La infografía de las leyes de Newton condensa 3 principios simples que aún gobiernan la ingeniería, la biomecánica, la navegación espacial y, en menor escala, cada vez que se frena la bicicleta. De esta forma, a continuación, expondremos cuáles son los fundamentos teóricos y las aplicaciones más comunes de las leyes formuladas por Isaac Newton en 1687.
Fundamentos teóricos de las leyes de Newton
En esta infografía de las 3 leyes de Newton, hay que mencionar que este combinó la inercia de Galileo, las órbitas elípticas de Kepler y el método de fluxiones que desarrolló de forma privada durante la plaga de 1665-1666.
Al respecto, este reunió todo en Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, obra que demostró que la misma regla que explica la caída de una manzana describe el movimiento de la Luna.
De tal manera, las 3 leyes proporcionan la base para calcular trayectorias, diseñar estructuras y comprender fenómenos cotidianos como el retroceso de una pistola o el empuje de un cohete.
Primera ley de Newton o ley de inercia
“Todo cuerpo persevera en su estado de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme, salvo que sea obligado a cambiar ese estado por fuerzas impresas.”
En esta infografía de las leyes de Isaac Newton, se destaca que, la primera ley formaliza la idea de inercia, es decir, si no actúa ninguna fuerza neta, la velocidad de un cuerpo permanece constante.
Sistemas de referencia inerciales
Para que la ley se cumpla, se necesita un sistema en el que no existan aceleraciones externas.
El interior de un tren que avanza a velocidad constante o la superficie terrestre lejos del ecuador, en el que la rotación introduce pequeñas desviaciones, son buenos ejemplos prácticos.
Aplicaciones de la primera ley de Newton
Algunas de las aplicaciones de la primera ley de Newton son las siguientes:
- Retención vehicular: un pasajero sigue moviéndose cuando el automóvil se detiene; un cinturón de seguridad aplica la fuerza que falta.
- Satélites en crucero: una vez en órbita, no necesitan propulsión continua; la inercia mantiene su velocidad mientras la gravedad curva su trayectoria.
Segunda ley de Newton o ley fundamental de la dinámica
En la infografía de las leyes de Newton, hay que destacar que la segunda se basa en que la fuerza neta que actúa sobre un cuerpo es proporcional a la razón de cambio de su cantidad de movimiento (F = dp/dt).
Si la masa es constante, la fórmula se simplifica a F = m·a.
Casos especiales
Algunos de los casos especiales de la segunda ley de Newton o ley fundamental de la dinámica:
Masa constante
La mayoría de las máquinas terrestres, tales como los automóviles, puentes grúa, ascensores, se diseñan bajo esta premisa.
Conocer la masa fija y la aceleración requerida, basta para estimar motores, frenos y columnas de soporte.
Masa variable
En cohetería, la masa disminuye al expulsar gases. La ecuación de Tsiolkovski, un derivado directo de la segunda ley, vincula la velocidad máxima alcanzable con la razón entre masa inicial y masa final del vehículo.
Impulso
El impulso es la integral de la fuerza en el tiempo y equivale al cambio de momento lineal. En deportes de raqueta, prolongar el contacto con la pelota aumenta el impulso y, por lo tanto, la velocidad de salida.
Aplicaciones de la segunda ley de Newton
Algunas de las aplicaciones de la segunda ley de Newton son los siguientes:
- Airbags: al alargar unos milisegundos la desaceleración del tórax, reducen la fuerza media sobre el cuerpo.
- Prótesis robóticas: la elección de motores depende de la masa del segmento artificial y de la aceleración deseada; un cálculo correcto evita desgaste prematuro y asegura naturalidad en la marcha.
Tercera ley de Newton o principio de acción y reacción
“Con toda acción ocurre siempre una reacción igual y contraria: las acciones mutuas de dos cuerpos son siempre de la misma magnitud y dirigidas en sentidos opuestos.”
Aplicaciones de la tercera ley de Newton
En la infografía de las leyes de Newton, hay que resaltar las siguientes aplicaciones de la tercera ley:
- Propulsión de cohetes: los gases expulsados hacia abajo aplican una fuerza igual hacia arriba sobre el vehículo.
- Marcha humana: el pie ejerce una presión contra el suelo, que devuelve una fuerza que impulsa el cuerpo hacia adelante.
- Natación: las manos empujan el agua hacia atrás; la reacción del fluido mueve al nadador hacia adelante.
Historia
El Principia se editó en 1687 gracias al apoyo financiero de Edmond Halley, autor también del prefacio. La segunda edición (1713) incorporó correcciones y la tercera (1726) perfeccionó definiciones, incluidas las célebres “Reglas del razonamiento en filosofía”.
En el siglo XVIII, Leonhard Euler y Joseph-Louis Lagrange reformularon las leyes en términos de energías y coordenadas generalizadas.
Laplace aplicó la gravitación a la dinámica del sistema solar, mostrando que las perturbaciones planetarias podían calcularse con precisión, reforzando la visión mecanicista del universo.
Limitaciones y generalizaciones posteriores
En esta infografía de Newton, hay que resaltar que sus leyes son exactas cuando las velocidades son pequeñas comparadas con la luz y cuando los campos gravitatorios son moderados.
En otros regímenes se requieren teorías más amplias:
Generalizaciones relativistas
Albert Einstein mostró en 1905 que la masa aumenta con la velocidad y, en 1915, que la gravedad no es una fuerza, sino la curvatura del espacio-tiempo producida por la energía.
En esta perspectiva, la segunda ley se reescribe con tensores y la órbita elíptica de Mercurio recibe una pequeña corrección, confirmado por observación en 1919.
Teorema de Ehrenfest
La mecánica cuántica conserva la estructura de la dinámica clásica en valores promediados: el valor esperado de la posición y el momento de una partícula obedece la segunda ley si la fuerza deriva de un potencial, creando un puente entre el mundo cuántico y el macroscópico.
Las leyes de Newton siguen explicando el movimiento
Esta infografía de las leyes de Newton muestra cómo son la base de la mayoría de los cálculos de ingeniería y de los simuladores digitales que entrenan a pilotos, diseñan motores o generan efectos especiales en cine.
Así pues, esta permite comprender que, a 3 siglos de distancia, la intuición de un joven de Lincolnshire todavía describe por qué se mueven las cosas y cómo es posible controlarlas.
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