La fuerza y las leyes de Newton

La fuerza y las leyes de Newton
Aquí se estudia la dinámica en la que se discuten las
causas del movimiento.
5-1 La mecánica clásica
Se estudia un cuerpo particular que, al interactuar con
el ambiente (los cuerpos que lo rodean), resultan cambios
en su velocidad que da lugar en una aceleración.
El problema central de la mecánica clásica:
(1) Se nos proporciona un cuerpo de características
conocidas.
(2) Se coloca al cuerpo en una posición con una velocidad inicial, en un ambiente en del que se tiene una descripción completa.
(3) ¿Cuál es el movimiento subsecuente del cuerpo?
Se considerarán partículas y no cuerpos extensos. El
principal interés se centra en estudiar el efecto neto del
ambiente.
El procedimiento para resolver el problema de la
mecánica clásica:
(1) Introducimos el concepto de fuerza F y la definimos
en términos de la aceleración, a, que experimenta un
cuerpo típico particular.
(2) Desarrollamos un procedimiento para asignar una
masa, m, al cuerpo, por lo que podemos entender el hecho
de que diferentes cuerpos experimentan diferentes aceleraciones en el mismo ambiente.
(3) Finalmente, tratamos de encontrar formas de
calcular las fuerza que actúan sobre los cuerpos a partir
de las propiedades del cuerpo y el ambiente; esto es,
buscamos las leyes de las fuerzas.
La fuerza, la cual es básicamente un medio para relacionar al ambiente con el movimiento del cuerpo, aparece
tanto en las leyes del movimiento como en las leyes de la
fuerza.
Consideradas juntas, las leyes del movimiento y de la
fuerza, constituyen las leyes de la mecánica:
Leyes de la fuerza
ambiente fuerza cuerpo aceleración
Leyes del movimiento
5-2 La primera ley de Newton
Para verificar la influencia del ambiente sobre un
cuerpo es necesario aislar al cuerpo completamente del
ambiente y cualquier fuerza.
Para poner en movimiento a un cuerpo es necesaria
una fuerza externa, pero no hay necesidad de fuerza
alguna para que se mantenga moviéndose con velocidad
constante.
No hay distinción entre un cuerpo sobre el que no
actúa fuerza alguna y un cuerpo sobre el que la suma de
todas las fuerzas externas es cero.
Comúnmente nos referiremos a la suma de todas las
fuerzas como la fuerza resultante o la fuerza neta.
La primera ley de Newton
Considere un cuerpo sobre el que no actúa fuerza alguna. Si
el cuerpo se encuentra en reposo, así permanecerá. Si el cuerpo
se encuentra en movimiento con velocidad constante, así permanecerá.
La aceleración de un cuerpo depende del sistema de
referencia con respecto al cual se mide.
Las leyes de la mecánica clásica son válidas sólo en
cierto conjunto de sistemas de referencia, a saber, aquellos
desde los cuales todos los observadores medirían la misma
aceleración de un cuerpo en movimiento.
La identificación de los sistemas de referencia
Si la fuerza neta que actúa sobre un cuerpo es cero, entonces
es posible encontrar un conjunto de sistemas de referencia en el
que dicho cuerpo no presente aceleración alguna.
A la tendencia de un cuerpo a permanecer en reposo o
de mantenerse en movimiento lineal se le llama inercia y,
con frecuencia, a la primera ley de Newton se le conoce
como la ley de la inercia.
A los sistemas de referencia a los que se aplica la
primera ley de Newton se les llama sistemas de referencia
inerciales.
Para probar si un sistema de referencia particular es o
no inercial, se coloca un cuerpo de prueba en reposo en
dicho sistema y se comprueba que no actúe fuerza neta
alguna, si el cuerpo empieza a moverse, entonces el sistema de referencia no es inercial.
De modo semejante, podemos poner en movimiento
al cuerpo con velocidad constante (sin que haya fuerza
neta alguna presente) y si la velocidad cambia, entonces el
sistema no es inercial.
Una vez que se encuentra un sistema de referencia
inercial, es posible encontrar muchos otros, ya que un
sistema de referencia que se mueve con velocidad constante con respecto a un sistema de referencia inercial,
también es un sistema de referencia inercial.
Nótese que, de acuerdo con la primera ley de Newton,
no hay manera de distinguir si un cuerpo está en reposo o
se mueve con velocidad constante.
Esto resulta claro cuando un cuerpo en reposo en un
sistema inercial se observa desde un segundo sistema de
referencia inercial que es un sistema que se mueve con
velocidad constante respecto del primero.
Un observador en el primer sistema de referencia
encuentra al cuerpo en reposo; un observador en el
segundo sistema de referencia encuentra que el mismo
cuerpo se mueve con velocidad constante.
Ambos observadores encuentran que el cuerpo no
presenta aceleración alguna, esto es, no encuentran cambio en la velocidad y ambos pueden concluir a partir de la
primera ley de Newton que no actúa fuerza neta alguna
sobre el cuerpo.