Tema IV. Leyes de Newton


Sistema de referencia inercial

En mecánica newtoniana, un sistema de referencia inercial es un sistema de referencia en el que las leyes del movimiento cumplen las leyes de Newton y, por tanto, la variación del momento lineal del sistema es igual a las fuerzas reales sobre el sistema, es decir un sistema en el que:


Características de los sistemas inerciales

v  El punto de referencia es arbitrario, dado un sistema de referencia inercial, cualquier otro sistema desplazado respecto al primero a una distancia fija sigue siendo inercial.
v  La orientación de los ejes es arbitraria, dado un sistema de referencia inercial, cualquier otro sistema de referencia con otra orientación distinta del primero, sigue siendo inercial.
v  Desplazamiento a velocidad lineal constante, dado un sistema de referencia inercial, cualquier otro que se desplace con velocidad lineal y constante, sigue siendo inercial.
v  Por combinación de los tres casos anteriores, tenemos que cualquier sistema de referencia desplazado respecto a uno inercial, girado y que se mueva a velocidad lineal y constante, sigue siendo inercial.

Sistema de referencia no inercial

En mecánica newtoniana se dice que un sistema de referencia es no inercial cuando en él no se cumplen las leyes del movimiento de Newton. Dado un sistema de referencia inercial, un segundo sistema de referencia será no inercial cuando describa un movimiento acelerado respecto al primero. La aceleración del sistema no inercial puede deberse a:
1.      Un cambio en el módulo de su velocidad de traslación (aceleración lineal).
2.      Un cambio en la dirección de su velocidad de traslación (por ejemplo en un movimiento de giro alrededor de un sistema de referencia inercial).

3.      Un movimiento de rotación sobre sí mismo.






Primera Ley de Newton

Todo cuerpo que no está sometido a ninguna interacción (cuerpo libre o aislado) permanece en reposo o se traslada con velocidad constante.
Esta ley es conocida como la ley de inercia y explica que para modificar el estado de movimiento de un cuerpo es necesario actuar sobre él. Definimos una nueva magnitud vectorial llamada momento lineal (o cantidad de movimiento) p de una partícula:


Entonces la primera ley es equivalente a decir que un cuerpo libre se mueve con  constante.
Consideremos el caso de dos partículas que, debido a su interacción mutua, describen un movimiento en el que sus velocidades respectivas varían:

Dos partículas que interaccionan entre sí no se mueven con velocidad constante.

Como el conjunto de las dos partículas está aislado, su momento lineal total se conserva:


Esta expresión se conoce como principio de conservación del momento lineal y se puede hacer extensivo a un conjunto de N partículas. Operando en la ecuación anterior obtenemos que:


Esto significa que, como el momento lineal del conjunto de las dos partículas se conserva pero el de cada una de ellas por separado no permanece constante, lo que aumenta el momento lineal de una de ellas ha de ser igual a lo que disminuye el momento lineal de la otra. El ejemplo típico que demuestra este hecho es el retroceso que experimenta un arma al ser disparada.





Segunda Ley de Newton

Se define fuerza  que actúa sobre un cuerpo como la variación instantánea de su momento lineal. Expresado matemáticamente:


   La unidad de fuerza en el S.I. es el Newton (N).

Una fuerza representa entonces una interacción. Cuando una partícula no está sometida a ninguna fuerza, se mueve con momento lineal constante (Primera Ley).

Sustituyendo la definición de momento lineal y suponiendo que la masa de la partícula es constante, se llega a otra expresión para la Segunda Ley:




Comentaremos algunos aspectos interesantes de esta ecuación:
·  La aceleración que adquiere un cuerpo es proporcional a la fuerza aplicada, y la constante de proporcionalidad es la masa del cuerpo.
·  Esta es una ecuación vectorial, luego se debe cumplir componente a componente.
· La fuerza y la aceleración son vectores paralelos, pero esto no significa que el vector velocidad sea paralelo a la fuerza. Es decir, la trayectoria no tiene por qué ser tangente a la fuerza aplicada.
·   Esta ecuación debe cumplirse para todos los cuerpos. Cuando analicemos un problema con varios cuerpos, deberemos entonces tener en cuenta las fuerzas que actúan sobre cada uno de ellos y aplicar la ecuación por separado.







