La aceleración de un cuerpo es directamente proporcional a la fuerza neta que actúa sobre él e inversamente proporcional a su masa.

$$\sum \vec{F} = m\,\vec{a} \qquad\Longleftrightarrow\qquad a = \frac{F_{\text{neta}}}{m}$$

• A mayor fuerza, mayor aceleración.
• A mayor masa, menor aceleración (más inercia).
• La aceleración tiene la misma dirección y sentido que la fuerza neta.

Ejemplo 1: una fuerza neta de 20 N actúa sobre una caja de 4 kg.

$$a = \frac{20}{4} = 5\ \text{m/s}^2$$

Ejemplo 2: se empuja un carrito de 8 kg con 50 N y la fricción ejerce 10 N en sentido contrario.

$$F_{\text{neta}} = 50 - 10 = 40\ \text{N} \qquad a = \frac{40}{8} = 5\ \text{m/s}^2$$

Masa y peso

• Masa ($m$): cantidad de materia y medida de la inercia. Es escalar, se mide en kg y no cambia de un lugar a otro.
• Peso ($w$): fuerza con que la Tierra (u otro astro) atrae al cuerpo. Es vectorial, se mide en newtons y depende de la gravedad.

$$w = m\,g$$

Una persona de 60 kg pesa $60(9.8) = 588$ N en la Tierra. En la Luna, donde $g = 1.62\ \text{m/s}^2$, pesaría $97.2$ N, pero su masa seguiría siendo 60 kg.

Tercera ley: acción y reacción

Si un cuerpo A ejerce una fuerza sobre un cuerpo B, el cuerpo B ejerce sobre A una fuerza de igual magnitud y dirección, pero de sentido contrario.

Las fuerzas siempre aparecen en pares:

• Al caminar, tu pie empuja el suelo hacia atrás y el suelo te empuja hacia adelante.
• Un cohete expulsa gases hacia abajo y los gases empujan al cohete hacia arriba.
• Al nadar, empujas el agua hacia atrás y el agua te impulsa hacia adelante.

Cuidado: la acción y la reacción actúan sobre cuerpos distintos, por eso no se cancelan entre sí. El peso de un libro y la fuerza normal de la mesa no son un par acción-reacción (ambas actúan sobre el libro).

Diagrama de cuerpo libre

Para aplicar la segunda ley, dibuja el cuerpo aislado con todas las fuerzas que actúan sobre él (peso, normal, tensión, fricción, fuerzas aplicadas), elige ejes y escribe $\sum F_x = m\,a_x$ y $\sum F_y = m\,a_y$.

Comprueba lo aprendido

1. ¿Qué fuerza neta se necesita para acelerar un auto de 1 200 kg a 2 m/s²?Ver respuestaOcultar respuesta

$F = m\,a = 1200(2) = 2400$ N.

2. ¿Cuál es la masa de un objeto que pesa 490 N en la Tierra?Ver respuestaOcultar respuesta

$m = \dfrac{w}{g} = \dfrac{490}{9.8} = 50$ kg.

3. Un auto choca con un mosquito. ¿Quién recibe una fuerza mayor?Ver respuestaOcultar respuesta

Ninguno: por la tercera ley, las fuerzas son iguales. El mosquito sufre más porque su masa es mucho menor y su aceleración es enorme.

Practica con los ejercicios resueltos de esta unidad:

Ejercicios resueltos de fuerzas y leyes de Newton

Referencias

• Newton, I. (1687). Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica.
• Hewitt, P. G. (2007). Física conceptual (10.ª ed.). Pearson Educación.
• Tippens, P. E. (2011). Física: conceptos y aplicaciones (7.ª ed.). McGraw-Hill.
• Colegio Nacional de Matemáticas. Guía práctica para el examen de ingreso a la universidad. Pearson Educación (temario de referencia).

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