Primera ley de Newton (Ley de la inercia): definición y ejemplos
En este artículo, se desarrollará el tema de la primera ley de Newton con definición, fórmulas y ejemplos resueltos.
Introducción a la Primera Ley de Newton
La Primera Ley de Newton, también conocida como la Ley de la Inercia, es uno de los conceptos fundamentales en la física que describe el comportamiento de los objetos en reposo o en movimiento. Comprender esta ley es esencial, ya que sienta las bases para explicar el movimiento de los cuerpos y cómo las fuerzas actúan sobre ellos. A continuación, exploraremos por qué es importante conocer la Primera Ley de Newton, su historia, por qué se llama la Ley de la Inercia y sus aplicaciones en la vida cotidiana y en ámbitos profesionales.
Importancia de la Primera Ley de Newton
La Primera Ley de Newton es crucial para entender cómo los objetos reaccionan ante las fuerzas que actúan sobre ellos. Proporciona una base fundamental para la mecánica y la dinámica, lo que la convierte en una herramienta esencial para ingenieros, científicos y cualquier persona que busque comprender el mundo que nos rodea. Conocer esta ley nos permite predecir el comportamiento de los objetos en diversas situaciones, desde el movimiento de los planetas en el espacio hasta la seguridad de los vehículos en la carretera.
Historia de la Primera Ley de Newton
La Primera Ley de Newton se debe al genio científico del siglo XVII, Sir Isaac Newton. En su obra "Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica" (Principios Matemáticos de la Filosofía Natural), publicada en 1687, Newton presentó sus tres leyes del movimiento. La Primera Ley, en particular, establece que un objeto en reposo permanecerá en reposo y un objeto en movimiento continuará moviéndose a una velocidad constante en línea recta a menos que una fuerza externa actúe sobre él. Estas leyes revolucionaron nuestra comprensión del movimiento y sentaron las bases de la física moderna.
Por qué se llama la Ley de la Inercia
La Primera Ley de Newton se conoce comúnmente como la "Ley de la Inercia" debido a su enfoque en el concepto de inercia. La inercia se refiere a la tendencia de un objeto a mantener su estado de movimiento o reposo. La palabra "inercia" proviene del latín y significa "falta de habilidad" o "inactividad". Esta ley postula que los objetos no cambian su estado de movimiento por sí mismos, lo que nos lleva al concepto de inercia y justifica el nombre de la ley.
Aplicaciones de la Primera Ley de Newton
La Primera Ley de Newton tiene numerosas aplicaciones en la vida cotidiana y en diversos ámbitos profesionales. Desde el diseño de vehículos y maquinaria hasta la planificación de vuelos espaciales y la seguridad en carreteras, esta ley juega un papel fundamental. En la vida cotidiana, podemos observarla en situaciones tan simples como el comportamiento de un automóvil que se detiene al soltar el pedal del acelerador o el motivo por el cual los pasajeros de un avión no se desplazan cuando el avión vuela a una velocidad constante. Comprender la Primera Ley de Newton nos ayuda a tomar decisiones informadas y a optimizar diseños y sistemas en numerosas disciplinas.
Definición de la primera ley de Newton (Ley de la inercia)
La primera ley de Newton, también conocida como la ley de la inercia, es una de las 3 leyes desarrolladas por el matemático, físico y astrónomo Isaac Newton. Estas 3 leyes explican el movimiento de los cuerpos basado en las fuerzas externas que producen el desplazamiento de cada cuerpo en el espacio. Las leyes de Newton forman parte del estudio de la dinámica y se estudian junto con la cinemática.
La primera ley de Newton, o ley de la inercia, establece que un cuerpo en estado de reposo o en movimiento rectilíneo uniforme no cambiará su estado a menos que una fuerza externa actúe sobre él. Esto significa que un objeto en movimiento rectilíneo uniforme o en reposo tiende a mantener su estado actual, y solo una fuerza externa puede cambiar su movimiento, ya sea acelerándolo o desacelerándolo. Cuando hablamos de una fuerza "neta" externa, nos referimos a que no necesariamente es una única fuerza, sino que puede ser un conjunto de fuerzas que se combinan para mover un objeto, por lo que se llama fuerza "neta".
Hay muchas situaciones donde se puede observar la primera ley de Newton. Por ejemplo, si tienes un cuadro colgado en una pared, este no se moverá por sí solo sin una fuerza externa que lo mueva, como una persona que lo descolgue o un viento fuerte que lo haga mover en la pared.
