DINÁMICA: PRIMERA LEY DE NEWTON

PRIMERA LEY DE NEWTON

¿Por qué los objetos pierden rapidez?

Antes de Galileo y Newton, mucha gente pensaba que los objetos perdían rapidez debido a que tenían incorporada una tendencia natural para hacerlo. Pero esas personas no estaban tomando en cuenta las múltiples fuerzas aquí en la Tierra —por ejemplo, la fricción, la gravedad y la resistencia del aire— que causan que los objetos cambien su velocidad. Si pudiéramos ver el movimiento de un objeto en el espacio interestelar profundo, seríamos capaces de observar las tendencias naturales de un objeto que está libre de cualquier influencia externa. En el espacio interestelar profundo observaríamos que si un objeto tuviera una velocidad, continuaría moviéndose con esa velocidad hasta que hubiera alguna fuerza que causara un cambio en su movimiento. Del mismo modo, si un objeto estuviera en reposo en el espacio interestelar, se mantendría en reposo hasta que hubiera una fuerza que causara un cambio en su movimiento.

En el siguiente video, podemos ver que los objetos en la estación espacial internacional permanecen en reposo o continúan con velocidad constante relativa a la estación espacial hasta que son sujetos a alguna fuerza.

La idea de que los objetos solo cambian su velocidad debido a una fuerza, está englobada en la primera ley de Newton.

Primera ley de Newton: un objeto en reposo permanece en reposo o, si está en movimiento, permanece en movimiento a una velocidad constante, a menos que una fuerza externa neta actúe sobre él.

Observa el uso repetido del verbo "permanece". Podemos pensar esta ley como la que preserva el estado actual del movimiento. La primera ley de movimiento de Newton establece que debe haber una causa —que es una fuerza externa neta— para que haya un cambio en la velocidad, sea en magnitud o en dirección. Un objeto deslizándose a lo largo de una mesa o del piso pierde rapidez debido a la fuerza neta de fricción que actúa sobre él. Pero en una mesa de hockey de aire, donde el aire mantiene el disco separado de la mesa, el disco continúa moviéndose aproximadamente a velocidad constante hasta que una fuerza actúa sobre él, como cuando golpea algún lado de la mesa.

¿Qué significa fuerza, fueza externa y fuerza neta?

Una fuerza es un empujón o un jalón ejercido sobre un objeto por otro objeto. Las unidades de la fuerza $F$F se llaman Newtons o simplemente $\text{N}$start text, N, end text.

Una fuerza externa es una fuerza que se origina desde fuera de un objeto, en vez de ser una fuerza interna de un objeto. Por ejemplo, la fuerza de gravedad que la Tierra ejerce sobre la Luna es una fuerza externa sobre la Luna. Sin embargo, la fuerza de gravedad que el núcleo interno de la Luna ejerce sobre sí misma es una fuerza interna. Las fuerzas internas dentro de un objeto no pueden causar cambios en el movimiento total del objeto.

La fuerza neta, escrita como $\Sigma F$\Sigma, F, sobre un objeto, es la fuerza total sobre ese objeto. Si muchas fuerzas actúan sobre un objeto, entonces la fuerza neta es la suma de todas las fuerzas. Pero ten cuidado, como la fuerza $F$F es un vector, para encontrar la fuerza neta $\Sigma F$\Sigma, F, las fuerzas deben ser sumadas como vectores usando suma de vectores.

En otras palabras, si a una caja de burritos congelados se le aplicara una fuerza con una magnitud de 45 Newtons hacia la derecha y una fuerza con una magnitud de 30 Newtons hacia la izquierda, la fuerza neta en la dirección horizontal sería

$\Sigma F_{\text{horizontal}}=45\text{ N}-30\text{ N}$\Sigma, F, start subscript, start text, h, o, r, i, z, o, n, t, a, l, end text, end subscript, equals, 45, start text, space, N, end text, minus, 30, start text, space, N, end text

$\Sigma F_{\text{horizontal}}=15\text{ N}$\Sigma, F, start subscript, start text, h, o, r, i, z, o, n, t, a, l, end text, end subscript, equals, 15, start text, space, N, end text

Suponiendo que la derecha sea la dirección positiva.

