Dinámica y leyes de Newton

La idea

Qué vas a aprender

• La fuerza como interacción, no como propiedadconcepto

  Es tentador pensar la fuerza como algo que "tiene" un objeto, como si fuera un color o un peso propio. Pero en física la fuerza es siempre el resultado de una interacción entre dos cuerpos: no existe una fuerza "sola", existe la fuerza que un cuerpo hace sobre otro. Cuando pateás una pelota, vos ejercés una fuerza sobre ella (y ella, como se va a ver, ejerce una sobre tu pie). Se mide en newton (N), y como tiene magnitud, dirección y sentido, es una magnitud vectorial: no alcanza con decir "hay una fuerza de 10 N", hay que decir hacia dónde apunta.

• Primera ley: el principio de inerciaconcepto

  "Todo cuerpo permanece en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme, a menos que una fuerza neta actúe sobre él."

  Esta ley rompe con la intuición cotidiana de que "hace falta fuerza para mantener algo en movimiento". En realidad, hace falta fuerza para cambiar el movimiento (frenarlo, acelerarlo, desviarlo); si no hay fuerza neta, el cuerpo sigue como estaba. Que un objeto que se desliza por el piso se detenga solo no contradice esto: se detiene porque el rozamiento (una fuerza) actúa sobre él, no porque "se le acabe el movimiento". La inercia es esa resistencia natural de todo cuerpo a cambiar su estado de movimiento, y depende de su masa: cuanto más masa, más cuesta cambiarle el movimiento. Por eso, cuando el colectivo frena de golpe, tu cuerpo "sigue de largo" un instante: no hay ninguna fuerza misteriosa empujándote hacia adelante, simplemente tu cuerpo tiende a seguir moviéndose hasta que el asiento o el cinturón te aplican la fuerza que te frena a vos también.

• Segunda ley: fuerza, masa y aceleraciónconcepto

  "La aceleración de un cuerpo es proporcional a la fuerza neta que actúa sobre él, e inversamente proporcional a su masa."

  $$F_{neta} = m \cdot a$$

  Esta es la ley que permite calcular. Si conocés la masa de un cuerpo y la fuerza neta que actúa sobre él, podés predecir exactamente cuánto va a acelerar. Empujar el mismo carrito de supermercado vacío o lleno con la misma fuerza produce aceleraciones muy distintas, porque la masa cambia. Y si sobre un cuerpo actúan varias fuerzas a la vez (el peso, el rozamiento, el empuje de una mano), lo que importa es la fuerza neta: la suma vectorial de todas ellas. Si esa suma da cero, el cuerpo no acelera —está en equilibrio— aunque haya varias fuerzas actuando.

• Tercera ley: acción y reacciónconcepto

  "Si un cuerpo A ejerce una fuerza sobre un cuerpo B, entonces B ejerce sobre A una fuerza de igual magnitud, misma dirección y sentido opuesto."

  Estas dos fuerzas —acción y reacción— actúan siempre sobre cuerpos distintos, nunca se cancelan entre sí (por eso el movimiento sí es posible). Cuando remás en un kayak, el remo empuja el agua hacia atrás y el agua empuja el remo (y con él, a vos) hacia adelante. Cuando caminás, tu pie empuja el piso hacia atrás y el piso te empuja a vos hacia adelante. Un cohete despega expulsando gases hacia abajo a gran velocidad; la reacción de esos gases sobre el cohete lo impulsa hacia arriba, incluso en el vacío del espacio, donde no hay nada contra qué "hacer palanca".

• Modelizar situaciones cotidianasconcepto

  Aplicar estas leyes a un problema real implica identificar todas las fuerzas que actúan sobre un cuerpo (peso, normal, rozamiento, tensión, empuje), sumarlas vectorialmente, y usar $F = m \cdot a$ para encontrar la aceleración o, a partir de ella, predecir posición y velocidad en el tiempo. Ese proceso —pasar de una situación concreta a un modelo matemático que se puede resolver y después reinterpretar en la situación real— es el corazón del trabajo del físico, y es la misma lógica que después se usa para estudiar la energía y la cantidad de movimiento.