Un ejemplo de cuando un objeto está en reposo es una mesa que está quieta sobre el suelo. Si enfocamos la atención solo en el eje vertical, podemos deducir que la única fuerza que actúa sobre la mesa es la gravedad. Sin embargo, como la suma de las fuerzas verticales debe ser igual a cero, debe haber otra fuerza que contrarreste la gravedad, proveniente del suelo. El suelo debe ser lo suficientemente resistente como para aplicar una fuerza igual a la gravedad y mantener la mesa quieta. Si la superficie donde se encuentra la mesa no es lo suficientemente resistente, la mesa se hundiría en esa superficie.
Fórmulas de la primera ley de Newton
Para resolver problemas relacionados con la primera ley de Newton, se utilizan fórmulas que involucran triángulos y vectores. Esto se debe a que cuando hablamos de fuerzas (en lo que se basa la primera ley de Newton), estamos hablando de vectores. Por lo tanto, es necesario utilizar fórmulas y ecuaciones relacionadas con triángulos.
- Peso = masa * gravedad
- ∑F = 0
- ∑Fx = 0
- ∑Fy = 0
Es importante entender la diferencia entre masa y peso. La masa se mide en kilogramos o gramos, mientras que el peso es una medida de fuerza y se expresa en newtons (N). En los problemas de la primera ley de Newton, se utiliza el peso, por lo que es necesario saber cómo convertir la masa en peso, como se muestra en la fórmula anterior.
Otro factor importante en la resolución de problemas y ejercicios relacionados con la primera ley de Newton son los diagramas de cuerpo libre. Estos diagramas representan un esquema del objeto y las diversas fuerzas que actúan sobre él. Son útiles para plantear problemas de manera más sencilla y visualizar las fuerzas de manera directa y gráfica.
Ejemplos primera ley de newton
Ejemplo 1: Una caja que pesa 30kg esta quieta sobre una superficie plana, conociendo esto, ¿Cuál es la fuerza que el suelo está ejerciendo sobre la caja?
Diagrama de cuerpo libre
- Se calcula el peso de la caja
- (peso = W)
- W = m * g
- W = 30kg * 9.8 m/s
- W = 294N
Para que la caja este en reposo, tiene que haber una fuerza opuesta igual a la que produce la gravedad sobre ella, el siguiente paso es encontrar la fuerza que aplica el suelo sobre la caja
- Se calcula la fuerza del suelo
- f1 = fuerza de la caja | f2 =fuerza del suelo
- ΣFy = 0 =f1 + f2
- 0 = f1 + f2
- (La fuerza de la caja (f1) es negativa porque apunta hacia abajo)
- 0 = -294N + f2
- f2 = 294N
Ejemplo 2: Una bola que está atada a dos cuerdas que tienen el mismo grado de inclinación y está suspendida en el aire, si se sabe que el peso de la bola es de 100kg ¿Cuál es la tensión que tiene cada una de las cuerdas?
Diagrama de cuerpo libre
En este caso las cuerdas están soportando la misma tensión porque tienen el mismo grado de inclinación, por lo que si se calcula la fuerza resultante de la suma de ambas cuerdas, luego se puede calcular la tensión que tienen las cuerdas por separado
- Se calcula el peso de la bola
- W = m * g
- W = 100kg * -9.8 m/s
- W = -980N
El peso es negativo porque este apunta hacia abajo, todas la fuerzas que apuntan hacia abajo o hacia el lado izquierdo son negativas, mientras que las fuerzas que apuntan hacia arriba y hacia la derecha son positivas.
- Se calcula la tensión de ambas cuerdas juntas
- T = tensión de ambas cuerdas
- ΣFy = W + T = 0
- 0 = W + T
- 0 = -980 + T
- T = 980
Como se sabe que ambas cuerdas están soportando la misma tensión se puede calcular la tensión de cada cuerda individualmente dividiendo entre 2 la tensión T
- Se calculan las tensiones individualmente
- T1= T/2
- T1= 980N / 2
- T = 490N
- T2= T/2
- T2= 980N / 2
- T2 = 490N
Ejemplo 3: Una bola está colgando desde 2 cuerdas, se sabe que la bola posee una masa de 8 kilogramos, también que una de las cuerdas esta tiene una inclinación de 60 grados y la otra cuerda está a 30 grados de inclinación, Calcular la tensión que hay en cada cuerda.
Diagrama de cuerpo libre
Como primer paso se debe calcular el peso de la bola que cuelga y esta se tomara como una tercera tensión.