Tercera Ley de Newton

Si un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro, este último ejerce sobre el primero una fuerza igual en módulo y de sentido contrario a la primera.
Esta ley es conocida como la Ley de Acción y Reacción.
Un error muy común es cancelar las fuerzas que constituyen un par acción-reacción al estudiar un cuerpo, pero hay que tener en cuenta que dichas fuerzas se ejercen sobre cuerpos distintos, luego sólo se cancelarán entre sí cuando consideremos el sistema formado por los dos cuerpos en su conjunto.



Otro factor a tener en cuenta es que las fuerzas que constituyen un par acción-reacción siempre responden al mismo tipo de interacción.


Resumiremos las leyes de Newton en este cuadro:
 



Aplicaciones de las leyes de newton en la vida cotidiana

Primera ley: Inercia, todo objeto continuo en movimiento hasta que una fuerza externa lo detenga:
1.      Lanzar una piedra en Angulo para que haga "patitos" en el agua, se detendrá hasta que la fricción con el agua agote la fuerza.
2.      Lanzar un avión de papel, se detiene cuando la resistencia del aire es mayor a la fuerza con que se mantiene en vuelo.
3.      Bajar una pendiente en patineta, se detiene una vez que la fricción es mayor que la velocidad.
4.      Detener el movimiento de un péndulo con la mano.

Segunda ley: Aceleración:
1.      Patear un balón, cambia su velocidad (se acelera).
2.      Empujar un carrito aumentando tu velocidad.
3.      Lanzar una pelota de béisbol.
4.      Dejar caer un ladrillo.

Tercera ley: Acción–reacción
1.      Lanza una piedra hacia arriba en línea recta, al subir se termina su velocidad y comenzara a bajar.
2.      Golpea un saco de box, el saco te regresa la misma fuerza.
3.      Dos esferas colgadas como péndulo, elevas la primera, golpea a la segunda, y la primera regresa en dirección contraria.
4.      Saltar, al impulsarte en el suelo lo avientas hacia abajo, y el suelo te regresa la misma fuerza, por lo que tu cuerpo se eleva con la misma fuerza.


Definición de fuerza y masa

Ø  Masa: es una medida cuantitativa de la inercia, es la oposición o resistencia de un cuerpo a un cambio en su velocidad o la posición sobre la aplicación de una fuerza. Cuanto mayor sea la masa de un cuerpo, menor será el cambio originado por una fuerza aplicada. Cabe resaltar, que la masa no es lo mismo que el peso, éste último varía según la posición de la masa en relación con la Tierra, pero es proporcional a la masa; dos masas iguales situadas en el mismo punto de un campo gravitatorio tienen el mismo peso.


Ø  Fuerza: es la magnitud vectorial por la cual un cuerpo puede deformarse, modificar su velocidad o bien ponerse en movimiento superando un estado de inercia e inmovilidad. fuerza también puede ser descrito por conceptos intuitivos como un empujón o un tirón que puede causar un objeto con masa para cambiar su velocidad (que incluye a comenzar a moverse de un estado de reposo), es decir, acelerar, o que pueden hacer que un objeto flexible a deformarse. Una fuerza tiene tanto magnitud y dirección, lo que es un vector de cantidad.

Esto puede apreciarse en los siguientes ejemplos:
o   Un objeto empuja a otro: un hombre levanta pesas sobre su cabeza.
o   Un objeto atrae a otro: el Sol atrae a la Tierra.
o   Un objeto repele a otro: un imán repele a otro imán.
o   Un objeto impulsa a otro: un jugador de fútbol impulsa la pelota con un cabezazo.
o   Un objeto frena a otro: un ancla impide que un barco se aleje.

Existen cuatro interacciones fundamentales en el universo: la gravitatoria, la electromagnética, la interacción nuclear fuerte y la interacción nuclear débil.

Ø  Gravitatoria: la fuerza de atracción que un trozo de materia ejerce sobre otro, y afecta a todos los cuerpos. La gravedad es una fuerza muy débil y de un sólo sentido, pero de alcance infinito.

