Las leyes del movimiento de Sir Isaac Newton explican la relación entre un objeto físico y las fuerzas que actúan sobre él. Comprender esta información nos proporciona la base de la física moderna.
¿Qué son las leyes del movimiento de Newton?
Un objeto en reposo permanece en reposo, y un objeto en movimiento permanece en movimiento a velocidad constante y en línea recta a menos que una fuerza desequilibrada actúe sobre él.
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| Retrato de Sir Isaac Newton (25 de diciembre de 1642 - 20 de marzo de 1726/27) Inglés matemático, físico, astrónomo, teólogo. |
La aceleración de un objeto depende de la masa del objeto y de la cantidad de fuerza aplicada.
Siempre que un objeto ejerce una fuerza sobre otro objeto, el segundo objeto ejerce una fuerza igual y opuesta sobre el primero.
Sir Isaac Newton trabajó en muchas áreas de las matemáticas y la física. Desarrolló las teorías de la gravitación en 1666 cuando solo tenía 23 años. En 1686, presentó sus tres leyes del movimiento en los “Principia Mathematica Philosophiae Naturalis”.
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| RETRATO DE ISAAC NEWTON POR JOHN STOUGHTON, DD Isaac Newton fue un físico y matemático que desarrolló los principios de la física moderna, incluidas las leyes del movimiento, y es reconocido como una de las grandes mentes de la Revolución Científica del siglo XVII. |
Al desarrollar sus tres leyes del movimiento, Newton revolucionó la ciencia. Las leyes de Newton junto con las leyes de Kepler explicaron por qué los planetas se mueven en órbitas elípticas en lugar de en círculos.
A continuación se muestra un cortometraje con Orville y Wilbur Wright y una discusión sobre cómo se aplicaron las Leyes del movimiento de Newton al vuelo de su avión.
Primera Ley de Newton: Inercia
La primera ley de Newton establece que un cuerpo en reposo o en movimiento uniforme seguirá estando en reposo o en movimiento uniforme hasta que una fuerza externa neta actúe sobre él.
Un objeto en reposo permanece en reposo, y un objeto en movimiento permanece en movimiento a velocidad constante y en línea recta a menos que una fuerza desequilibrada actúe sobre él.
La primera ley de Newton establece que todo objeto permanecerá en reposo o en movimiento uniforme en línea recta a menos que sea obligado a cambiar su estado por la acción de una fuerza externa. Esta tendencia a resistir cambios en un estado de movimiento es inercia. Si todas las fuerzas externas se cancelan entre sí, entonces no hay una fuerza neta que actúe sobre el objeto. Si todas las fuerzas externas se cancelan entre sí, entonces no hay una fuerza neta que actúe sobre el objeto. Si no hay una fuerza neta actuando sobre el objeto, entonces el objeto mantendrá una velocidad constante.
Ejemplos de inercia que involucran aerodinámica:
- El movimiento de un avión cuando un piloto cambia el ajuste del acelerador de un motor.
- El movimiento de una bola que cae a través de la atmósfera.
- Un modelo de cohete que se lanza a la atmósfera.
- El movimiento de una cometa cuando cambia el viento.
Segunda Ley de Newton: Fuerza
La segunda ley de Newton establece que la aceleración de un objeto producida por una fuerza neta es directamente proporcional a la magnitud de la fuerza neta, en la misma dirección que la fuerza neta e inversamente proporcional a la masa del objeto.
La aceleración de un objeto depende de la masa del objeto y de la cantidad de fuerza aplicada.
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| Segunda Ley de Newton. |
Su segunda ley define que una fuerza es igual al cambio en el momento (masa por velocidad) por cambio en el tiempo. El momento se define como la masa m de un objeto multiplicada por su velocidad V.
Supongamos que tenemos un avión en un punto “0” definido por su ubicación X 0 y tiempo t 0. El avión tiene una masa m 0 y viaja a una velocidad V 0. Una fuerza externa F al avión que se muestra arriba lo mueve al punto "1". La nueva ubicación del avión es X 1 y tiempo t 1.
La masa y la velocidad del avión cambian durante el vuelo a valores m 1 y V1. La segunda ley de Newton puede ayudarnos a determinar los nuevos valores de V 1 y m 1, si sabemos qué tan grande es la fuerza F. Tomemos simplemente la diferencia entre las condiciones en el punto "1" y las condiciones en el punto "0".