- Se calcula el peso de la bola
- W = m * g
- W = 8kg * 9.8 m/s
- W = 78.4N
Ahora hay que encontrar las componentes de cada una de las cuerdas, para luego encontrar las tensiones de cada cuerda en los ejes "x" y "y", a la cuerda que está a 60° se le llamara A, a la que está a 30° se le llamará B y por ultimo a la fuerza de la bola se le llamara C
- Componentes de A
- Ax= A * cos(60)
- Ay= A * sen(60)
- Componentes de B
- Bx= B * cos(30)
- By= B * sen(30)
- Componentes de C
- Cx= 0
- Cy= -78.4N
- C (el peso de la bola) al estar apuntando hacia abajo, la componente en x es igual a 0 y toda la fuerza se aplica sobre el eje y
Ahora se suman todas las componentes y se igualan a 0, hay que recordar que las fuerzas que apunten hacia la derecha y hacia arriba son positivas, y las que apunten hacia abajo y a la izquierda son negativas
- ΣFx = -A * cos(60) + B * cos(30) + 0 = 0
- ΣFy = A * sen(60) + B * sen(30) - 78.4N = 0
Ahora se tienen un sistema de ecuaciones con 2 incógnitas, por lo que el siguiente paso será resolver el sistema de ecuaciones
- Primero se despeja una incógnita de cualquier ecuación, en este caso se despejará A de la primer ecuación
- -A * cos(60) + B * cos(30) + 0 = 0
- A * cos(60) = B * cos(30)
- A = B * cos(30) / cos(60)
- Se resuelven las operaciones
- A = 1.73 B
- Se resuelven las operaciones en la segunda ecuación
- A * sen(60) + B * sen(30) - 7.84 = 0
- 0.87A + 0.5B = 7.84N
- Se reemplaza A por el resultado de la ecuación anterior
- 0.87(1.73B) + 0.5B = 7.84N
- Se resuelven las operaciones
- 1.5B + 0.5B = 7.84
- 2B = 7.84
- B = 7.84N / 2
- B = 39.2N
- Conociendo el valor de B se reemplaza en la primera ecuación
- A = 1.73B
- A = 1.73(39.2N)
- A = 67.8N
Ejemplo 4: Un automóvil se desplaza a una velocidad constante en una carretera recta. Si la masa del automóvil es de 1200 kg y no se aplica ninguna fuerza adicional, ¿qué fuerzas actúan sobre el automóvil y en qué dirección?
En este caso, el automóvil se mueve a una velocidad constante, lo que significa que no hay aceleración neta. Según la primera ley de Newton, un objeto en movimiento rectilíneo uniforme continuará moviéndose con la misma velocidad a menos que actúe una fuerza externa sobre él.
- Se calcula el peso del automóvil
- W = m * g
- W = 1200 kg * 9.8 m/s²
- W = 11760 N
El peso del automóvil apunta hacia abajo y tiene un valor de 11760 N. En este caso, las fuerzas que actúan sobre el automóvil son su peso y la fuerza normal de la carretera, que se cancelan mutuamente, ya que no hay aceleración vertical.
- Determinación de las fuerzas horizontales
- ∑Fx = 0 (debido a la velocidad constante)
- Ninguna fuerza horizontal adicional actúa sobre el automóvil
De acuerdo con la primera ley de Newton, la suma de las fuerzas horizontales es igual a cero, ya que el automóvil se mueve con velocidad constante. Por lo tanto, no hay fuerzas horizontales adicionales actuando sobre el automóvil.
Conclusión
La Primera Ley de Newton o Ley de la Inercia es una piedra angular en la física y la mecánica que nos proporciona una comprensión fundamental del comportamiento de los objetos en movimiento o en reposo. A lo largo de este artículo, hemos explorado por qué es crucial conocer esta ley, su historia y el motivo por el cual lleva el nombre de la "Ley de la Inercia". Además, hemos examinado cómo esta ley se aplica en nuestra vida cotidiana y en diversos campos profesionales.
Comprender la Primera Ley de Newton nos brinda la capacidad de analizar y predecir el comportamiento de los objetos y sistemas en diversas situaciones. Desde la seguridad en el tráfico hasta el diseño de naves espaciales, esta ley tiene un impacto significativo en la tecnología y la ingeniería. A medida que continuamos avanzando en la exploración del mundo natural y el desarrollo de tecnología, la influencia de esta ley en nuestra sociedad sigue siendo innegable.
En resumen, la Primera Ley de Newton es un pilar esencial de la física y la ciencia que, además de su importancia teórica, tiene aplicaciones prácticas que mejoran nuestra calidad de vida y nuestro entendimiento del mundo que nos rodea. Estudiar y aplicar esta ley es un recordatorio de la genialidad de Isaac Newton y su impacto duradero en la ciencia y la tecnología modernas.