Leyes de Newton
Las leyes de Newton constituyen un método compacto para convertir fuerzas en predicciones sobre el movimiento. La habilidad esencial no consiste en memorizar tres frases, sino en elegir el objeto, identificar las fuerzas que actúan sobre él y sumarlas correctamente.
Tres leyes, un solo marco
Primera ley: si la fuerza externa neta es cero, la velocidad permanece constante; el reposo es solo el caso particular v = 0.
Segunda ley: una fuerza externa neta no nula cambia la velocidad produciendo aceleración: ΣF⃗ = ma⃗. Fuerza y aceleración son vectores; la aceleración apunta en la dirección de la fuerza neta, que no tiene por qué coincidir con la dirección del movimiento.
Tercera ley: cuando el objeto A ejerce una fuerza sobre B, B ejerce sobre A una fuerza de igual magnitud y sentido opuesto.
Primera ley: fuerza neta cero no significa movimiento cero
Un objeto no necesita una fuerza neta continua para seguir moviéndose con velocidad constante. Un disco que se desliza sobre hielo casi sin rozamiento puede continuar después de terminar el empujón. Una fuerza neta cambia la velocidad: su módulo, su dirección o ambos.
La afirmación supone un sistema de referencia inercial, es decir, un sistema que no acelera. En un automóvil acelerado aparecen efectos aparentes que no corresponden a interacciones ordinarias.
Segunda ley: suma las fuerzas antes de usar F = ma
La F de la expresión familiar es la fuerza externa neta, no una fuerza escogida. Si actúan 20 N hacia la derecha y 8 N hacia la izquierda, la fuerza neta horizontal es 12 N hacia la derecha. Sobre 4 kg produce una aceleración de 3 m·s⁻².
La masa mide la inercia: para la misma fuerza neta, una masa mayor tiene menor aceleración. El peso no es la masa; cerca de la superficie terrestre es la fuerza gravitatoria mg.
Tercera ley: las fuerzas de interacción actúan sobre objetos distintos
Un error frecuente es afirmar que las fuerzas sobre un objeto «se anulan por la tercera ley». Las dos fuerzas de una pareja acción–reacción no actúan sobre el mismo objeto. Para decidir si las fuerzas de un objeto se compensan, hay que analizar el diagrama de cuerpo libre de ese objeto.
Un método fiable para problemas de fuerzas
- Elige el objeto o sistema que vas a analizar.
- Dibuja todas las fuerzas externas que actúan sobre él.
- Elige ejes y descompón las fuerzas inclinadas cuando sea necesario.
- Escribe ΣFx = max y ΣFy = may.
- Comprueba signos y unidades.
No supongas que la fuerza normal siempre es igual a mg. Solo ocurre en situaciones concretas, por ejemplo sobre una superficie horizontal sin aceleración vertical ni otras fuerzas verticales.
Las fuerzas comunes tienen orígenes físicos concretos: el peso procede de la gravedad, la normal actúa perpendicular a la superficie de contacto, el rozamiento actúa a lo largo de ella y la tensión tira a lo largo de una cuerda o cable. Nombrar la interacción evita inventar fuerzas. Que un objeto se mueva hacia la derecha no implica que exista una fuerza hacia la derecha: la fuerza neta puede ser cero o incluso apuntar a la izquierda.
Ejemplos resueltos
1. Empuje horizontal
Un carro de 5,0 kg recibe 18 N hacia la derecha y un rozamiento de 3,0 N hacia la izquierda. La fuerza neta es 15 N y a = 15/5,0 = 3,0 m·s⁻² hacia la derecha.
2. Ascensor a velocidad constante
Un pasajero de 70 kg sube con velocidad constante. Como a = 0, la fuerza neta es 0 N; por tanto, la normal del suelo vale N = mg = 70×9,81 ≈ 687 N.
3. Acción y reacción
Una persona empuja una pared con 120 N. Por la tercera ley, la pared empuja a la persona con 120 N en sentido opuesto. Ambas fuerzas forman una pareja, pero actúan sobre cuerpos distintos.