Primera Ley de Newton

Las Leyes de Newton , también conocidas como Leyes del movimiento de Newton , son tres principios a partir de los cuales se explican la mayor parte de los problemas planteados por la dinámica , en particular aquellos relativos al movimiento de los cuerpos.

Las Leyes de Newton permiten explicar tanto el movimiento de los astros como los movimientos de los proyectiles artificiales creados por el ser humano, así como toda la mecánica de funcionamiento de las máquinas .

Fundamentos teóricos de las leyes

El primer concepto que maneja Newton es el de masa , que identifica con "cantidad de materia".

Newton asume a continuación que la cantidad de movimiento es el resultado del producto de la masa por la velocidad .

En tercer lugar, precisa la importancia de distinguir entre lo absoluto y relativo siempre que se hable de tiempo, espacio, lugar o movimiento.

De acuerdo con esto, Newton establece que los movimientos aparentes son las diferencias de los movimientos verdaderos y que las fuerzas son causas y efectos de estos. Consecuentemente, la fuerza en Newton tiene un carácter absoluto, no relativo.

Estas leyes enunciadas por Newton y consideradas como las más importantes de la mecánica clásica son tres: la ley de inercia , relación entre fuerza y aceleración , y ley de acción y reacción .

Newton planteó que todos los movimientos se atienden a estas tres leyes principales formuladas en términos matemáticos. Un concepto es la fuerza, causa del movimiento; otro es la masa, la medición de la cantidad de materia puesta en movimiento; los dos son denominados habitualmente por las letras F y m.

Observador. Un observador es una persona interesada en el comportamiento de los cuerpos que lo rodean. Desde este punto de vista, el alumno deberá asumir el papel de observador, como una persona interesada en el movimiento de los cuerpos que lo rodean.

Cuerpo Puntual. En el caso de que las características de un cuerpo, tanto geométricas como de movimiento, sean tales que su posición en cualquier instante t queda determinada por la posición de cualquiera de sus puntos, se dice que el cuerpo es un cuerpo puntual. 

Cuerpo en Movimiento. Un observador determina que un cuerpo se encuentra en movimiento, cuando observa que la posición en el espacio de dicho cuerpo, cambia al transcurrir el tiempo; de otra forma, establecerá que el cuerpo se encuentra en reposo. Diremos que la posición de un cuerpo en el espacio, en un instante dado, queda determinada, cuando se especifica la posición de todos los puntos del espacio que ocupa dicho cuerpo en ese instante. 

Primera ley de Newton o ley de la inercia

En esta primera ley, Newton expone que “Todo cuerpo tiende a mantener su estado de reposo o movimiento uniforme y rectilíneo a no ser que sea obligado a cambiar su estado por fuerzas ejercidas sobre él”.

Esta ley postula, por tanto, que un cuerpo no puede cambiar por sí solo su estado inicial, ya sea en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme , a menos que se aplique una fuerza neta sobre él. Newton toma en cuenta, sí, que los cuerpos en movimiento están sometidos constantemente a fuerzas de roce o fricción, que los frena de forma progresiva.

Por ejemplo, los proyectiles continúan en su movimiento mientras no sean retardados por la resistencia del aire e impulsados hacia abajo por la fuerza de gravedad.

Rapidez Media y Velocidad Media:

La rapidez media con que se mueve el objeto es la razón entre la distancia recorrida y el intervalo de tiempo empleado en hacerlo, es decir:

Rapidez Media = Distancia recorrida / Tiempo recorrido

r = d / t

o bien, como la razón de cambio de la distancia respecto al tiempo:

r= Δr / Δt

La rapidez media es una cantidad escalar

La velocidad media es una cantidad vectorial y como tal tiene módulo, dirección y sentido. El módulo de la velocidad media se calcula con el cociente del desplazamiento que tiene el cuerpo entre el intervalo de tiempo empleado para hacerlo, su dirección y sentido quedan determinados por la misma dirección y sentido del desplazamiento, es representado por la recta que une estas dos posiciones y el sentido lo determina la punta de flecha que indica que la recta va del punto x1 al x2.

La expresión matemática que nos permite calcular el módulo de la velocidad es:

Velocidad media = Desplazamiento / Tiempo empleado

También podemos escribirlo así:

v = Δx / Δt

o también

La dirección y el sentido de la velocidad se ejemplifican en la siguiente figura

Ejemplo:

Una piedra, atada a una cuerda de metro y medio, se mueve en forma circular empieza en el sur y termina en el norte, recorre esa media vuelta en 2.5 s, ¿con que rapidez media y con que velocidad media se mueve?.

Solución

Para saber la rapidez media con que se mueve tendremos que conocer la distancia que recorre, esto es media circunferencia de diámetro D.

d = π D / 2

d = π (3.0 [m]) / 2

d = 4.712 [m]

Ahora con este dato podemos calcular la rapidez media con que se mueve:

r = d / t

r = 4.712 [ m] / 2.5 [s]

r = 1.885 [m/s]

Para conocer la velocidad media con que se mueve tendremos que conocer el desplazamiento de la piedra, es decir, su posición al inicio y al final.

Al inicio esta 1.5 [m] al sur del centro de la cuerda y al final esta a 1.5 [m] al norte del centro, consideraremos a la dirección norte como positiva, de modo que la dirección sur será negativa, el desplazamiento es:

 Δx = x1 - x0

Δx = 1.5 [m] - (-1.5 [m] )

Δx = 3.0 [m] hacia el norte

De modo que la velocidad media  

v = Δx / Δt

v = 3.0 [m] / 2.5 [s]

v = 1.2 [m/ s] hacia el norte.