Fuerza, masa y aceleración: La segunda ley del movimiento de Newton

La primera ley del movimiento de Isaac Newton dice: «Un cuerpo en reposo permanecerá en reposo, y un cuerpo en movimiento permanecerá en movimiento a menos que actúe sobre él una fuerza externa.» ¿Qué ocurre entonces con un cuerpo cuando se le aplica una fuerza externa? Esa situación la describe la Segunda Ley del Movimiento de Newton.

Según la NASA, esta ley establece que «la fuerza es igual al cambio de momento por el cambio de tiempo. Para una masa constante, la fuerza es igual a la masa por la aceleración». Esto se escribe en forma matemática como F = ma

F es la fuerza, m es la masa y a es la aceleración. La matemática detrás de esto es bastante simple. Si duplicas la fuerza, duplicas la aceleración, pero si duplicas la masa, reduces la aceleración a la mitad.

Newton publicó sus leyes del movimiento en 1687, en su obra seminal «Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica» (Principios matemáticos de la filosofía natural) en la que formalizó la descripción de cómo se mueven los cuerpos masivos bajo la influencia de fuerzas externas.

Newton amplió el trabajo anterior de Galileo Galilei, que desarrolló las primeras leyes precisas del movimiento de las masas, según Greg Bothun, profesor de física de la Universidad de Oregón. Los experimentos de Galileo demostraron que todos los cuerpos se aceleran a la misma velocidad, independientemente de su tamaño o masa. Newton también criticó y amplió el trabajo de René Descartes, que también publicó un conjunto de leyes de la naturaleza en 1644, dos años después del nacimiento de Newton. Las leyes de Descartes son muy similares a la primera ley del movimiento de Newton.

Aceleración y velocidad

La segunda ley de Newton dice que cuando una fuerza constante actúa sobre un cuerpo masivo, hace que éste se acelere, es decir, que cambie su velocidad, a un ritmo constante. En el caso más sencillo, una fuerza aplicada a un objeto en reposo hace que éste se acelere en la dirección de la fuerza. Sin embargo, si el objeto ya está en movimiento, o si esta situación se ve desde un marco de referencia inercial en movimiento, ese cuerpo podría parecer que se acelera, se ralentiza o cambia de dirección dependiendo de la dirección de la fuerza y de las direcciones en las que el objeto y el marco de referencia se mueven uno respecto al otro.

Las letras F y a en negrita en la ecuación indican que la fuerza y la aceleración son cantidades vectoriales, lo que significa que tienen magnitud y dirección. La fuerza puede ser una sola fuerza o puede ser la combinación de más de una fuerza. En este caso, escribiríamos la ecuación como ∑F = ma

La gran Σ (la letra griega sigma) representa la suma vectorial de todas las fuerzas, o la fuerza neta, que actúa sobre un cuerpo.

Es bastante difícil imaginar la aplicación de una fuerza constante a un cuerpo durante un tiempo indefinido. En la mayoría de los casos, las fuerzas sólo pueden aplicarse durante un tiempo limitado, produciendo lo que se llama impulso. Para un cuerpo masivo que se mueve en un marco de referencia inercial sin que actúen sobre él otras fuerzas como la fricción, un determinado impulso provocará un cierto cambio en su velocidad. El cuerpo puede acelerar, ralentizar o cambiar de dirección, después de lo cual, el cuerpo continuará moviéndose a una nueva velocidad constante (a menos que, por supuesto, el impulso haga que el cuerpo se detenga).

Hay una situación, sin embargo, en la que sí nos encontramos con una fuerza constante: la fuerza debida a la aceleración gravitatoria, que hace que los cuerpos masivos ejerzan una fuerza descendente sobre la Tierra. En este caso, la aceleración constante debida a la gravedad se escribe como g, y la Segunda Ley de Newton se convierte en F = mg. Observa que en este caso, F y g no se escriben convencionalmente como vectores, porque siempre apuntan en la misma dirección, hacia abajo.

El producto de la masa por la aceleración gravitatoria, mg, se conoce como peso, que no es más que otro tipo de fuerza. Sin gravedad, un cuerpo masivo no tiene peso, y sin un cuerpo masivo, la gravedad no puede producir una fuerza. Para vencer la gravedad y levantar un cuerpo masivo, debe producir una fuerza ascendente ma que sea mayor que la fuerza gravitatoria descendente mg.

La segunda ley de Newton en acción

Los cohetes que viajan por el espacio engloban las tres leyes del movimiento de Newton.

Si el cohete necesita frenar, acelerar o cambiar de dirección, se utiliza una fuerza para darle un empujón, que suele proceder del motor. La cantidad de la fuerza y el lugar donde está proporcionando el empuje pueden cambiar la velocidad (la parte de la magnitud de la aceleración) y la dirección.

Ahora que sabemos cómo se comporta un cuerpo masivo en un marco de referencia inercial cuando se somete a una fuerza exterior, como la forma en que los motores que crean el empuje maniobran el cohete, ¿qué sucede con el cuerpo que está ejerciendo esa fuerza? Esa situación la describe la Tercera Ley del Movimiento de Newton.

Información adicional de Rachel Ross, colaboradora de Live Science.

Vea también:

  • Las leyes del movimiento de Newton
  • La inercia & La primera ley del movimiento de Newton

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