Fundamentos de la Dinámica Clásica: Las Tres Leyes de Newton y las Fuerzas Esenciales

Las Leyes del Movimiento de Newton

Las leyes de Newton son los pilares de la dinámica clásica, describiendo la relación entre un cuerpo, las fuerzas que actúan sobre él y el movimiento resultante.

1ª Ley de Newton: Ley de la Inercia

Si sobre un cuerpo no actúa ninguna fuerza externa neta, este permanecerá en reposo o continuará moviéndose con velocidad constante (movimiento rectilíneo uniforme).

También puede ocurrir que varias fuerzas actúen sobre un cuerpo, pero que el efecto de unas se compense con el de otras, con lo cual no se produce ningún cambio en el movimiento del cuerpo. En ese caso, diremos que el cuerpo se encuentra en equilibrio.

• Condición de Equilibrio: ΣF = 0

Sistema de Referencia Inercial

Un sistema de referencia en reposo o moviéndose con velocidad constante es un sistema de referencia inercial.

2ª Ley de Newton: Ley Fundamental de la Dinámica

Una fuerza neta que actúa sobre un cuerpo modifica el estado de movimiento del mismo, produciéndole una aceleración. La aceleración de un cuerpo tiene la misma dirección que la fuerza externa que actúa sobre él, es proporcional a la fuerza neta externa e inversamente proporcional a la masa del cuerpo.

• Fórmula Fundamental: ΣF = m · a

3ª Ley de Newton: Principio de Acción y Reacción

Las fuerzas siempre actúan por pares iguales y opuestos. Si el cuerpo A ejerce una fuerza sobre el cuerpo B, este ejerce una fuerza igual pero opuesta sobre el cuerpo A.

Tipos de Fuerzas Esenciales en Mecánica

Para aplicar las leyes de Newton, es crucial identificar y comprender las diferentes fuerzas que pueden actuar sobre un objeto.

Fuerza Debida a la Gravedad (Peso)

Es la fuerza ejercida por la Tierra sobre cada objeto. Si podemos despreciar la resistencia del aire, todos los cuerpos caen con la misma aceleración que llamamos aceleración de la gravedad ($g$).

Fuerza Normal

La fuerza normal se da en los puntos de apoyo como reacción al empuje del objeto contra esa superficie. La normal tiene siempre dirección perpendicular a la superficie de apoyo y hacia afuera de la superficie. La normal siempre empuja, nunca tira.

Tensión

La tensión es una fuerza transmitida a través de cuerdas, cables o elementos similares. La tensión siempre tira, nunca empuja.

Fuerzas de Rozamiento (Fricción)

Es una fuerza que, en general, impide o dificulta el deslizamiento entre dos superficies en contacto.

Fuerza Elástica

Cuando un muelle se comprime o se alarga una pequeña cantidad $x$, la fuerza que ejerce es restauradora, según se demuestra experimentalmente (Ley de Hooke).

Fuerzas de Arrastre

Cuando un objeto se mueve a través de un fluido (tal como el aire o el agua), el fluido ejerce una resistencia al movimiento o fuerza de arrastre que se opone al movimiento.

Fuerza Centrípeta

Cuando una partícula sigue una trayectoria circular, podemos describir su movimiento en función de una aceleración dirigida hacia el centro de la trayectoria. Esta aceleración es causada por la fuerza centrípeta, que es la fuerza neta responsable del cambio de dirección del vector velocidad.