Leyes de Newton: conceptos y ejercicios.

El físico Isaac Newton planteó tres leyes fundamentales en la dinámica, estas son: ley de la inercia, ley de la fuerza y ley de acción-reacción.

Estas tres leyes son fundamentales en la física, sobre todo en el estudio de la dinámica de los cuerpos. Con estas leyes es posible entender el mundo donde vivimos y nos desarrollamos, es por ello que el conocer y entender estas leyes es fundamental para nuestra vida cotidiana y para muchas profesiones en particular.

Isaac Newton mostró estas leyes en su libro Philosophiae Naturalis Principia Mathematica o Principios Matemáticos de la Filosofía Natural. Este es uno de los libros más importantes de la historia de la humanidad.

Sir Isaac Newton. Fuente: Ejemplo.co

Leyes de Newton

Primera ley de Newton o ley de la inercia

En esta primera ley se nos plantea lo siguiente: 

• Todo cuerpo permanecerá en su estado de reposo o movimiento uniforme y rectilíneo a no ser que sea obligado por fuerzas externas a cambiar su estado.

Es decir, Newton nos indica que todo cuerpo tiene la propiedad de evitar el cambio (el humano como tal evita el cambio, por ejemplo), por ende, se necesita de una excitación externa para que ocurra este cambio. Esta ley depende de la masa del cuerpo, entre más masa más resistencia al cambio existe. 

Ejemplos de la primera ley de Newton

1. Cuando un coche frena de manera brusca, tenemos que los pasajeros, por efecto de la inercia, se tienden a mover en la dirección en que se movía el automóvil. 
2. Cuando queremos mover una caja pesada, podemos sentir como al principio resulta difícil el mover la caja. En este caso, es la inercia la causante de evitar el movimiento de la caja.

Segunda ley de Newton o ley de la fuerza

En esta segunda ley se nos plantea lo siguiente:

• El cambio de movimiento es proporcional a la fuerza motriz externa y ocurre según la línea recta a lo largo de la cual aquella fuerza se imprime.

Es decir, Newton nos indica que esa excitación que debe conocer un cuerpo para que ocurra un cambio se conoce como fuerza y esta depende de la masa y la aceleración del cuerpo. Esta segunda ley nos deja la siguiente formula: 

F = m·a 

Donde: 

• F = fuerza
• m = masa
• a = aceleración

Ejemplos de la segunda ley de Newton

1. Cuando un automóvil se mueve, en este caso el motor del automóvil debe proporcionar una fuerza motriz para que se genere el movimiento del mismo. Esta fuerza le proporcionará una aceleración al automóvil.
2. Cuando se patea un balón de fútbol, en este caso el balón se mueve gracias una fuerza motriz externa que proporciona quien patea el balón.

Tercera ley de Newton o ley de acción-reacción

En esta tercera ley se nos plantea lo siguiente:

• Con toda acción ocurre siempre una reacción igual y contraria; las acciones mutuas de dos cuerpos siempre son iguales y dirigidas en sentidos opuestos.

Es decir, Newton nos indica que toda acción tiene una reacción, otra forma de verlo sería: toda causa tiene su consecuencia. 

Ejemplos de la tercera ley de Newton

1. Cuando caminamos, en este caso el contacto del pie con el suelo genera una acción-reacción que nos permite caminar.
2. Cuando rebotamos una pelota contra el suelo, en este caso existe una acción-reacción entre el suelo y la pelota que permite que la misma vuelva a la mano de quien la lanzó.

Resumen de las tres leyes de Newton. Fuente: ABC.

Ejercicios relacionados con las leyes de Newton

Primer ejercicio

Si sobre una pelota de baloncesto se aplican únicamente dos fuerzas concurrentes F = 2 N y F' = 2 N de sentido contrario, ¿Cuáles son los posibles estados de dicha pelota?

Resolución:

Inicialmente lo que haremos será realizar un diagrama de cuerpo libre (DCL).

Procedemos a realizar una sumatoria de fuerza en el eje -x- para lograr encontrar la fuerza resultante.

Fr = F - F' 

Fr = 2 N - 2 N 

Fr = 0 N 

La fuerza resultante externa que se aplica sobre la pelota de baloncesto es de 0 N, por ende, el estado de la pelota es de reposo, esto considerando la primera ley de Newton.

Segundo ejercicio

Un ciclista se desplaza con una aceleración de 2 m/s² y la masa total del sistema (bicicleta más conductor) es de 65 kg, ¿Qué fuerza lleva el sistema?

Resolución: 

Para resolver este problema debemos aplicar la segunda ley de Newton, es decir, la fuerza se puede calcular como el producto entre la masa y la aceleración.

F = m·a 

F = (65 kg)·(2 m/s²) 

F = 130 N 

Por tanto, la fuerza que lleva el sistema conductor - bicicleta es de 130 N.

Tercer ejercicio

Un automóvil choca contra otro con un vector fuerza de (1,-5) N, ¿Cuál es el vector reacción? 

Resolución: 

Inicialmente planteamos el diagrama de cuerpo libre (DCL).

Aplicando la teoría de la tercera ley de Newton, sabemos que la reacción de una fuerza tiene la misma dirección pero el sentido es contrario.

F = - F' 

F = -(1, -5) N

F = (-1,5) N

Por tanto, la fuerza de reacción que hubo en el choque es igual a (-1,5) N.

Referencias: 

1. Enciclopedia de Ejemplos (2019). "Leyes de Newton"
2. Tipler, P. 2010. Física. Volumen 1. 5ta Edición. Editorial Reverté. 94 – 95.