Las leyes del movimiento de Newton son las tres leyes en que se basa la totalidad de la dinámica clásica.
Fueron formuladas por el físico inglés Isaac Newton en su libro Principia.
En parte, estas leyes son definiciones de conceptos más que una descripción de observaciones experimentales, aunque pueden ser fácilmente comprobadas en un laboratorio con un instrumento sencillo, llamado carrito de Fletcher.
Históricamente, las leyes son la evolución de los trabajos previos de Arquímedes y Galileo, y aunque aún son ampliamente utilizadas en situaciones cotidianas, deben ser sustituidas en situaciones extremas por la mecánica relativista y la mecánica cuántica.
Tienen muchas aplicaciones prácticas, particularmente en balística (el estudio de cómo se comportan los misiles cuando se disparan).
leyes del movimiento
Contenidos
Enunciado de las leyes del movimiento
Las tres leyes del movimiento de Newton son:
- Cualquier cuerpo sigue en su estado de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme a no ser que actúe una fuerza externa sobre él.
- Cuando actúa una fuerza externa sobre un cuerpo, ésta produce un cambio de momento directamente proporcional al módulo de la fuerza, en la dirección de actuación de aquélla.
- Para cualquier fuerza de acción, existe una reacción igual y de sentido contrario (si un cuerpo A ejerce una fuerza sobre otro cuerpo B, el cuerpo B ejercerá simultáneamente sobre el cuerpo A una fuerza igual y de sentido contrario).
Demostración de las leyes del movimiento: el carrito de Fletcher
El carrito de Fletcher es un instrumento sencillo y conveniente para demostrar las leyes del movimiento de Newton.
En una de sus formas, el carrito de Fletcher está formado por un gran bloque rectangular, situado sobre tres ruedas, que contiene diversas pesas extraíbles en forma de tapón que permiten variar su masa.
Se puede situar papel sobre el carrito y se puede colocar un pincel en un brazo oscilante, bajo el cual pasa el carrito.
Se puede variar la frecuencia de vibración del brazo.
Se tira del carrito mediante una cuerda atada a una pesa que cae.
A medida que el carrito se desplaza hacia adelante, tirado por la acción de la gravedad sobre la pesa situada en el platillo, se registra en el papel una traza ondulante.
Debido a que el tiempo que tarda cada movimiento del pincel de extremo a extremo es siempre el mismo, la variación de la distancia entre los picos registrados refleja los cambios en la velocidad del carrito y, por tanto, indica su aceleración.
El carrito puede utilizarse para investigar las ecuaciones del movimiento uniformemente acelerado, la relación entre la fuerza y la aceleración en un cuerpo de masa fija (cambiando la pesa que tira de él), y la aceleración producida por una fuerza constante sobre distintas masas (cambiando las pesas en el carrito).
Una forma alternativa del carrito tira de una banda de papel, que pasa a través de una impresora que imprime un punto en el papel a intervalos regulares de tiempo.
Historia de las leyes del movimiento
En sus inicios, la mecánica era la ciencia de la fabricación de máquinas, de ahí el origen de la palabra (del griego mē khanē). Una máquina en mecánica es cualquier instrumento en el que una fuerza que se aplica en un punto levanta pesos o se convierte en fuerza resistente en otro punto.
La mecánica antes de Newton
Arquímedes estableció la mecánica como ciencia cuando investigó el principio de la palanca y las propiedades del centro de masas.
Después de Arquímedes, se progresó poco hasta el tiempo de Stevinus (1548–1620), que investigó los principios del plano inclinado.
La edad de oro
de la mecánica comenzó cuando Galileo hizo sus primeras pruebas sistemáticas sobre problemas de movimiento.
Aristóteles había pensado que la rapidez con que un cuerpo cae era directamente proporcional a su peso, pero Galileo demostró que esta teoría era falsa y, a continuación, dedujo la solución a los problemas de los cuerpos que caen, reexaminando los conocimientos previos sobre mecánica.
Galileo sentó los fundamentos de la dinámica, la parte de la mecánica que se ocupa de cómo las fuerzas producen los cambios en el movimiento.
La dinámica fue posteriormente desarrollada por el astrónomo holandés Christiaan Huygens y, especialmente, por Isaac Newton.
Mecánica newtoniana
Newton estudió el tema después de Galileo y sus contribuciones fueron tan grandes que sus tres leyes se mantienen como las leyes fundamentales de la mecánica no relativista (comportamiento de las fuerzas y el movimiento en las situaciones normales y cotidianas).
Mecánica relativista
La relatividad de Einstein mostró que era necesario introducir algunas modificaciones a la visión de Newton.
Cuando los cuerpos que se consideran en un problema tienen velocidades pequeñas en comparación a la de la luz, la vieja mecánica newtoniana o no relativista aún es válida.
Pero para velocidades mayores, la teoría de la relatividad predice diferencias importantes, muchas de ellas confirmadas experimentalmente.
Mecánica cuántica
Tanto las leyes de la mecánica newtoniana como las de la mecánica relativista fallan cuando son aplicadas a la materia a muy pequeña escala, por ejemplo, a los átomos y las partículas elementales.
En este caso, las cantidades medibles vienen limitadas por el principio de incertidumbre, y se necesita una formulación muy diferente de la mecánica, conocida como mecánica cuántica.
Utilización de las leyes: balística
La balística es el estudio de cómo se mueven los cuerpos cuando se disparan.
La principal tarea de la balística es hallar cuáles son la velocidad y elevación (ángulo) necesarios para que al disparar un misil aseguremos que seguirá una trayectoria determinada y que alcanzará el blanco deseado.
Este cálculo se efectúa utilizando fórmulas basadas en las tres leyes de Newton.
Se construyen así las tablas de alcances, que un artillero puede utilizar para apuntar su arma.
La principal influencia en la trayectoria de vuelo de un proyectil es la gravedad.
La forma en que el proyectil vuela depende también de la naturaleza e intensidad de la resistencia del aire, y del peso, forma y estabilidad en vuelo del proyectil.
Las condiciones atmosféricas de temperatura, densidad del aire y humedad también tienen su efecto.
Debe suministrarse también un cierto movimiento espiral al proyectil, que también debe calcularse, para que caiga con la cabeza por delante.