Ø  Electromagnética: afecta a los cuerpos eléctricamente cargados, y es la fuerza involucrada en las transformaciones físicas y químicas de átomos y moléculas. Es mucho más intensa que la fuerza gravitatoria, tiene dos sentidos (positivo y negativo) y su alcance es infinito. Es la responsable de efectos como la luz, electricidad, magnetismo, los rayos, entre otros.

Ø  Nuclear fuerte: es la que mantiene unidos los componentes de los núcleos atómicos, y actúa indistintamente entre dos nucleones cualesquiera, protones o neutrones. Su alcance es del orden de las dimensiones nucleares, pero es más intensa que la fuerza electromagnética. Se establece para entender los procesos nucleares. No tiene solución exacta analítica.

Ø  Nuclear débil: es la responsable de la desintegración beta de los neutrones; los neutrinos son sensibles únicamente a este tipo de interacción. Su intensidad es menor que la de la fuerza electromagnética y su alcance es aún menor que el de la interacción nuclear fuerte.
Todo lo que sucede en el Universo es debido a la actuación de una o varias de estas fuerzas que se diferencian unas de otras porque cada una implica el intercambio de un tipo diferente de partícula, denominada partícula de intercambio o intermediaria. Todas las partículas de intercambio son bosones, mientras que las partículas origen de la interacción son fermiones.






 A medida que se fueron descubriendo estas interacciones y con el paso del tiepo se fueron creando teorías para lograr entenderlas:


  • Cromodinámica cuántica (QCD): es una teoría cuántica de campos que describe una de las fuerzas fundamentales, la interacción fuerte. Aunque es una teoria muy exitosa, ésta aun esta incompleta. Fue propuesta a comienzos de los años 70 por David Politzer, Frank Wilczek  y David Gross. Estos cientificos lograron descubrir cómo funciona la energía entre los quarks, la esencia de todo lo que tiene materia en el universo.

  • Electrodinámica cuántica (QED): es la teoría cuántica del campo electromagnético y es aquella teoria cientifica, demostrada, con mayor grado de presicion hasta la fecha. Describe los fenómenos que implican las partículas eléctricamente cargadas que obran recíprocamente por medio de la fuerza electromagnética. Esta teoria fue propuesta por Shin'ichirō Tomonaga, Julian Schwinger y Richard Feynman (siendo este ultimo el mas importante). Feynman desarrolló un método para estudiar las interacciones y propiedades de las partículas subatómicas utilizando los denominados diagramas de Feynman, que es una forma intuitiva de visualizar las interacciones de partículas atómicas en electrodinámica cuántica mediante aproximaciones gráficas en el tiempo.

  • Modelo electrodébil: es una teoría física que unifica la interacción débil y el electromagnetismo, dos de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. El modelo electrodébil fue desarrollado en la década de los años 1960 por Sheldon Lee Glashow, Abdus Salam y Steven Weinberg. Aunque, Enrico Fermi fue el primero en describir esta fuerza y predijo la existencia de una nueva particula, el neutrino (son partículas subatómicas de tipo fermiónico, sin carga y espín ½).

  • Gravedad cuántica: es el campo de la física teórica que procura unificar la teoría cuántica de campos, que describe tres de las fuerzas fundamentales de la naturaleza, con la relatividad general, la teoría de la cuarta fuerza fundamental: la gravedad. La gravedad es una fuerza muy débil y es esta debilidad lo que hace que sea difícil de comprender ya que es muy difícil de aislar y a nivel cuántico apenas se tienen datos sobre ella. Al ser tan difícil de comprender no se toma en cuenta para el modelo estándar por lo cual la teoría que se usa para describir la gravedad es la teoría de la relatividad propuesta por Albert Einstein. Ésta se ha convertido en una de las teorías más importantes en las ciencias físicas y ha sido la base para que los físicos demostraran la unidad esencial de la materia y la energía, el espacio y el tiempo, y la equivalencia entre las fuerzas de la gravitación y los efectos de la aceleración de un sistema.

