Bienvenidos
En 1687, un hombre llamado Isaac Newton publicó un libro que cambió todo.
Se llamaba Principia Mathematica, y en él exponía tres leyes simples que explican cómo se mueven los objetos: desde una pelota rodante hasta un cohete que abandona la Tierra.
Newton no descubrió la gravedad al recibir un golpe en la cabeza con una manzana. Eso es un mito. Lo que realmente hizo fue mucho más impresionante: vio lo mismo que todos los demás: cosas que caen, y preguntó por qué.
Al final de esta lección, comprenderá las tres leyes que gobiernan cada empujón, tiron, colisión y órbita en el universo.
Calentamiento
Antes de Empezar
Comencemos con algo que has experimentado todos los días de tu vida.
Los objetos resisten el cambio
Ley de Newton Primera
Un objeto en reposo permanecerá en reposo, y un objeto en movimiento seguirá moviéndose a la misma velocidad y en la misma dirección: a menos que sea actuado por una fuerza no equilibrada.
Esta propiedad se llama inercia. Todo en el universo resiste el cambio de su movimiento.
Un libro sentado en una mesa se sentará allí para siempre a menos que algo lo empuje. Un disco de hockey deslizándose sobre una pista de hielo sin fricción seguiría deslizándose para siempre en una línea recta a menos que algo lo detenga.
Esto revolucionó. Antes de Newton, las personas suponían que los objetos se ralentizan naturalmente. Newton se dio cuenta de que ralentizarse no es natural: solo sucede debido a fuerzas como la fricción y la resistencia del aire.
Inercia en la Vida Diaria
Experiencias la inercia todos los días
Cinturones de seguridad existen debido a la inercia. Cuando un automóvil se detiene de repente, usted no se detiene con el automóvil: su cuerpo sigue moviéndose hacia adelante a la velocidad original del automóvil. El cinturón de seguridad es la fuerza desequilibrada que lo detiene.
El truco del pañuelo de la mesa funciona debido a la inercia. Las tazas están en reposo y resisten ser movidas. Si arrastras el pañuelo lo suficientemente rápido, la fricción no tiene tiempo para acelerar las tazas, y éstas se mantienen en su lugar.
Un balón de fútbol en el suelo se queda perfectamente quieto hasta que alguien lo patea. No tiene deseo de moverse, ninguna tendencia a moverse. Es completamente indiferente.
Fuerza igual a masa por aceleración
Ley de Newton Segunda
La fuerza igual a masa por aceleración: F = ma
Esta es la ecuación más útil en toda la física. Te dice tres cosas a la vez:
1. La fuerza que aplicas a un objeto, más grande será su aceleración (velocidad, disminuir o cambiar de dirección).
2. Cuanto más tenga un objeto, la masa, menos acelerará por la misma fuerza.
3. Si conoces dos de los tres valores: fuerza, masa o aceleración, puedes calcular el tercero.
Masa es cuánta materia contiene un objeto. Se mide en kilogramos.
Aceleración es cuánto rápido cambia la velocidad. Se mide en metros por segundo cuadrado (m/s²).
Fuerza se mide en Newtons (N): sí, el unidad lleva el nombre de él.
Aplicando F = ma
Empujar Carritos
Piensa en este escenario: estás en una tienda de abarrotes. Empujas un carrito de compras vacío y este rueda fácilmente. Luego llenas el carrito con alimentos pesados y empujas con la misma fuerza.
Cada Acción Tiene una Reacción Igual y Oppuesta
Ley de Newton Tercera
Para cada acción, hay una reacción igual y opuesta.
Esto significa que las fuerzas siempre vienen en pares. No puedes empujar sin ser empujado de vuelta.
Cuando caminas, tu pie empuja hacia atrás en el suelo y el suelo empuja hacia adelante en ti. Ese empuje hacia adelante es lo que te mueve.
Cuando un cohete se lanza, no empuja contra el suelo o el aire. Lanza gases calientes hacia abajo a una velocidad tremenda, y los gases empujan al cohete con una fuerza igual: hacia arriba.
Cuando nadas, tus manos empujan el agua hacia atrás y el agua te empuja hacia adelante.
Las fuerzas siempre son iguales en tamaño y en dirección opuesta. Siempre.
Saltar en la Tierra
Una Pregunta Cabeceo
Cuando saltas, tus piernas empujan hacia abajo en la Tierra. De acuerdo con la Tercera Ley de Newton, la Tierra empuja hacia arriba en ti con una fuerza igual: eso es lo que te lanza al aire.
Pero aquí está la parte extraña: si empujas hacia abajo en la Tierra y la Tierra empuja hacia arriba en ti, entonces las fuerzas son iguales. Vuelas hacia arriba. Entonces, la Tierra debería moverse hacia abajo.
Gravitación Universal
Ley de la Gravitación Universal de Newton
Newton se dio cuenta de que la misma fuerza que hace que una manzana caiga de un árbol es la misma fuerza que mantiene la Luna en órbita alrededor de la Tierra.
Cada objeto con masa atrae a todos los demás objetos con masa. La fuerza de la atracción depende de dos cosas:
1. Masa: los objetos más masivos tiran con más fuerza.
2. Distancia: los objetos que están más alejados se atraen con menos fuerza. La fuerza disminuye al cuadrado de la distancia: a la mitad de la distancia, la fuerza es un cuarto.
Peso contra Masa
Masa es la cantidad de materia que tienes. No cambia donde estés.
Peso es la fuerza de la gravedad que actúa sobre tu masa. Cambia dependiendo de dónde estés.
En la Luna, tienes la misma masa pero un sexto del peso, porque la gravedad de la Luna es más débil.
¿Por qué no se cae la Luna?
Se está cayendo: constantemente. Pero también se mueve de lado a una velocidad tan alta que cuando cae un poco, la superficie de la Tierra se ha curvado debajo de ella. Sigue cayendo y sigue perdiendo. Eso es lo que es una órbita: caer y perder el suelo para siempre.
Sin peso pero no sin gravedad
El rompecabezas de la estación espacial
Los astronautas en la Estación Espacial Internacional flotan alrededor como si no tuvieran peso. Seguramente has visto los vídeos: se revuelcan, el agua forma bolitas flotantes y nada cae.
Aquí está la sorprendente realidad: la ISS orbita a unos 400 km por encima de la Tierra. A esa altitud, la gravedad sigue siendo aproximadamente del 90% de lo que es en la superficie.
Las leyes de Newton en el mundo real
Fuerzas en ingeniería y deportes
Cada estructura, vehículo y deporte en la Tierra obedece las leyes de Newton.
Puentes deben equilibrar todas las fuerzas para mantenerse en su lugar (Primera Ley). Los ingenieros calculan el peso del tráfico (Segunda Ley) y aseguran que cada soporte empuje de vuelta con una fuerza igual (Tercera Ley).
Cohetes funcionan puramente por la Tercera Ley: arrojando masa en una dirección para acelerarse en la otra. No hay aire para empujar en el espacio. El escape se dirige hacia abajo; el cohete sube.
Deportes son una aplicación de la física. Una bat de béisbol transfiere fuerza a una pelota (Segunda Ley). Un corredor empuja hacia atrás en las barras de salida y las barras empujan hacia adelante al corredor (Tercera Ley). Una patín de hockey se desliza por el hielo con una mínima fricción, demostrando la Primera Ley.
Cada vez que un ingeniero diseña un automóvil, un puente o un vehículo espacial, están resolviendo las ecuaciones de Newton.
Física en tu Deporte Favorito
Tu turno
Ahora aplica lo que has aprendido.