Las leyes del movimiento de Newton constan de tres: la primera ley de Newton, la segunda ley de Newton y la tercera ley de Newton.
Primera ley de Newton
La primera ley de Newton establece que todo objeto que está en reposo permanecerá en reposo, o todo objeto que se mueve en línea recta a velocidad constante continuará moviéndose en línea recta a velocidad constante si la fuerza total que actúa sobre el objeto es cero.
Consideremos un objeto a nuestro alrededor, por ejemplo, una mesa, una roca o cualquier otro objeto. Una mesa en reposo permanecerá en reposo si no se mueve o no se le aplica una fuerza externa, como un empuje o una tracción. Lo mismo ocurre con otros objetos en reposo. ¿Acaso no hay fuerzas actuando sobre la mesa, la roca o cualquier otro objeto en reposo? Hay fuerzas que actúan sobre el objeto, pero la suma de todas ellas, o la fuerza total, es igual a cero. Las fuerzas que actúan sobre un objeto en reposo en la superficie de un planeta como la Tierra son la gravedad (w) y la fuerza normal (N). La dirección de la gravedad es perpendicular al centro de la Tierra, al igual que la de la fuerza normal. La magnitud de estas dos fuerzas es la misma, pero tienen direcciones opuestas; por lo tanto, la fuerza total es igual a cero.
¿Qué ocurre con un objeto que se mueve en línea recta a velocidad constante? Para aclarar este punto, supongamos que empujamos un objeto, por ejemplo, un trozo de metal, sobre la superficie del suelo. Tras ser empujado, el trozo de metal disminuye su velocidad y finalmente se detiene debido a la fuerza de fricción . Para que el trozo de metal se mueva más lejos o durante más tiempo, es necesario alisar la superficie del suelo y la superficie del trozo de metal. Cuanto más lisas sean ambas superficies, mayor será la distancia que recorra el trozo de metal. Si la superficie del suelo es perfectamente lisa y no hay fricción, el trozo de metal seguirá moviéndose sin detenerse. ¿Acaso no actúa ninguna fuerza sobre un trozo de metal que se mueve sobre una superficie de suelo perfectamente lisa? Existen fuerzas que actúan sobre los trozos de metal: la gravedad y la fuerza normal. Estas dos fuerzas actúan en dirección vertical y no afectan al movimiento del trozo de metal en dirección horizontal si el suelo es perfectamente liso.
Segunda ley de Newton
La segunda ley de Newton establece que si la fuerza neta que actúa sobre un objeto no es cero, este acelerará. La magnitud de la aceleración es proporcional a la magnitud de la fuerza neta e inversamente proporcional a la masa del objeto. La dirección de la aceleración coincide con la dirección de la fuerza neta.
ΣF = ma(1.2)
Descripción: ΣF = fuerza total (kg m/s² ) , m = masa (kg), a = aceleración (m/ s² )
La ecuación 1.2 es una formulación matemática de la segunda ley de Newton.
Si la magnitud de la aceleración es igual a cero (a = 0), entonces la ecuación 1.2 se transforma en la ecuación 1.1. Por lo tanto, la primera ley de Newton es un caso especial de la segunda ley de Newton.
Según la ecuación 1.2, se concluye que a mayor fuerza, mayor aceleración. Por el contrario, a mayor masa, menor aceleración. La relación entre fuerza, masa y aceleración se comprende mejor tras realizar experimentos al respecto. Un experimento que se puede llevar a cabo consiste en acelerar un tren dinámico sobre raíles utilizando una masa en caída libre. Se utiliza un cronómetro para determinar la aceleración del tren.
Tercera ley de Newton
La tercera ley de Newton establece que si un objeto ejerce una fuerza sobre otro, entonces simultáneamente el objeto 2 ejerce una fuerza sobre el objeto 1. La magnitud de ambas fuerzas es la misma, pero su dirección es opuesta. Una fuerza se denomina acción y la otra, reacción (acción-reacción).
F acción = – F reacción (1.3)
La ecuación 1.3 es una expresión matemática de la tercera ley de Newton. El signo negativo en la ecuación 1.3 indica la dirección de la fuerza.