  • Mecanismo de Higgs: Permitió establecer la unificación entre la teoría electromagnética y la teoría nuclear débil, que se denominó Teoría del campo unificado. El bosón de Higgs o partícula de Higgs es una partícula elemental propuesta en el Modelo estándar de física de partículas. Recibe su nombre en honor a Peter Higgs quien, junto con otros, propuso en 1964 el hoy llamado mecanismo de Higgs para explicar el origen de la masa de las partículas elementales.



Fuerza de fricción

Es realmente la oposición al movimiento de los cuerpos y se da en todos los medios conocidos (sólidos, líquidos y gaseosos). Atendiendo a que las superficie de los cuerpos en contacto no son idealmente lisas es imposible desaparecer esta fuerza, que en unos casos resulta necesaria reducir y en otros aumentar, ya que la fricción es una fuerza con sentido contrario a la fuerza aplicada.
De no ser por la existencia de esta fuerza, no podríamos detenernos una vez puestos en marcha: los vehículos no avanzarían, pues la fricción sirve de apoyo a las ruedas para impulsarse y en su ausencia solo girarían sin avanzar.

Formulación

Debemos señalar que existe una fuerza de fricción estática (objetos en reposo) y fricción cinética (objetos en movimiento), cuyas fórmulas matemáticas son las siguientes:


En que fe es la fuerza de fricción estática, n es el coeficiente de fricción estática y N la fuerza normal que en el caso de superficie horizontal es el peso.


fc es la fuerza de fricción cinética, h coeficiente de fricción cinética y N la fuerza normal siempre para superficies en contacto.


Esta fuerza depende mucho de la naturaleza de los materiales en contacto, es decir que tan rugososos sean, pero también de la fuerza normal o peso de un cuerpo sobre otro en el cual descansa.


Cómo se produce la fuerza de fricción

La fricción estática se diferencia de la cinética por ser mayor que esta, ya que un cuerpo en reposo al recibir una fuerza de aplicación que va en ascenso desde un valor cero hasta un determinado valor, permanece en reposo solo hasta que la fuerza aplicada supera el valor máximo de la fricción estática. En ese momento, el cuerpo comienza a moverse y la fricción se denomina cinética.

Incremento de la fuerza de fricción


En el diseño de llantas para vehículos, es necesario que la superficie de contacto con la calzada (superficie de la carretera) sea rugosa para que el vehículo no resbale y pueda detenerse casi instantáneamente al frenar. Sucede lo mismo que con la suela de los zapatos, en muchos casos debe llevar muchos grabados para evitar resbalones, sobre todo cuando el piso es bastante liso.

Reducción de la fuerza de fricción


En el caso de patinaje, se hace necesario que la superficie del suelo esté hecha de hielo y el pie descanse sobre patines lisos de metal y delgados, lo que reduce la fricción y hace que el desplazamiento sea mayor. En la industria es muy utilizado la grasa y el aceite como lubricantes para reducir la fricción entre componentes y, con ella, las pérdidas de energía, lo que reduce los costos de la misma.


La forma general de escribir la ecuación para la fuerza de fricción es de la siguiente manera:

                                                       Donde Ff  es la fuerza de fricción mientras que μ es el coeficiente de fricción.


Coeficientes de rozamiento de algunas sustancias
Materiales en contacto
Fricción estática
Fricción cinética
Hielo // Hielo
0.1
0.03
Vidrio // Vidrio
0.9
0.4
Vidrio // Madera
0.25
0.2
Madera // Cuero
0.4
0.3
Madera // Piedra
0.7
0.3
Madera // Madera
0.4
0.3
Acero // Acero
0.74
0.57
Acero // Hielo
0.03
0.02
Acero // Latón
0.5
0.4
Acero // Teflón
0.04
0.04
Teflón // Teflón
0.04
0.04
Caucho // Cemento (seco)
1.0
0.8
Caucho // Cemento (húmedo)
0.3
0.25
Cobre // Hierro (fundido)
1.1
0.3
Esquí (encerado) // Nieve (0ºC)
0.1
0.05
Articulaciones humanas
0.01
0.003

















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