Ejemplos resueltos

• Es tentador pensar la fuerza como algo que "tiene" un objeto, como si fuera un color o un peso propio. Pero en física la fuerza es siempre el resultado de una interacción entre dos cuerpos: no existe una fuerza "sola", existe la fuerza que un cuerpo hace sobre otro. Cuando pateás una pelota, vos ejercés una fuerza sobre ella (y ella, como se va a ver, ejerce una sobre tu pie). Se mide en newton (N), y como tiene magnitud, dirección y sentido, es una magnitud vectorial: no alcanza con decir "hay una fuerza de 10 N", hay que decir hacia dónde apunta.
• "Todo cuerpo permanece en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme, a menos que una fuerza neta actúe sobre él."
• Esta ley rompe con la intuición cotidiana de que "hace falta fuerza para mantener algo en movimiento". En realidad, hace falta fuerza para cambiar el movimiento (frenarlo, acelerarlo, desviarlo); si no hay fuerza neta, el cuerpo sigue como estaba. Que un objeto que se desliza por el piso se detenga solo no contradice esto: se detiene porque el rozamiento (una fuerza) actúa sobre él, no porque "se le acabe el movimiento". La inercia es esa resistencia natural de todo cuerpo a cambiar su estado de movimiento, y depende de su masa: cuanto más masa, más cuesta cambiarle el movimiento. Por eso, cuando el colectivo frena de golpe, tu cuerpo "sigue de largo" un instante: no hay ninguna fuerza misteriosa empujándote hacia adelante, simplemente tu cuerpo tiende a seguir moviéndose hasta que el asiento o el cinturón te aplican la fuerza que te frena a vos también.

Errores comunes

• "Hace falta fuerza para mantener algo en movimiento".

  Falso: sin rozamiento ni otras fuerzas, un cuerpo sigue moviéndose solo, sin necesidad de que nada lo empuje.

  Cómo corregirlo: Falso: sin rozamiento ni otras fuerzas, un cuerpo sigue moviéndose solo, sin necesidad de que nada lo empuje.

• "Al frenar el colectivo, una fuerza me tira hacia adelante".

  No hay tal fuerza: tu cuerpo tiende a seguir con la velocidad que traía (inercia); lo que sentís es la ausencia momentánea de la fuerza que te frena.

  Cómo corregirlo: No hay tal fuerza: tu cuerpo tiende a seguir con la velocidad que traía (inercia); lo que sentís es la ausencia momentánea de la fuerza que te frena.

• "Acción y reacción se anulan entre sí, por eso nada se mueve".

  No se anulan porque actúan sobre cuerpos distintos: la acción actúa sobre un cuerpo, la reacción sobre el otro.

  Cómo corregirlo: No se anulan porque actúan sobre cuerpos distintos: la acción actúa sobre un cuerpo, la reacción sobre el otro.

• "Si un cuerpo se mueve, tiene que haber una fuerza neta actuando sobre él".

  Falso: un cuerpo puede moverse con velocidad constante (MRU) con fuerza neta cero.

  Cómo corregirlo: Falso: un cuerpo puede moverse con velocidad constante (MRU) con fuerza neta cero.

• "Objetos más pesados caen más rápido por tener más fuerza de gravedad".

  Tienen más peso, sí, pero también más masa (más inercia), y ambos efectos se cancelan: en ausencia de aire, todos los cuerpos caen con la misma aceleración.

  Cómo corregirlo: Tienen más peso, sí, pero también más masa (más inercia), y ambos efectos se cancelan: en ausencia de aire, todos los cuerpos caen con la misma aceleración.

• "La masa y el peso son lo mismo".

  La masa es cantidad de materia (no cambia); el peso es la fuerza gravitatoria sobre esa masa (depende del lugar, por ejemplo es distinto en la Luna).

  Cómo corregirlo: La masa es cantidad de materia (no cambia); el peso es la fuerza gravitatoria sobre esa masa (depende del lugar, por ejemplo es distinto en la Luna).

En resumen