TEMA 6-Apdº 3 – NEWTON 2ª PARTE –
INERCIA - ACCIÓN/REACCIÓN-
FUERZAS
Entrada nº
33 del blog: ensayocosmologico.blogspot.com
En el tema anterior,
llegamos a definir de forma simple, el concepto de “peso” y ciertas maneras de
poder medirlo. De momento, podemos aceptar esta explicación como suficiente
para continuar con nuestro estudio. También tratamos sobre el concepto “masa”,
sin llegar a una explicación convincente. Seguimos pues sin saber con claridad
qué es. Pero vimos que está vinculada directamente con el peso (Doble volumen
de hierro, pesa doble), por eso le dábamos una unidad de medida igual a la del
peso, es decir: 1Kg de masa. El Kg.de peso es una unidad aleatoria,
universalmente aceptada y definida como:
1Kg peso, también llamado “kilopondio” es el peso de 1 litro de
agua destilada a 20º C (Celsius) de temperatura.
Dicho Kg de
peso equivale a 1Kg de la masa de ese peso.
Atención: Hacíamos la anotación
de que ese Kg debía de referirse a peso o a masa. Veremos luego el por qué de
esta importante distinción.
También
introdujimos el concepto “fuerza”, equiparándola a “esfuerzo” pero sin
establecer ningún otro concepto que nos aclarase exactamente “qué es en
realidad” y “cómo se mide”
Veamos ahora,
qué fenómenos un tanto sorprendentes, ocurren cuando manejamos objetos que,
naturalmente, tienen un peso.
Supongamos
un peso colgando de una cuerda del techo. La cuerda impide que el peso caiga. La ley natural es, que todo cuerpo que se deja libre desde una altura determinada,
irremediablemente, cae a tierra, con un movimiento acelerado. Este fenómeno y
su medida ya quedó explicado en el tema Galileo-2ª parte –Tema 5-2. (Ley de la
caída libre de los cuerpos). Pues bien, esto es lo que sucederá si la cuerda se
rompe. Pero si ello no ocurre, el peso no caerá. Ni se moverá. Según lo
dicho:
Podemos
hacernos una pregunta que parece obvia a priori, pero que no lo es.
Para que no
caiga, es necesario que surja una fuerza de dirección contraria al peso y de su
misma magnitud. No puede ser de otra manera. El peso tira de la cuerda y ésta
tira del techo. Es pues el techo el que sufre el tirón y a su vez, ejerce esta
fuerza opuesta que impide la caída. A esta fuerza la llamamos de “reacción”. Al
peso le llamamos “acción”. Así pues, en magnitud:
La Acción = a la Reacción
De ello podemos
colegir, que un peso, equivale a una fuerza, lo cual nos hace sospechar que
peso y fuerza son equivalentes, con la diferencia de que el peso siempre se
ejerce vertical y hacia la tierra
Supongamos
ahora que el peso anterior está en reposo en el suelo. En este caso, es el
suelo el que reacciona con una fuerza hacia arriba, igual al peso, para que
este se mantenga en reposo. De ambos sucesos surge una interesante
pregunta:
¿De dónde
salen estas fuerzas de reacción que mantienen al cuerpo en reposo, si no hay
nadie que las provoque?
La respuesta
puede ser muy simple. “Parecen salir de la nada” (*)(¿)
(*) Con el posterior desarrollo de la
física del átomo, se sabría que esta fuerza aparentemente ficticia, era la
reacción elástica, del suelo o techo. Los átomos de éstos están en equilibrio electromagnético
y se resisten a ser movidos de su posición. Reaccionan pues como un muelle.
De ello
podemos sacar las siguientes conclusiones:
a) Las
“fuerzas de reacción” son unas fuerzas fantasmales, que aparecen y desaparecen
según las acciones, reales, ejercidas sobre el cuerpo en cuestión. Por esta
razón se les llama “ficticias” para distinguirlas del peso del cuerpo, que es
real.
b) Su unidad
de medida será la misma que la del peso; Es decir el Kg.
c) Su valor
en Kg será el mismo que el peso, pero de sentido contrario. Si el peso del cuerpo es “Q” Kg, la
fuerza oponente será = “F”, siendo:
“Q=-F”, luego: Q+F=0
d) Peso y
fuerza son pues términos equivalentes. Luego la fuerza, la podemos medir en las
mismas unidades que el peso. Aplicada sobre un cuerpo cualquiera, en una
dirección determinada, la podremos medir, por ejemplo, con el ya mencionado
“dinamómetro” al igual que hacíamos con el peso.
f) Las
fuerzas (O su resultante si son varias) que actúan en un cuerpo parado (En
reposo) “suman 0”, ya que son iguales y contrarias.
Veamos todo
esto en la Fig. 6-22
De todo lo expuesto
en este capítulo surge la:
2ª ley de Newton, que dice:
A toda
fuerza (Acción) ejercida sobre un cuerpo en reposo, se le opone otra de igual
valor pero de sentido contrario (Reacción).
Cumpliéndose que:
Acción = Reacción.
Cumpliéndose que:
Acción = Reacción.
Más adelante veremos que la ley es más general y se enuncia así:
A toda fuerza ejercida sobre un
cuerpo (Acción), se le opone otra igual y de sentido contrario (Reacción)
Ahora
consideremos que empujamos un objeto, como el de la figura 6-22a.
El cuerpo se
resiste a ser movido si está en reposo, o a ser modificado su estado si está en
movimiento, por dos causas:
1ª) Según lo
ya dicho anteriormente: Surge una fuerza
de reacción que se opone al movimiento. Lo veremos con detalle en la 3ª ley de
Newton.
2ª) Hay que
vencer el rozamiento sobre el suelo, o medio en que se mueve, que aparece
cuando queremos moverlo. Esta fuerza también la podemos considerar ficticia, ya
que aparece o desaparece según empujemos el objeto o no.
Pues bien:
Si ejercemos una fuerza “F” de empuje, sin llegar a mover el cuerpo, pero justo
en el instante de iniciarlo, inmediatamente entrará en juego otra que se opone.
Esta es la resistencia del rozamiento “R”.
Si
la fuerza “F” es la “justa” para que el cuerpo esté a punto de moverse, pero
sin hacerlo, tenemos la ley anterior:
F=-R
luego F+R=0
Fig.6-22a, parte superior.
A poco que
aumentemos esta fuerza “F”, el objeto se pondrá en movimiento, con una fuerza
de empuje “F+f” adquiriendo una velocidad “V” en un tiempo “t”. Si tras el tiempo “t”
seguimos empujando, pero de nuevo con la fuerza “F”, el equilibrio de fuerzas
será el mismo “F+R” = 0, pero ahora el objeto sigue moviéndose con la velocidad
adquirida “V”. Sin pararse. Y así seguirá eternamente si no modificamos las
condiciones del sistema. De estas experiencias, sacamos conclusiones fundamentales:
1) Si el
cuerpo está parado y la suma de las fuerzas que actúan sobre él son “0”, El
cuerpo seguirá eternamente en reposo.
2) Si el
cuerpo está en movimiento uniforme rectilíneo (Velocidad constante=V) y la suma
de las fuerzas que actúan sobre él siguen siendo “0”, el cuerpo permanecerá
eternamente en movimiento y a la misma velocidad V.
El impulso o
sobreesfuerzo inicial “f”, ha conseguido poner el cuerpo en movimiento hasta la
velocidad V. Éste, pues, no se ha perdido, sino que se ha transformado en
movimiento, quedando acumulado como energía interna en dicho cuerpo.
Fig. 6-22ª
parte inferior.
Deducción a priori:
Los esfuerzos o fuerzas no se pierden, solo se
transforman, generalmente en movimiento.
NOTA IMPORTANTE:
Hasta
ahora, no hemos tenido en cuenta las fuerzas descentradas, respecto al suelo,
apoyos, o centros de gravedad, que tienden a hacer girar el cuerpo. Este efecto se debe al llamado “Momento de una fuerza”, que es el
producto de una fuerza “F” por su distancia “L” a un centro o punto de
giro. Por ejemplo:
En la figura 6-22a, el cuerpo tenderá a
volcarse sobre el punto “P” y el momento de vuelco es
“Fxd1”.
También
se cumple la 2ª ley de Newton:
A todo momento de una fuerza, se le opone otro
igual y contrario, que evita que el cuerpo gire o vuelque. En este caso, el
momento oponente es el peso Q por su distancia a P, d1. O sea: Momento
opositor al vuelco = Qxd1
Todo esto, no invalida
lo dicho hasta ahora.
El cómo afectan estos “momentos de giro o vuelco”, en estas 2 leyes de
Newton: “Ley de Acción-reacción” – y “Ley de inercia”, lo trataremos en
próximos capítulos, completando así su desarrollo físico-matemático.
1) y 2)
conforman la 1ª ley de Newton, o ley de inercia:
1ª ley de
Newton. Ley de inercia
a) Todo
cuerpo en reposo seguirá así eternamente, mientras no actúe una causa externa que modifique su estado.
b) Todo
cuerpo en movimiento uniforme constante, seguirá eternamente así, mientras no
actúe una causa externa que
modifique su estado.
Reflexión
sobre esta ley en nuestra experiencia habitual.
a) Esta 1ª
parte de la ley parece obvia. Todos sabemos que un cuerpo parado, no se pone en
movimiento por sí solo.
b) Esta 2ª
parte de la ley. ya no nos parece tan obvia o evidente. En la tierra, un cuerpo
en movimiento, por sí solo, acaba parándose. Esto se debe a las resistencias
del aire, o suelo (rozamientos) que son causas “externas” que frenan al cuerpo.
Pero supongamos que el cuerpo es muy pulido y se mueve en una pista de hielo.
Dicho cuerpo mantendrá el movimiento durante mucho más tiempo. Aún así, por
pequeño que sea el rozamiento, éste tendrá un valor que acabará parando al
cuerpo. Cuanto menor sea el rozamiento, más tiempo estará el cuerpo en
movimiento hasta pararlo. Siguiendo este
razonamiento, si el rozamiento fuera 0, el cuerpo no se pararía nunca. Se
cumpliría la ley.
En la tierra
siempre hay rozamientos, pero en “el
espacio vacío”, no los hay, por tanto, un objeto en el espacio, se moverá
eternamente con su velocidad. La ley de Newton es pues universal. Solo la
entrada del cuerpo en campos gravitatorios, podrá modificar esta situación.
Pequeña
introducción al concepto de ”Momento de una fuerza”
Entendiendo
este concepto, completaremos las leyes anteriores 1º y 2ª
-Primero
diremos, que una fuerza aplicada a un
cuerpo, tiene un punto o recta de aplicación; Un valor o magnitud (Fuerza, velocidad, aceleración
etc.) y un sentido. Tiene pues las propiedades de un vector, como ya dijimos en
capítulos anteriores. Lo representaremos pues con una flecha que nos
define dichos parámetros.
-Segundo
punto a saber: Todos cuerpos tienen, “un centro
de masas llamado centro de gravedad
“c.d.g”. Es como si toda la masa del cuerpo estuviera centrada en ese
punto. Cualquier recta que pase por este punto divide al cuerpo en dos mitades
que se equilibran mutuamente.
-Tercer
punto: Toda fuerza cuya dirección no
pase por el c.d.g, es una fuerza “descentrada” que tiende a hacer girar
al cuerpo, debido al momento de la fuerza, que tal como ya hemos dicho es el
producto de la fuerza por una distancia a,
c.d.g o a un punto de apoyo o vuelco.
Lo resumimos
en la Fig. 6-23
Con estos nuevos planteamientos, completamos las Leyes 1ª y
2ª de Newton.
Dijimos que, para mantenerse eternamente un cuerpo en estado de
reposo o movimiento uniforme, era
necesario que “la suma de las fuerzas
que actuaban sobre él debían de ser
“0” y lo expresábamos diciendo que “Acción
= Reacción” No consideramos entonces los momentos de giro o vuelco que se
producen cuando las fuerzas actúan descentradas respecto a un punto de apoyo o
centro de masas(Centro de gravedad:c.d.g)
Completaremos las dos leyes en términos
generales diciendo que:
Ambas
leyes se cumplirán cuando:
Tanto la suma de fuerzas, como la suma de
los momentos también sea “0”
Con esto quedan cuadradas y explicadas sucintamente estas 2
leyes fundamentales y universales de la física.
Hasta ahora, hemos intentado aclarar, con más o menos éxito,
una serie de conceptos que podemos dar por buenos, para seguir con nuestro
ensayo. Tales han sido: Velocidad, aceleración,
distancias y peso. Pero hemos aludido a otros que no han quedado
clarificados ni cuantificados. Los más importantes son:
-¿Qué es en realidad la Masa
de un cuerpo y que significado físico tiene? Hemos establecido una unidad de medida
de la misma (El Kg masa) pero sin saber lo que medimos.
-¿Cómo se relaciona las fuerzas con los movimientos que
provocan?
Hemos dicho que una fuerza es una acción que se ejerce sobre
un cuerpo, modificando el estado de reposo o movimiento del mismo. O sea, modifica su estado inercial. Pero:
-¿Cómo lo modifica? ¿Qué relaciones matemáticas los ligan?
-¿Qué es el tiempo y como interviene en todo ello?
-¿Cuáles son las medidas fundamentales de la física, de las
que derivan todas las demás?
Tendremos que dar respuesta a ello, y lo intentaremos en los
próximos capítulos de este ensayo.
Mis reflexiones sobre
estas leyes
NOTA:
Estas reflexiones son
exclusivas de mi imaginación y están basadas en mis experiencias personales y
mis observaciones de la conducta humana.
La doctrina o filosofía
Gnóstica, establece un paralelismo entre las leyes de la física y las de la conducta
humana. Afirma que actúan de igual manera en ambos ámbitos; Físico-Cósmico y Espiritual-Psicológico.
Por extraño que parezca, ya que
el mundo de la materia es radicalmente distinto al mundo del espíritu, creo que,
salvadas las diferencias y con las debidas matizaciones, este planteamiento
tiene su gran parte de lógica y está avalado por la experiencia.
Hasta ahora hemos tratado
la “Ley del péndulo” (Galileo)
El péndulo:
Va de una posición máxima a otra opuesta. “Sube-baja y
sube” de extremo a extremo. El comportamiento humano es con mucha frecuencia idéntico.
Es muy habitual que del estado de ánimo de la mayoría de las personas oscile de
triste a alegre. De eufórico a depresivo. De la salud a la enfermedad. A la
alegría del encuentro, le sigue la tristeza de la despedida. Se gana y gozamos y se
pierde y sufrimos. Se nos da y se nos quita. Siempre oscilando de un extremo a otro. Nada
es permanente. Los momentos buenos y menos buenos se alternan. Vemos pues un
claro paralelismo con esta ley.
El cuerpo parado. Ley de la pereza
Podemos decir que “La pereza” tiene un gran paralelismo
con estas leyes. La tendencia a la pasividad y a la no acción, es muy normal en
el ser humano. Vencer la pereza supone normalmente un gran esfuerzo. No es
fácil salir de ella, sobre todo cuando ya está arraigada en nosotros. Se
requiere un gran esfuerzo para ello. A todos nos cuesta ir al trabajo y deseamos que se acabe cuanto antes. La obligación de tener que hacer un esfuerzo, nos cuesta.
“El movimiento, la acción y la ley de la rutina”, La acción, necesaria
y propia de la vida, también tiene mucho
que ver con esta ley, aunque pasa más desapercibida en nuestro consciente. Pero
no en nuestro subconsciente. Es normal que nuestra vida sea repetitiva,
convirtiéndose en rutinaria. Podemos salir de ella temporalmente (Vacaciones,
viajes, eventos etc.), pero irremediablemente volvemos a ella. Hasta una vida
aparentemente aventurera y cambiante, acaba
cayendo en la ley de la rutina y/o el hastío. Este sentimiento de rutina,
enmascarado con los quehaceres diarios, genera en nuestro interior un sentimiento
de insatisfacción y deseo de cambio. Votamos cada 4 años a nuestros políticos
para que todo cambie y esto se repite una y otra vez. En realidad, en el fondo,
no cambia nada. Parche sobre parche. Nos pasamos la vida buscando el cambio,
pero las leyes citadas anteriormente “No cambian”. Somos esclavos de ellas.
Enseguida nos acostumbramos a los cambios que tanto deseamos, para volver
pronto a la misma monotonía. La costumbre se convierte en ley.
Quizá esta afirmación es desesperanzadora, pero “cierta”. Solo personas privilegiadas espiritualmente (Místicos o santos de fe
inquebrantable), si las hay, pueden vivir este presente continuo, esperando una
recompensa en “el más allá. Y aún ellos, pasan por serios
estados de duda, rutina y crisis de fe.
Entrada nº 33 – Tema 6-3 Newton 2ª parte.
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