Primera ley de Newton: fórmulas, experimentos y ejercicios
La primera ley de Newton, también conocida como la ley de inercia, fue propuesta por primera vez por Isaac Newton, físico, matemático, filósofo, teólogo, inventor y alquimista inglés. Esta ley establece lo siguiente: “Sí un objeto no está sometido a fuerza alguna, o bien si las fuerzas que sobre él actúan se cancelan unas a otras, entonces continuará moviéndose con rapidez constante en línea recta.”
En este enunciado la palabra clave es continuará. Si se cumplen las premisas de la ley, entonces el objeto continuará con su movimiento tal y como lo tenía. A menos que una fuerza no equilibrada aparezca y cambie el estado de movimiento.
Esto significa que si el objeto está en reposo continuará en reposo, excepto si una fuerza lo saca de ese estado. También significa que si un objeto está moviéndose con una rapidez fija en dirección recta, continuará moviéndose de esa manera. Solamente cambiará cuando algún agente externo ejerza sobre él una fuerza y cambie su velocidad.
Índice del artículo
- 1 Antecedentes de la ley
- 2 La visión pre newtoniana
- 3 Experimentos acerca de la inercia
- 4 Explicación de la primera ley de Newton
- 5 Ejercicios resueltos
- 6 Artículos de interés
- 7 Referencias
Isaac Newton nació en Woolsthorpe Manor (Reino Unido) el 4 de enero de 1643 y falleció en Londres en 1727.
No se sabe con certeza la fecha exacta en que Sir Isaac Newton descubrió sus tres leyes de la dinámica, incluida la primera ley. Pero sí se sabe que fue mucho antes de la publicación del famoso libro Principios matemáticos de filosofía natural, el 5 de julio de 1687.
El diccionario de la Real Academia Española define la palabra inercia así:
“Propiedad de los cuerpos de mantener su estado de reposo o movimiento si no es por la acción de una fuerza”.
Este término se usa también para afirmar que una situación cualquiera se mantiene sin cambios porque no se ha hecho algún esfuerzo para lograrlo, por lo tanto a veces la palabra inercia tiene connotación de rutina o desidia.
Anterior a Newton las ideas predominantes eran las del gran filósofo griego Aristóteles, quien afirmaba que para que un objeto se mantenga en movimiento es necesario que sobre él actúe una fuerza. Cuando la fuerza cesa, entonces también lo hará el movimiento. No es así, pero aún hoy en día muchos piensan que sí.
Galileo Galilei, brillante astrónomo y físico italiano que vivió entre 1564 y 1642, experimentó y analizó el movimiento de los cuerpos.
Una de las observaciones de Galileo fue que un cuerpo que desliza sobre una superficie lisa y pulida con cierto impulso inicial, tarda más en detenerse y tiene mayor recorrido en línea recta, en la medida que la fricción entre el cuerpo y la superficie sea menor.
Es evidente que Galileo manejó la idea de la inercia, pero no llegó a formular un enunciado tan preciso como Newton.
A continuación proponemos algunos simples experimentos, los cuales el lector puede llevar a cabo y corroborar los resultados. También se analizarán las observaciones según la visión aristotélica del movimiento y la visión newtoniana.
Se impulsa una caja sobre el piso y luego se suspende la fuerza impulsora. Observamos que la caja recorre un pequeño trayecto hasta que se detiene.
Interpretemos el experimento anterior y su resultado, en el marco de las teorías anteriores a Newton y luego según la primera ley.
En la visión aristotélica la explicación estaba muy clara: la caja se detuvo porque la fuerza que la movía fue suspendida.
En la visión newtoniana la caja sobre el piso/suelo no puede seguir moviéndose con la velocidad que tenía al momento que la fuerza fue suspendida, porque entre el piso y la caja hay una fuerza no balanceada, que hace que la velocidad disminuya hasta que la caja se detiene. Se trata de la fuerza de rozamiento.
En este experimento no se cumplen las premisas de la primera ley de Newton, por eso la caja se detuvo.
De nuevo se trata de la caja sobre el piso/suelo. En esta oportunidad se mantiene la fuerza sobre la caja, de modo tal que compense o balancee la fuerza de roce. Esto ocurre cuando logramos que la caja siga con rapidez constante y en dirección recta.
Este experimento no contradice la visión aristotélica del movimiento: la caja se mueve con rapidez constante porque sobre ella se ejerce un fuerza.
Tampoco contradice el planteamiento de Newton, debido a que todas las fuerzas que actúan sobre la caja se equilibran. Veamos:
- En la dirección horizontal la fuerza ejercida sobre la caja es igual y de dirección contraria a la fuerza de rozamiento entre la caja y el piso.
- Entonces la fuerza neta en la dirección horizontal es cero, es por eso que la caja mantiene su rapidez y dirección.
También en la dirección vertical las fuerzas se equilibran, porque el peso de la caja que es una fuerza que apunta verticalmente hacia abajo es exactamente compensada por la fuerza de contacto (o normal) que el suelo ejerce sobre la caja verticalmente hacia arriba.
Por cierto, el peso de la caja se debe a la atracción gravitacional de la Tierra.
Seguimos con la caja apoyada sobre el piso. En la dirección vertical las fuerzas están equilibradas, es decir que la fuerza vertical neta es nula. Ciertamente sería muy sorprendente que la caja se moviera hacia arriba. Pero en la dirección horizontal hay fuerza de roce.
Ahora bien, para que se cumpla la premisa de la primera ley de Newton, necesitamos reducir el roce a su mínima expresión. Esto lo podemos lograr de manera bastante aproximada si buscamos una superficie muy lisa a la que le rociamos aceite de silicona.
Como el aceite de silicona reduce la fricción casi a cero, entonces cuando esta caja se lance horizontalmente, mantendrá su rapidez y dirección por un largo tramo.
Es el mismo fenómeno que ocurre con un patinador sobre una pista de hielo, o con el disco de hockey sobre hielo cuando son impulsados y dejados ir por su propia cuenta.
En las situaciones descritas, en las que el roce se reduce casi a cero, la fuerza resultante es prácticamente nula y el objeto mantiene su velocidad, de acuerdo con la primera ley de Newton.
En la visión aristotélica esto no podría ocurrir, porque según esta ingenua teoría, el movimiento solo ocurre cuando hay una fuerza neta sobre el objeto en movimiento.
La masa es una cantidad física que indica la cantidad de materia que contiene un cuerpo u objeto.
La masa entonces es una propiedad intrínseca de la materia. Pero la materia está compuesta de átomos, los cuales tienen masa. La masa del átomo está concentrada en el núcleo. Son los protones y neutrones del núcleo los que prácticamente definen la masa del átomo y la materia.
La masa se mide generalmente en kilogramos (kg), es la unidad básica del sistema internacional de unidades (SI).
El prototipo o referencia de kg es un cilindro de platino e iridio que se guarda en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas en Sèvres en Francia, aunque en 2018 se le vinculó a la constante de Planck y la nueva definición entra en vigencia a partir del 20 de mayo de 2019.
Pues bien, sucede que la inercia y la masa se relacionan. A mayor masa, mayor inercia tiene un objeto. Es mucho más difícil o costoso en términos de energía cambiar el estado de movimiento de un objeto más masivo que otro menos masivo.
Por ejemplo, se requiere mucha más fuerza y mucho más trabajo sacar del reposo una caja de una tonelada (1000 kg) que otra de un kilogramo (1 kg). Por eso se suele decir que la primera tiene más inercia que la segunda.
Debido a la relación entre inercia y masa, Newton se dio cuenta que la velocidad por sí sola no es representativa del estado de movimiento. Por eso definió una cantidad conocida como cantidad de movimiento o momentum que se denota con la letra p y es el producto de la masa m por la velocidad v:
p = m v
La negrita en la p y en la v indican que se trata de cantidades físicas vectoriales, es decir que son cantidades con magnitud, dirección y sentido.
En cambio la masa m es una cantidad escalar, a la cual se le asigna un número que puede ser mayor o igual a cero, pero nunca negativo. Hasta el momento presente no se ha encontrado en el universo conocido algún objeto de masa negativa.
Newton llevó su imaginación y abstracción al extremo, definiendo la llamada partícula libre. Una partícula es un punto material. Es decir, es como un punto matemático pero con masa:
Una partícula libre es aquella partícula que está tan aislada, tan lejos de otro objeto en el universo que nada puede ejercer alguna interacción o fuerza sobre ella.
Más tarde Newton pasó a definir los sistemas inerciales de referencia, que serán aquellos en los que se aplican sus tres leyes del movimiento. He aquí las definiciones de acuerdo a estos conceptos:
Todo sistema de coordenadas ligado a una partícula libre, o que se traslade a velocidad constante respecto a la partícula libre será un sistema inercial de referencia.
Si una partícula es libre, entonces tiene cantidad de movimiento constante respecto a un sistema inercial de referencia.
Un disco de hockey se 160 gramos va sobre la pista de hielo a 3 Km/h. Halle su cantidad de movimiento.
Solución
La masa del disco en kilogramos es: m=0.160 kg.
La velocidad en metros sobre segundo: v= (3 / 3.6) m/s = 0.8333 m/s
La cantidad de movimiento o momentum p se calcula así: p = m*v = 0.1333 kg* m/s,
La fricción en el disco anterior se considera nula, por eso se conserva el momentum mientras nada altere el curso recto del disco. Sin embargo se sabe que sobre el disco actúan dos fuerzas: el peso del disco y la fuerza de contacto o normal que el piso ejerce sobre el mismo.
Calcule el valor de la fuerza normal en newtons y su dirección.
Solución
Como se conserva el momentum, la fuerza resultante sobre el disco de hockey debe ser cero. El peso apunta verticalmente hacia abajo y vale: P = m *g = 0.16 kg * 9.81 m/s²
La fuerza normal necesariamente debe contrarrestar al peso, por eso debe apuntar verticalmente hacia arriba y su magnitud será de 1.57 N.
Ejemplos de la ley de Newton en la vida real.
- Alonso M., Finn E. Física volumen I: Mecánica. 1970. Fondo Educativo Interamericano S.A.
- Hewitt, P. Conceptual Physical Science. Fifth edition. Pearson. 67-74.
- Young, Hugh. University Physics with Modern Physics. 14th Ed. Pearson. 105 – 107.