Realiza un experimento para comprender mejor la tercera ley de Newton. Si tienes una patineta, empuja contra una pared mientras estás parado sobre ella. Después de empujar contra la pared, la patineta se mueve hacia atrás. Tu empuje es hacia adelante, mientras que la patineta se mueve hacia atrás. Esto demuestra que la pared también ejerce una fuerza en tu contra. Cuando empujas contra la pared, al mismo tiempo, la pared también ejerce una fuerza en tu contra. Tu fuerza actúa sobre la pared, mientras que la fuerza de la pared actúa sobre ti. Ambas fuerzas tienen la misma magnitud pero direcciones opuestas. Puedes llamar a una fuerza acción y a la otra reacción.
Otro experimento que puedes realizar es inflar un globo de goma y soltarlo una vez que se haya llenado de aire. Tras soltarlo, el globo "vuela". La dirección del movimiento del globo es opuesta a la dirección en la que el aire escapa de él. ¿Cómo se explica esto? Al soltar la boca del globo, este expulsa el aire. Al mismo tiempo, el aire también empuja el globo. El empuje del aire hace que el globo vuele. El empuje del globo actúa sobre el aire, y el empuje del aire actúa sobre el globo. Ambas fuerzas tienen la misma magnitud pero direcciones opuestas.
Ejemplo de
1. Hay 4 objetos: plátano = 4 kg, libro = 0,8 kg, balón de baloncesto = 3,5 kg, mango = 1,2 kg. Se tira de la cesta con una fuerza de 30 N sobre una superficie plana rugosa ( μ = 0,4). Para que la cesta se mueva correctamente (se ignora la masa de la cesta), los objetos que deben colocarse en ella son...
Discusión
Es sabido:
Masa del plátano (m 1 ) = 4 kg
Masa del libro (m² ) = 0,8 kg
Masa de la pelota (m³ ) = 3,5 kg
Masa del mango (m⁴ ) = 1,2 kg
Fuerza de tracción (F) = 30 N
Coeficiente de fricción estática ( μs ) = 0,4
Aceleración debida a la gravedad (g) = 10 m/ s²
Ignorar la masa de la cesta
La fuerza de fricción estática (f s ) actúa cuando el objeto está en reposo y está a punto de moverse, mientras que la fuerza de fricción cinética actúa cuando el objeto está en movimiento.
Preguntado: Masa del objeto
Respuesta:
La cesta se moverá exactamente cuando la magnitud de la fuerza de tracción (F) = la magnitud de la fuerza de fricción estática (f s ).
Calcula la magnitud de la fuerza de fricción estática (f s ):
f s = μ s N = μ s w = μ s mg = (0,4)(m)(10)
f s = 4 m
La cesta exacta se moverá:
F = f s
30 = 4m
metro = 30/4
m = 7,5 kg
Masa del plátano 4 kg + masa de la pelota 3,5 kg = 7,5 kg
Los objetos que deben colocarse en la cesta son plátanos y pelotas.
2. Pregunta n.º 5 del examen nacional de física de SMA/MA 2014/2015
Los objetos A, con una masa de 6 kg, y B, con una masa de 4 kg, están conectados por una cuerda y se les aplica una fuerza F = 60 N, como se muestra en la siguiente figura.
Si el sistema está en movimiento y el coeficiente de fricción cinética entre la superficie del suelo y los dos objetos es 0,5 (tg θ = 3/4), y g = 10 ms -2 , entonces la magnitud de la fuerza de tensión en la cuerda T que conecta los dos objetos es….
A. 28,8 N
B. 30,0 N
C. 39,6 N
D. 48,0 N
E. 50,0 N
Discusión
Se sabe que:
Masa del objeto A (m A ) = 6 kg
Masa del objeto B (m B ) = 4 kg
Fuerza de tracción (F) = 60 Newton
El coeficiente de fricción cinética entre el objeto y el suelo (μ k ) = 0,5
Aceleración debida a la gravedad (g) = 10 m/ s²
Tangente θ = 3/4
Pregunta: ¿Qué tan grande es la tensión en la cuerda T?
