5.2 Primera ley de Newton

Gravitación e inercia

Independientemente de la escala de un objeto, ya sea una molécula o una partícula subatómica, hay dos propiedades que siguen siendo válidas y, por ende, de interés para la física: la gravitación y la inercia. Ambas están relacionadas con la masa. A grandes rasgos, la masa es una medida de la cantidad de materia que hay en algo. La gravitación es la atracción de una masa hacia otra, como la atracción entre usted y la Tierra que mantiene sus pies en el suelo. La magnitud de esta atracción es su peso, y es una fuerza.

La masa también está relacionada con la inercia, la capacidad de un objeto para resistir los cambios en su movimiento, es decir, para resistir la aceleración. La primera ley de Newton suele llamarse ley de la inercia. Como sabemos por experiencia, algunos objetos tienen más inercia que otros. Es más difícil cambiar el movimiento de una roca grande que el de una pelota de baloncesto, por ejemplo, porque la roca tiene más masa que la pelota. En otras palabras, la inercia de un objeto se mide por su masa. La relación entre la masa y el peso se estudia más adelante en este capítulo.

Marcos de referencia inerciales

Anteriormente, enunciamos la primera ley de Newton como "un cuerpo en reposo permanece en reposo o, si está en movimiento, permanece en movimiento a velocidad constante a menos que actúe sobre este una fuerza externa neta". También puede enunciarse como "todo cuerpo permanece en su estado de movimiento uniforme en línea recta, a no ser que las fuerzas que actúen sobre este lo obliguen a cambiar de estado". Para Newton, el "movimiento uniforme en línea recta" significaba velocidad constante, lo que incluye el caso de la velocidad cero, o reposo. Por lo tanto, la primera ley señala que la velocidad de un objeto permanece constante si la fuerza neta sobre este es cero.

La primera ley de Newton suele considerarse una afirmación sobre los marcos de referencia. Proporciona un método para identificar un tipo especial de marco de referencia: el marco de referencia inercial. En principio, podemos hacer que la fuerza neta sobre un cuerpo sea cero. Si su velocidad relativa a un marco determinado es constante, entonces se dice que ese marco es inercial. Así que, por definición, un marco de referencia inercial es aquel en el que la primera ley de Newton es válida. La primera ley de Newton se aplica a los objetos a velocidad constante. De este hecho, podemos deducir la siguiente afirmación.

¿Son comunes los marcos inerciales en la naturaleza? Resulta que, dentro del error experimental, un marco de referencia en reposo con respecto a las estrellas más lejanas, o "fijas", es inercial. Todos los marcos que se mueven uniformemente con respecto a este marco de estrella fija son también inerciales. Por ejemplo, un marco de referencia no rotativo y unido al Sol es, a efectos prácticos, inercial, porque su velocidad con respecto a las estrellas fijas no varía en más de una parte en ${10}^{10}.$ La Tierra acelera con respecto a las estrellas fijas porque gira sobre su eje y alrededor del Sol; de allí que un marco de referencia unido a su superficie no sea inercial. Sin embargo, para la mayoría de los problemas, dicho marco sirve como una aproximación suficientemente precisa a un marco inercial, ya que la aceleración de un punto en la superficie de la Tierra con respecto a las estrellas fijas es bastante pequeña ($<\mathrm{3,4}\times {10}^{\mathrm{-2}}{\text{m/s}}^2$). Así, a menos que se indique lo contrario, consideramos que los marcos de referencia fijados en la Tierra son inerciales.

Por último, ningún marco inercial particular es más especial que otro. En cuanto a las leyes de la naturaleza, todos los marcos inerciales son equivalentes. Al analizar un problema, elegimos un marco inercial en lugar de otro simplemente por conveniencia.

La primera ley de Newton y el equilibrio

La primera ley de Newton nos habla del equilibrio de un sistema, que es el estado en el que las fuerzas sobre el sistema están balanceadas. Volviendo a las fuerzas y a los patinadores sobre hielo en la Figura 5.3, sabemos que las fuerzas ${\overrightarrow{F}}_1$ y ${\overrightarrow{F}}_2$ se combinan para formar una fuerza resultante, o la fuerza externa neta: ${\overrightarrow{F}}_{\text{R}}={\overrightarrow{F}}_{\text{neta}}={\overrightarrow{F}}_1+{\overrightarrow{F}}_2.$ Para crear el equilibrio, necesitamos una fuerza de equilibrio que produzca una fuerza neta de cero. Esta fuerza deberá ser igual en magnitud pero opuesta en dirección a ${\overrightarrow{F}}_{\text{R}},$ lo que significa que el vector deberá ser $\text{-}{\overrightarrow{F}}_{\text{R}}.$ En referencia a los patinadores sobre hielo, para los que encontramos que ${\overrightarrow{F}}_{\text{R}}$ era $\mathrm{30,0}\widehat{i}+\mathrm{40,0}\widehat{j}\text{N}$, podemos determinar la fuerza de equilibrio simplemente al encontrar $\text{-}{\overrightarrow{F}}_{\text{R}}=\mathrm{-30,0}\widehat{i}-\mathrm{40,0}\widehat{j}\text{N}.$ Vea el diagrama de cuerpo libre en la Figura 5.3(b).

Podemos dar la primera ley de Newton en forma vectorial:

Esta ecuación señala que una fuerza neta de cero implica que la velocidad $\overrightarrow{v}$ del objeto es constante. (La palabra "constante" puede indicar velocidad cero).

La primera ley de Newton es aparentemente sencilla. Si un auto está en reposo, las únicas fuerzas que actúan sobre el auto son el peso y la fuerza de contacto del pavimento que empuja hacia arriba en el auto (Figura 5.9). Es fácil entender que se requiere una fuerza neta distinta a cero para cambiar el estado de movimiento del auto. Cuando un auto se desplaza a velocidad constante, la fricción lo impulsa hacia delante y se opone a la fuerza de arrastre contra este.

Figura 5.9 Se muestra un auto (a) estacionado y (b) en movimiento a velocidad constante. ¿Cómo se aplican las leyes de Newton al auto estacionado? ¿Qué nos dice el saber que el auto se mueve a velocidad constante sobre la fuerza horizontal neta sobre el auto?