Leyes de Newton: inercia, fuerza y masa, acción y reacción

Fuerzas y fuerza resultante

Una fuerza es una interacción entre dos cuerpos que puede cambiar su movimiento o deformarlos. Se mide en newtons (N) con un dinamómetro y se dibuja como una flecha, porque importa hacia dónde se aplica: es una magnitud vectorial. Sobre un cuerpo suelen actuar varias a la vez: su peso, la fuerza del suelo que lo sostiene (la normal), la de una cuerda, el rozamiento…

Lo que decide el movimiento es la fuerza resultante, la suma de todas. Si van en la misma dirección, se suman las de un sentido y se restan las del contrario. Si son perpendiculares, la resultante se calcula con el teorema de Pitágoras: 30 N y 40 N perpendiculares dan 50 N.

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Primera ley: la inercia

Si la fuerza resultante sobre un cuerpo es cero, el cuerpo no cambia su movimiento: si estaba quieto, sigue quieto; si se movía, sigue en línea recta a la misma velocidad. Un cuerpo no necesita una fuerza para moverse, sino para acelerar, frenar o girar. Por eso, cuando un autobús frena de golpe, los pasajeros siguen hacia delante, y por eso el cinturón de seguridad salva vidas. Galileo ya lo había intuido; Newton lo publicó en 1687 en sus Principios matemáticos de la filosofía natural.

Segunda ley: fuerza, masa y aceleración

La aceleración de un cuerpo es proporcional a la fuerza resultante y tiene su misma dirección y sentido; cuanta más masa, menos acelera con la misma fuerza: F = m · a. Un newton es la fuerza que da a 1 kg una aceleración de 1 m/s². Empujar un carro de la compra vacío o lleno con la misma fuerza lo muestra.

El peso es la fuerza con que la Tierra atrae a un cuerpo: P = m · g, con g = 9,8 m/s². No hay que confundirlo con la masa: un saco de cemento de 25 kg pesa 245 N; en la Luna pesaría unas seis veces menos, pero su masa sería la misma (el peso en otros astros se calcula en el tema de la gravitación universal).

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Tercera ley: acción y reacción

Si un cuerpo A ejerce una fuerza sobre otro B, B ejerce sobre A una fuerza igual y de sentido contrario. Al nadar empujas el agua hacia atrás y el agua te empuja hacia delante; un cohete expulsa gases hacia abajo y los gases lo empujan hacia arriba. Las dos fuerzas actúan sobre cuerpos distintos, así que nunca se anulan entre sí. Por eso el peso de un libro y la normal de la mesa no son una pareja de acción y reacción: las dos actúan sobre el libro. La reacción del peso es la fuerza con que el libro atrae a la Tierra.

El diagrama de cuerpo libre y el rozamiento

Para resolver un problema se aísla el cuerpo y se dibujan todas las fuerzas que actúan sobre él, y solo esas: es el diagrama de cuerpo libre. Luego se aplica la segunda ley en cada dirección. En un suelo horizontal, la normal equilibra al peso; el rozamiento se opone al deslizamiento y, cuando el cuerpo desliza, vale Fr = μ · N (si está quieto puede valer menos, hasta ese máximo), donde μ, el coeficiente de rozamiento, depende de las dos superficies (es mayor entre goma y asfalto seco que sobre hielo).

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