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En 1687, un hombre llamado Isaac Newton publicó un libro que lo cambió todo.
Se llamaba Principia Mathematica, y en él explicó tres leyes simples que explican cómo se mueven los objetos, desde una pelota rodando hasta un cohete abandonando la Tierra.
Newton no descubrió la gravedad al ser golpeado en la cabeza con una manzana. Eso es un mito. Lo que realmente hizo fue mucho más impresionante: vio lo que todos veían, cosas cayendo, e hizo la pregunta ¿por qué?
Al final de esta lección, comprenderás las tres leyes que gobiernan cada empujón, tirón, choque y órbita en el universo.
Calentamiento
Antes de Empezar
Empecemos con algo que has experimentado todos los días de tu vida.
Los Objetos Resisten el Cambio
La Primera Ley de Newton
Un objeto en reposo permanece en reposo, y un objeto en movimiento permanece en movimiento a la misma velocidad y en la misma dirección, a menos que sea actuado por una fuerza desequilibrada.
Esta propiedad se llama inercia. Todo en el universo resiste que su movimiento sea cambiado.
Un libro sentado en una mesa se sentará allí para siempre a menos que algo lo empuje. Un disco de hockey deslizándose en hielo sin fricción se deslizaría para siempre en línea recta a menos que algo lo detuviera.
Esto fue revolucionario. Antes de Newton, la gente asumía que los objetos naturalmente se ralentizaban. Newton se dio cuenta de que ralentizarse no es natural, solo ocurre por fuerzas como la fricción y la resistencia del aire.
La Inercia en la Vida Cotidiana
Experimentas Inercia Todos los Días
Los cinturones de seguridad existen por inercia. Cuando un coche se detiene de repente, tú no te detienes con el coche, tu cuerpo sigue moviéndose hacia adelante a la velocidad original del coche. El cinturón de seguridad es la fuerza desequilibrada que te detiene.
El truco del mantel funciona por inercia. Los platos están en reposo y resisten ser movidos. Si tiras del mantel lo suficientemente rápido, la fricción no tiene tiempo para acelerar los platos, y se quedan en su lugar.
Un balón de fútbol en el suelo permanece perfectamente quieto hasta que alguien lo patea. No tiene deseo de moverse, sin tendencia a moverse. Es completamente indiferente.
La Fuerza es igual a la Masa por la Aceleración
La Segunda Ley de Newton
La fuerza es igual a la masa por la aceleración: F = ma
Esta es la ecuación más útil en toda la física. Te dice tres cosas a la vez:
1. Cuanta más fuerza apliques a un objeto, más acelera (se acelera, se ralentiza o cambia de dirección).
2. Cuanta más masa tiene un objeto, menos se acelera por la misma fuerza.
3. Si conoces dos de los tres valores, fuerza, masa o aceleración, puedes calcular el tercero.
La masa es la cantidad de materia que contiene un objeto. Se mide en kilogramos.
La aceleración es qué tan rápido cambia la velocidad. Se mide en metros por segundo al cuadrado (m/s²).
La fuerza se mide en Newtons (N), sí, la unidad lleva su nombre.
Aplicando F = ma
Empujando Carritos
Piensa en este escenario: estás en una tienda de comestibles. Empujas un carrito de compras vacío y rueda fácilmente. Luego llenas el carrito con comestibles pesados y empujas con la misma fuerza.
Toda Acción tiene una Reacción Opuesta Igual
La Tercera Ley de Newton
Para toda acción, hay una reacción igual y opuesta.
Esto significa que las fuerzas siempre vienen en pares. No puedes empujar sin ser empujado hacia atrás.
Cuando caminas, tu pie empuja hacia atrás en el suelo, y el suelo te empuja hacia adelante. Ese empujón hacia adelante es lo que te mueve.
Cuando un cohete se lanza, no empuja contra el suelo ni el aire. Lanza gas caliente hacia abajo a una velocidad tremenda, y el gas empuja al cohete hacia atrás con fuerza igual, hacia arriba.
Cuando nadas, tus manos empujan el agua hacia atrás, y el agua te empuja hacia adelante.
Las fuerzas siempre tienen el mismo tamaño y son opuestas en dirección. Siempre.
Saltando en la Tierra
Una Pregunta que Desafía la Mente
Cuando saltas, tus piernas empujan hacia abajo en la Tierra. Por la Tercera Ley de Newton, la Tierra te empuja hacia arriba con una fuerza igual, eso es lo que te lanza al aire.
Pero aquí está la parte extraña: si empujas hacia abajo en la Tierra, y la Tierra te empuja hacia arriba, entonces las fuerzas son iguales. Vuelas hacia arriba. Entonces la Tierra debería moverse hacia abajo.
Gravitación Universal
La Ley de Gravitación Universal de Newton
Newton se dio cuenta de que la misma fuerza que hace que una manzana caiga de un árbol es la misma fuerza que mantiene la Luna orbitando la Tierra.
Todo objeto con masa atrae a todo otro objeto con masa. La intensidad de la atracción depende de dos cosas:
1. Masa: los objetos más masivos tiran más fuerte.
2. Distancia: los objetos más alejados tiran más débil. La fuerza disminuye con el cuadrado de la distancia, dos veces más lejos significa una cuarta parte de la tracción.
Peso vs. Masa
La masa es la cantidad de materia en ti. No cambia sin importar dónde estés.
El peso es la fuerza de la gravedad tirando de tu masa. Cambia dependiendo de dónde estés.
En la Luna, tienes la misma masa pero un sexto del peso, porque la gravedad de la Luna es más débil.
¿Por Qué No Cae la Luna?
Está cayendo, constantemente. Pero también se está moviendo hacia un lado tan rápido que cuando cae un poco, la superficie de la Tierra se ha curvado debajo de ella. Sigue cayendo y sigue perdiendo. Eso es lo que es una órbita: caer y perder el suelo para siempre.
Sin Peso pero No Libre de Gravedad
El Rompecabezas de la Estación Espacial
Los astronautas en la Estación Espacial Internacional flotan como si estuvieran sin peso. Probablemente has visto los videos, se tambalean, el agua forma gotas flotantes, y nada cae.
Aquí está el hecho sorprendente: la ISS orbita a unos 400 km sobre la Tierra. A esa altitud, la gravedad es todavía aproximadamente 90% tan fuerte como en la superficie.
Las Leyes de Newton en el Mundo Real
Fuerzas en Ingeniería y Deportes
Toda estructura, vehículo y deporte en la Tierra obedece las leyes de Newton.
Los puentes deben equilibrar todas las fuerzas para mantenerse inmóviles (Primera Ley). Los ingenieros calculan el peso del tráfico (Segunda Ley) y garantizan que cada soporte empuje hacia atrás con fuerza igual (Tercera Ley).
Los cohetes funcionan puramente por la Tercera Ley, lanzan masa en una dirección para acelerar en la otra. No hay aire para empujar en el espacio. El escape baja; el cohete sube.
Los deportes son física aplicada. Un bate de béisbol transfiere fuerza a una pelota (Segunda Ley). Un corredor empuja hacia atrás en los bloques de salida y los bloques lo empujan hacia adelante (Tercera Ley). Un disco de hockey se desliza por el hielo con fricción mínima, demostrando la Primera Ley.
Cada vez que un ingeniero diseña un coche, un puente o una nave espacial, está resolviendo las ecuaciones de Newton.
Física en Tu Deporte Favorito
Tu Turno
Ahora aplica lo que has aprendido.