La primera ley de Newton dice que si la fuerza neta sobre un objeto es cero ($\Sigma F=0$\Sigma, F, equals, 0), entonces ese objeto tendrá cero aceleración. Esto no necesariamente significa que el objeto está en reposo, sino que la velocidad es constante; en otras palabras, velocidad constante cero (en reposo) o velocidad constante distinta de cero (moviéndose con una velocidad constante).

Para la caja de burritos congelados, si la fuerza hacia la derecha tuviera una magnitud de 45 Newtons y la fuerza hacia la izquierda tuviera una magnitud de 45 Newtons, la fuerza neta sería cero. La caja de burritos seguiría moviéndose con velocidad constante, si comenzó con una velocidad antes de que las fuerzas se aplicaran, o permanecería en reposo, si ya estaba en reposo antes de que las fuerzas se aplicaran.

¿Qué significa la masa?

La propiedad de un cuerpo de permanecer en reposo o permanecer en movimiento con velocidad constante se llama inercia. La primera ley de Newton a menudo es llamada la ley de la inercia. Como sabemos por experiencia, algunos objetos tienen mayor inercia que otros. Obviamente es más difícil cambiar el movimiento de una roca grande que el de una pelota de básquetbol, por ejemplo.

La inercia de un objeto se mide por su masa. La masa puede ser determinada al medir qué tan difícil le resulta a un objeto acelerar. Mientras más masa tenga un objeto, más difícil le será acelerar.

También, en términos generales, mientras mas "sustancia" —o materia— haya en algo, más masa tendrá, y más difícil será cambiar su velocidad, es decir, acelerarlo.

¿Cómo se ven algunas preguntas resueltas que involucran la primera ley de Newton?

Ejemplo 1: sonda espacial a la deriva

Una sonda espacial a la deriva se mueve hacia la derecha con velocidad constante en el espacio profundo interestelar, lejos de cualquier influencia debida a planetas y estrellas, con sus cohetes apagados. Si dos de sus propulsores se encendieran simultáneamente, ejerciendo fuerzas idénticas hacia la derecha y hacia la izquierda en las direcciones mostradas, ¿qué le pasaría al movimiento del cohete?

a. La sonda espacial continuaría con velocidad constante.
b. La sonda espacial aumentaría su rapidez. c. La sonda espacial disminuiría su rapidez y eventualmente se detendría.
d. La sonda espacial se detendría inmediatamente.

La respuesta correcta es a. De acuerdo con la primera ley de Newton, una fuerza neta distinta de cero es necesaria para cambiar la velocidad de un objeto. La fuerza neta sobre la sonda espacial es cero —ya que las fuerzas sobre ella se cancelan— por lo que no hay un cambio en la velocidad de la sonda.

Ejemplo 2: subida en un elevador

Un elevador está siendo jalado hacia arriba a una velocidad constante por un cable, como se muestra en el siguiente diagrama. Mientras el elevador se mueve hacia arriba con una velocidad constante, ¿cómo se compara la magnitud de la fuerza hacia arriba ejercida por el cable $\redD{F_c}$start color #e84d39, F, start subscript, c, end subscript, end color #e84d39 con la magnitud de la fuerza hacia abajo $\greenD{F_g}$start color #1fab54, F, start subscript, g, end subscript, end color #1fab54 sobre el elevador debida a la gravedad?

a. $\redD{F_c}$start color #e84d39, F, start subscript, c, end subscript, end color #e84d39 es mayor que $\greenD{F_g}$start color #1fab54, F, start subscript, g, end subscript, end color #1fab54.
b. $\redD{F_c}$start color #e84d39, F, start subscript, c, end subscript, end color #e84d39 es igual que $\greenD{F_g}$start color #1fab54, F, start subscript, g, end subscript, end color #1fab54.
c. $\redD{F_c}$start color #e84d39, F, start subscript, c, end subscript, end color #e84d39 es menor que $\greenD{F_g}$start color #1fab54, F, start subscript, g, end subscript, end color #1fab54.
d. $\redD{F_c}$start color #e84d39, F, start subscript, c, end subscript, end color #e84d39 podría ser mayor o menor que $\greenD{F_g}$start color #1fab54, F, start subscript, g, end subscript, end color #1fab54, dependiendo de la masa del elevador.

La respuesta correcta es b. Si el elevador se está moviendo con velocidad constante, la fuerza neta debe ser cero. Para que la fuerza neta sobre el elevador sea cero, las fuerzas hacia arriba y hacia abajo deben cancelarse exactamente.