Respuesta :
Componente horizontal de la fuerza F:
F x = F cos θ
F x = (60)(4/5) = (4)(12) = 48 N
Componente vertical de la fuerza F:
F y = F sen θ
F y = (60)(3/5) = (3)(12) = 36 N
Fuerza normal del objeto A:
N A = w A = m A g = (6)(10) = 60 N
Fuerza normal del objeto B:
N B + F y – w B = 0
N B + F y = w B
N B = w B – F y = m B g – F y = (4)(10) – 36 = 40 – 36 = 4 N
Fuerza de fricción cinética entre el objeto A y el suelo:
f kA = μ k N A = (0,5)(60) = 30 N
Fuerza de fricción cinética entre el objeto B y el suelo:
f kB = μ k N B = (0,5)(4) = 2 N
Calcula la aceleración de ambos objetos:
ΣF = ma
F x – T + T – f kB – f kA = (m A + m B ) a
La fuerza de tensión en la cuerda T tiene la misma magnitud a lo largo de toda su longitud y tiene la dirección opuesta, por lo que se elimina de la ecuación.
F x – f kB – f kA = (m A + m B ) a
48 – 2 – 30 = (6 + 4) a
16 = 10 a
a = 16 / 10
a = 1,6 m/ s²
Calcula la fuerza de tensión de la cuerda T:
Consideremos el objeto A. Las fuerzas que actúan sobre el objeto A en la dirección horizontal son la fuerza de tensión de la cuerda (T) que está dirigida hacia la derecha y la fuerza de fricción cinética (f kA ) que está dirigida hacia la izquierda.
ΣF = ma
T A – f kA = m A a
T A – 30 = (6)(1,6)
T A – 30 = 9,6
TA = 9,6 + 30 = 39,6 N
Consideremos el objeto B. Las fuerzas que actúan sobre el objeto B en la dirección horizontal (horizontal) son la fuerza F x que está dirigida hacia la derecha, la fuerza de fricción cinética (f kB ) y la fuerza de tensión de la cuerda (T) que está dirigida hacia la izquierda.
ΣF = ma
F x – f kB – T B = m B a
48 – 2 – T B = (4)(1,6)
46 – T B = 6,4
46 – 6,4 = T B
T B = 39,6 N
Entonces, la fuerza de tensión en la cuerda que actúa sobre el objeto A (T A ) = la fuerza de tensión en la cuerda que actúa sobre el objeto B (T B ) = 39,6 N.
La respuesta correcta es C.
3. Pregunta n.º 5 del examen nacional de física de SMA/MA 2014/2015
¡Mira la siguiente imagen!
Debido a la fuerza F, el sistema de objetos se mueve. Si el suelo es rugoso y el coeficiente de fricción cinética entre los dos bloques y el suelo es 0,2, ¿cuál es la aceleración que experimentan los dos objetos? (cos 37 ° = 0,8° , sen 37 ° = 0,6°)
A. 2,6 ms-2
B. 4,0 ms -2
C. 5,2 ms -2
D. 7,8 ms -2
E. 10,2 ms -2
Discusión
Se sabe que:
Masa del objeto A (m A ) = 4 kg
Masa del objeto B (m B ) = 2 kg
Fuerza de tracción (F) = 30 Newton
El coeficiente de fricción cinética entre el objeto y el suelo (μ k ) = 0,2
Aceleración debida a la gravedad (g) = 10 m/ s²
cos 37 ° = 0,8
sen 37 ° = 0,6
Pregunta: ¿Qué aceleración experimentan los dos objetos?
Respuesta :
Componente horizontal de la fuerza F:
F x = F cos θ
F x = (30)(0,8) = 24 N
Componente vertical de la fuerza F:
F y = F sen θ
F y = (30)(0,6) = 18 N
Fuerza normal del objeto A:
N A = w A = m A g = (4)(10) = 40 N
Fuerza normal del objeto B:
N B + F y – w B = 0
N B + F y = w B
N B = w B – F y = m B g – F y = (2)(10) – 18 = 20 – 18 = 2 N
Fuerza de fricción cinética entre el objeto A y el suelo:
f kA = μ k N A = (0,2)(40) = 8 N
Fuerza de fricción cinética entre el objeto B y el suelo:
f kB = μ k N B = (0,2)(2) = 0,4 N
Calcula la aceleración de ambos objetos:
ΣF = ma
F x – f kB – f kA = (m A + m B ) a
24 – 0,4 – 8 = (4 + 2) a
15,6 = 6 a
a = 15,6 / 6
a = 2,6 m/ s²
La respuesta correcta es A.