F = (m 1 * V 1 – metro 0 * V 0) / (t 1 – t 0)
La segunda ley de Newton habla de cambios en el momento (m * V). Entonces, en este punto, no podemos separar cuánto cambió la masa y cuánto cambió la velocidad. Solo sabemos cuánto cambió el producto (m * V).
Supongamos que la masa permanece en un valor constante igual a m. Esta suposición es bastante buena para un avión porque el único cambio en la masa sería el combustible quemado entre el punto "1" y el punto "0". El peso del combustible es probablemente pequeño en relación con el peso del resto del avión, especialmente si solo observamos pequeños cambios en el tiempo. Si estuviéramos discutiendo el vuelo de una pelota de béisbol, entonces ciertamente la masa permanece constante. Pero si estuviéramos discutiendo el vuelo de un cohete de botella, entonces la masa no permanece constante y solo podemos observar cambios en el impulso. Para una masa m constante, la segunda ley de Newton se ve como:
F = metro * (V 1 – V 0) / (t 1 – t 0)
El cambio de velocidad dividido por el cambio de tiempo es la definición de la aceleración a. La segunda ley entonces se reduce al producto más familiar de una masa y una aceleración:
F = metro * un
Recuerda que esta relación solo es buena para objetos que tienen una masa constante. Esta ecuación nos dice que un objeto sujeto a una fuerza externa acelerará y que la cantidad de aceleración es proporcional al tamaño de la fuerza. La cantidad de aceleración también es inversamente proporcional a la masa del objeto; para fuerzas iguales, un objeto más pesado experimentará menos aceleración que un objeto más ligero. Considerando la ecuación del momento, una fuerza provoca un cambio en la velocidad; y del mismo modo, un cambio en la velocidad genera una fuerza. La ecuación funciona en ambos sentidos.
La velocidad, la fuerza, la aceleración y el momento tienen asociada una magnitud y una dirección. Los científicos y los matemáticos llaman a esto una cantidad vectorial. Las ecuaciones que se muestran aquí son en realidad ecuaciones vectoriales y se pueden aplicar en cada una de las direcciones de los componentes. Solo hemos mirado en una dirección y, en general, un objeto se mueve en las tres direcciones (arriba-abajo, izquierda-derecha, adelante-atrás).
Ejemplo de fuerza que involucra la aerodinámica:
- El movimiento de una aeronave resultante de las fuerzas aerodinámicas, el peso de la aeronave y el empuje.
Tercera Ley de Newton: Acción y Reacción
La tercera ley de Newton establece que hay una reacción igual y opuesta para cada acción.
Siempre que un objeto ejerce una fuerza sobre un segundo objeto, el segundo objeto ejerce una fuerza igual y opuesta sobre el primero.
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| Tercera ley de newton. |
Su tercera ley establece que por cada acción (fuerza) en la naturaleza existe una reacción igual y opuesta. Si el objeto A ejerce una fuerza sobre el objeto B, el objeto B también ejerce una fuerza igual y opuesta sobre el objeto A. En otras palabras, las fuerzas resultan de interacciones.
Ejemplos de acción y reacción que involucran la aerodinámica:
- El movimiento de sustentación de un perfil aerodinámico, el aire es desviado hacia abajo por la acción del perfil aerodinámico y, en reacción, el ala es empujada hacia arriba.
- El movimiento de una pelota que gira, el aire se desvía hacia un lado y la pelota reacciona moviéndose en el lado opuesto.
- El movimiento de un motor a reacción produce empuje y los gases de escape calientes salen por la parte trasera del motor, y se produce una fuerza de empuje en la dirección opuesta.
Ejemplos en imágenes:
Inercia: Un objeto en reposo permanece en reposo, y un objeto en movimiento permanece en movimiento a velocidad constante y en línea recta a menos que una fuerza desequilibrada actúe sobre él.
Fuerza: La aceleración de un objeto depende de la masa del objeto y de la cantidad de fuerza aplicada.
Acción y Reacción: Siempre que un objeto ejerce una fuerza sobre otro objeto, el segundo objeto ejerce una fuerza igual y opuesta sobre el primero.
