Las leyes de Newton

En la clase de hoy, además de repasar aspectos de la clase anterior a través del experimento de Galileo Galilei como hice yo en la anterior entrada, hemos trabajado las tres primeras leyes de Newton a través de diferentes ejercicios.

Primera Ley de Newton 

La primera ley de Newton, conocida también como Ley de inercía, nos dice que si sobre un cuerpo no actúa ningún otro, este permanecerá indefinidamente moviéndose en línea recta con velocidad constante (incluido el estado de reposo, que equivale a velocidad cero).

Como sabemos, el movimiento es relativo, es decir, depende de cual sea el observador que describa el movimiento. Para entenderlo, hemos realizado ejercicios como el siguiente: para un pasajero de un tren, el interventor viene caminando lentamente por el pasillo del tren, mientras que para alguien que ve pasar el tren desde el andén de una estación, el interventor se está moviendo a una gran velocidad.

Se necesita, por tanto, un sistema de referencia al cual referir el movimiento, ya que gracias a ellos se observa que un cuerpo sobre el que no actúa ninguna fuerza neta se mueve con velocidad constante.

Segunda Ley de Newton 

La Primera Ley de Newton nos dice que para que un cuerpo altere su movimiento es necesario que exista algo que provoque dicho cambio. Ese algo es lo que conocemos como fuerzas. Estas son el resultado de la acción de unos cuerpos sobre otros.

La Segunda ley de Newton se encarga de cuantificar el concepto de fuerza. Nos dice que 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

La unidad de fuerza en el Sistema Internacional es el Newton y se representa por N. Debido a que en esta Ley nos hemos detenido más tiempo con ejemplos simples como que si arrastramos dos cajas, una de 100g y otra de 200g con la misma fuerza, tendrá mayor aceleración la de 100g o que si empujamos una caja, la resistencia del suelo ejercerá otra fuerza además del empuje que realizamos, por lo que para que empujando consigamos mover un objeto deberemos superar la fuerza de fricción, os dejo un pequeño vídeo teórico-práctico donde queda explicada esta segunda ley:

Tercera Ley de Newton

Tal como comentamos en la Segunda Ley de Newton, las fuerzas son el resultado de la acción de unos cuerpos sobre otros.

La tercera ley, también conocida como Principio de acción y reacción nos dice que si un cuerpo A ejerce una acción sobre otro cuerpo B, éste realiza sobre A otra acción igual y de sentido contrario.

Esto es algo que podemos comprobar a diario en numerosas ocasiones. Por ejemplo, cuando queremos dar un salto hacia arriba, empujamos el suelo para impulsarnos. La reacción del suelo es la que nos hace saltar hacia arriba.

Cuando estamos en una piscina y empujamos a alguien, nosotros también nos movemos en sentido contrario. Esto se debe a la reacción que la otra persona hace sobre nosotros, aunque no haga el intento de empujarnos a nosotros.

Hay que destacar que, aunque los pares de acción y reacción tenga el mismo valor y sentidos contrarios, no se anulan entre si, puesto que actúan sobre cuerpos distintos.

Para dar por finalizada esta entrada, os adjunto un vídeo en el que explican las Leyes de Newton de forma clara y concisa en dos minutos:

El experimento de Galileo Galilei

En la sesión de hoy, hemos corregido los ejercicios de ideas previas que realizamos en la pasada clase ya que cometimos errores al tener en cuenta aspectos como el viento o la fuerza de rozamiento para realizarlos, de los cuales debemos prescindir.

Por lo tanto, según esto último y tomando como ejemplo el primer ejercicio de la hoja de ejercicios sobre el movimiento en el que pregunta qué objeto llegará antes al suelo, si el que cae desde un globo o el que cae desde un avión que lleva una velocidad constante (ambos a la misma altura), la respuesta sería que llegan al suelo al mismo tiempo, pues no debemos tener en cuenta el espacio que recorre el objeto en dirección horizontal (en el caso del avión) antes de ser atraído por la fuerza de gravedad, ya que esto último sería si tuviese una fuerza que lo impulsa en el sentido del avión, la cual no existe; es decir, ambos caen de modo vertical al suelo y a la vez.

Para que esto último nos quedase más claro, hemos realizado experimentos, los cuales están fundamentados en el de Galileo Galilei. A todos nos han enseñado en el colegio que todos los cuerpos caen con la misma aceleración, independientemente de su peso. Esto es debido a que la fuerza de la gravedad es directamente proporcional a la masa del objeto. Un cuerpo con el doble de masa que otro, será atraído con el doble de fuerza, pero como la aceleración producida es igual a la fuerza dividida entre la masa, nos quedaría que es la misma para todos los objetos. De hecho, en el colegio también nos enseñaron que esa aceleración, a nivel del mar es de 9.8 m/s2 y se conoce normalmente como g.

Dice la leyenda que Galileo subió a lo alto de la torre Pisa y dejó caer dos objetos, siendo uno más pesado que el otro. Y comprobó que ambos objetos cayeron al suelo al mismo tiempo. Pero esto resulta imposible ya que a pesar de que la gravedad imprime la misma aceleración a todos los cuerpos, éstos no caen a la misma velocidad porque la gravedad no es la única fuerza que actúa sobre un cuerpo en caída libre. Existe otra fuerza muy importante que se opone a la caída, y es el rozamiento del aire. 

La fuerza de rozamiento del aire depende de la geometría del objeto, de la densidad del aire, y de la velocidad y no depende en absoluto de la masa del objeto. Estos dos últimos factores son los más importantes, pues nos permite razonar que si tenemos dos objetos de igual forma y tamaño pero de distinta masa, la fuerza debida al rozamiento del aire depende exclusivamente de la velocidad de caída.

Imaginemos que tenemos dos bolas del mismo tamaño, una de plomo y otra de corcho, y las dejamos caer desde cierta altura. En el instante en que las soltamos, la única fuerza que actúa sobre ellas es la gravedad, por lo que sufrirán la misma aceleración (9.8 m/s2), y caerán a la par. Pero desde el momento en el que empiezan a caer, aparece la fuerza de rozamiento del aire, que se opone al movimiento de caída. Al principio, como caen a la misma velocidad, la fuerza será igual para ambas. Pero como la aceleración es igual a la fuerza dividida entre la masa, eso quiere decir que la aceleración debida al rozamiento del aire será menor en la bola de plomo que en la de corcho. El efecto del rozamiento del aire frena más la bola de corcho que la de plomo, y por tanto esta última llegará antes al suelo.

De hecho, es el rozamiento del aire el que hace que en un momento dado un cuerpo en caída libre deje de acelerar. En efecto, si la fuerza de rozamiento es directamente proporcional a la velocidad, ésta va aumentando a medida que el objeto acelera. El objeto irá acelerando cada vez menos, pero aumentando su velocidad, hasta que llegue un momento en el que la fuerza de rozamiento sea igual a la fuerza de la gravedad y el cuerpo caiga a velocidad constante.

De todos modos, cabe decir que si realizáramos el experimento de Galileo en una cámara de vacío, no hay duda de que todos los cuerpos caerían al mismo tiempo. Incluso una hoja de papel o una pluma caerían como un ladrillo.

Para dar por finalizada la explicación, os muestro un vídeo en el que se repite de forma gráfica y a través de diferentes experimentos lo dicho anteriormente: