Leyes de Newton

Te explicamos qué son las leyes de Newton y cuáles son sus fundamentos teóricos. Además, sus características y aplicaciones.

¿Qué son las Leyes de Newton?

Se conoce como las leyes de Newton o las leyes del movimiento de Newton al conjunto de principios teóricos que explican la mayoría de los fenómenos que observa y estudia la mecánica clásica, una rama de la física que analiza el movimiento y la energía de los cuerpos.

Estas leyes son la piedra angular de la física moderna, junto con las transformaciones de Galileo que, al cotejarse con las Leyes de gravitación universal, permiten obtener y explicar las Leyes de Kepler que dan cuenta del movimiento planetario.

Estas leyes fueron publicadas en 1687 en la obra Philosophiae naturalis principia mathematica de Newton (“Principios matemáticos de la filosofía natural”), entre otros descubrimientos de mecánica y cálculo matemático, considerada la obra científica más importante de la historia de la física.

Ver además: Leyes de la termodinámica

¿Quién fue Isaac Newton?

Isaac Newton fue un físico, teólogo, filósofo y matemático inglés, a quien se atribuye la invención del cálculo matemático y numerosos estudios sobre la óptica y la luz.

Sus aportes a la matemática y la física son numerosos y reconocidos, tales como el descubrimiento del espectro de color de la luz, la formulación de una ley de conducción térmica, propuestas sobre el origen de las estrellas, estudios de la velocidad del sonido en el aire y de la mecánica de fluidos.

Su gran obra, sin embargo, es la Philosophiae naturalis principia mathematica y, sobretodo, las tres leyes del movimiento.

Antecedentes históricos a sus leyes

Las especulaciones del filósofo griego Aristóteles respecto al movimiento se consideraron válidas durante muchos siglos, incluso a pesar de contarse con sospechas de su inexactitud.

Posteriores estudiosos del movimiento como el español Juan de Celaya y su discípulo Domingo de Soto, continuaron los estudios del movimiento uniformemente acelerado y de la caída libre, sentando las bases para lo que luego serían los revolucionarios estudios del italiano Galileo Galilei (quien introdujo los pasos del método científico) y los del británico Isaac Newton (quien formuló por primera vez los principios completos del movimiento).

Fundamentos teóricos

Las formulaciones elementales de Newton partieron de la consideración del movimiento como la traslación de un objeto de un lugar a otro, entendiéndolo como un concepto relativo respecto a un origen que, a su vez, puede estar en movimiento con respecto a otro punto de referencia, es decir, Newton comprendía la importancia de distinguir entre el movimiento relativo y el absoluto.

Newton partió del concepto de masa (m), que consideró como la cantidad de materia presente en un cuerpo. La cantidad de movimiento se entiende como la masa multiplicada por la velocidad (v).

Primera ley de Newton: Ley de la inercia

La primera Ley de Newton viene a contradecir un principio formulado por Aristóteles, que postulaba que un cuerpo sólo puede conservar su movimiento si se le aplica una fuerza sostenida. La ley de Newton establece que: “Todo cuerpo persevera en su estado de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme a no ser que sea obligado a cambiar su estado por fuerzas impresas sobre él”.

Así, un objeto que se desplaza o que reposa no puede alterar su estado sin que se le aplique algún tipo de fuerza. El movimiento según este principio es una dimensión vectorial (que posee dirección y sentido), y permite calcular la aceleración (positiva o negativa) a partir de la variación de las velocidades.

Sistemas de referencia inercial

Esta primera ley permite la definición de un tipo especial de sistemas de referencia que se conocen como sistemas de referencia inerciales. Con ellos, se puede distinguir entre el movimiento aparente de un objeto, si el observador se encuentra moviéndose con él, o si por el contrario se encuentra en un punto fijo con respecto al objeto en movimiento:

• Observadores inerciales. Son aquellos en cuya perspectiva se cumplen las leyes de Newton porque observan desde “afuera” y desde un punto estático el movimiento del objeto. De existir, podrían apreciar el movimiento “verdadero”.
• Observadores no inerciales. Son los que se encuentran sometidos a fuerzas y, por lo tanto, su perspectiva del movimiento es relativa, ya que están inmersos en el conjunto de las fuerzas del plano del objeto.

Segunda ley de Newton: Ley fundamental de la dinámica

Esta ley se ocupa de definir el concepto de fuerza (F). En principio expresa: “El cambio de un movimiento es directamente proporcional a la fuerza motriz impresa en él y tiene lugar según la línea recta a lo largo de la cual aquella fuerza se imprime”. Esto quiere decir que la aceleración de un objeto en movimiento responde a la cantidad de fuerza que se aplique para modificar su desplazamiento.

De allí nace la ecuación fundamental de la dinámica, para objetos de masa constante: Fuerza resultante (F_resultante) = masa (m) x aceleración (a). Una fuerza neta actúa sobre un cuerpo de masa constante y le proporciona una aceleración proporcionada.

En los casos en que la masa no sea constante, esta fórmula variará, y se escribirá en función de la cantidad de movimiento (p), calculable según la fórmula: Cantidad de movimiento (p) = masa (m) x velocidad (v). Por ende:

F_neta = d (m.v) / dt. Así se puede relacionar la fuerza con la aceleración y la masa, sin importar si ésta última es variable.

Conservación de la cantidad de movimiento

Este principio, que se desprende de la Segunda Ley de Newton, permite describir la física de los choques entre objetos móviles:

• Choque elástico. Se conservan la cantidad de movimiento (p) y la energía cinética de los objetos en choque.
• Choque inelástico. Se conserva la cantidad de movimiento del sistema de los dos cuerpos (p) pero no así la energía cinética de los objetos en el choque. Ambos cuerpos pueden sufrir deformaciones y aumento de temperatura, pudiendo permanecer unidos entre sí luego de la colisión.

Tercera ley de Newton: principio de acción y reacción

Esta ley estipula: “A toda acción le corresponde una reacción igual pero en sentido contrario, es decir, las acciones mutuas de dos cuerpos siempre son iguales y dirigidas en sentido opuesto”. Esto significa que por cada fuerza que se ejerce sobre un objeto, este ejerce una fuerza igual pero en sentido contrario sobre el primero.

Así, si dos objetos 1 y 2 interactúan, la fuerza ejercida por 1 sobre 2 será igual en magnitud a la ejercida por 2 sobre 1, pero de signo opuesto: F12 = ­F21. A la primera se le llamará “acción” y a la segunda “reacción”.

Demostración de la tercera ley

Es simple demostrar esta tercera ley a partir de experimentos cotidianos. Por ejemplo, cuando dos personas de peso similar se empujan recíprocamente ambas reciben el impulso pero salen despedidas en sentido opuesto. Lo mismo ocurre cuando hacemos rebotar una pelota en la pared: saldrá despedida en dirección contraria con igual fuerza a la que le imprimimos al arrojarla.

Aportaciones posteriores a Newton

Luego de las formulaciones de Newton, muchos científicos posteriores han estudiado los principios y los han simplificado para su aplicación a sistemas no inerciales, tales como Jean d’Alembert en su Tratado de la dinámica (1743) o Louis de Lagrange en el siglo XIX.

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