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Capítulo III Dinámica de la partícula 3.1 Primera y segunda ley de Newton Hasta el momento hemos considerado el movimiento de una partícula sin tener en cuenta las causas del mismo. La experiencia nos demuestra que un cuerpo no modifica su movimiento a menos que se ejerzan acciones sobre él. En otras palabras, la experiencia dice que un cuerpo no cambia su movimiento a menos que se lo ponga eninteracción con otro. Queremos significar con la expresión “no cambia su movimiento” que el vector velocidad de la partícula permanece constante. Este enunciado es en realidad una ley física deducida a partir de la experiencia. Obviamente lo expuesto representa una experiencia física ideal, puesto que consiste en la observación del movimiento de una partícula libre de toda interacción. La condiciónideal puede aproximarse mediante experiencias reales cada vez mas refinadas. La ley enunciada se denomina “Primera ley de Newton”. En términos más precisos la primera ley de Newton establece que: Un cuerpo libre de acciones exteriores se mueve con movimiento rectilíneo y uniforme (pues
d v / dt = a = 0 ). Por el momento utilizamos el término cuerpo como sinónimo de partícula, pues no consideramossu forma, constitución o tamaño. Los ejemplos se aplican a cuerpos reales para hacer más fácil la comprensión; sin embargo, los vectores fuerzas, velocidades y aceleración estarán aplicados únicamente en un punto. En particular, si el cuerpo está inicialmente en reposo respecto a un sistema de referencia, continuara en reposo, mientras no tenga una interacción con otro cuerpo. Cuando hablamos demodificaciones de la velocidad, como la velocidad es un vector, no nos estamos refiriendo únicamente a cambios en el modulo (aceleración tangencial), sino también a cambios en la dirección del movimiento (aceleración centrípeta). La interacción sobre un cuerpo se realiza ejerciendo un esfuerzo sobre el mismo, o poniendo el mismo en contacto con sistemas, en los que observamos ciertasmodificaciones (deformaciones aceleraciones, calentamientos, etc.) En el Capítulo II al describir los movimientos y velocidades relativas, lo hacíamos respecto a un sistema de referencia. Este concepto es fundamental para las leyes del movimiento de Newton. Supongamos que viaja en un avión que acelera para despegar. Si pudiera pararse en el pasillo usando patines, comenzaría a moverse hacia atrás en relaciónal avión. En cambio, si el avión estuviera aterrizando, usted comenzaría a moverse hacia adelante al frenar el avión. En ambos casos parecería que no se cumple la primera ley de Newton, ya que sobre usted no actúa una fuerza y sin embargo su velocidad cambia. ¿Qué es lo que está ocurriendo? La cuestión es que el avión que acelera (o desacelera) respecto a la Tierra no es un marco de referenciaapropiado para la primera ley de Newton. Esta ley es válida para algunos marcos de referencia, pero no en otros. Un marco de referencia en el que es válida la primera ley de Newton es un marco de referencia inercial. La Tierra es aproximadamente un marco de referencia inercial, pero no el avión (La Tierra no es un marco completamente inercial debido a la aceleración asociada a su rotación y sumovimiento alrededor del Sol, aunque estos efectos son pequeños). Un observador ubicado en el avión (marco de referencia no-inercial) podría inferir que existe una fuerza neta actuando sobre usted, ya que su velocidad relativa al avión cambia.
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Esto no es correcto, pues la fuerza que actúa sobre usted es cero. El error del observador es tratar de aplicar la primera ley de Newton en el marcode referencia del avión, que no es inercial (pues está sufriendo una aceleración) y en el que dicha ley no es válida. Si un marco es inercial, todos los que se muevan con velocidad constante respecto a él, serán inerciales. Más adelante (en este mismo capítulo) trataremos en detalle el problema de los sistemas inerciales y el de los sistemas acelerados. La experiencia también nos indica que...