Como se describe en la tercera de las leyes del movimiento de Newton de la mecánica clásica , todas las fuerzas ocurren en pares, de modo que si un objeto ejerce una fuerza sobre otro objeto, el segundo objeto ejerce una fuerza de reacción igual y opuesta sobre el primero. [1] [2] La tercera ley también se establece de manera más general como: "A cada acción siempre se opone una reacción igual: o las acciones mutuas de dos cuerpos entre sí son siempre iguales y están dirigidas a partes contrarias". [3] La atribución de cuál de las dos fuerzas es la acción y cuál es la reacción es arbitraria. Cualquiera de los dos puede considerarse la acción, mientras que el otro es su reacción asociada.
Ejemplos de
Interacción con el suelo
Cuando algo está ejerciendo fuerza sobre el suelo, el suelo empujará hacia atrás con la misma fuerza en la dirección opuesta. En ciertos campos de la física aplicada, como la biomecánica , esta fuerza del suelo se denomina " fuerza de reacción del suelo "; la fuerza del objeto en el suelo se considera la "acción".
Cuando alguien quiere saltar, ejerce una fuerza adicional hacia abajo sobre el suelo ("acción"). Simultáneamente, el suelo ejerce una fuerza ascendente sobre la persona ('reacción'). Si esta fuerza hacia arriba es mayor que el peso de la persona, esto resultará en una aceleración hacia arriba. Cuando estas fuerzas son perpendiculares al suelo, también se les llama fuerza normal .
Del mismo modo, las ruedas giratorias de un vehículo intentan deslizarse hacia atrás por el suelo. Si el suelo no es demasiado resbaladizo, esto da lugar a un par de fuerzas de fricción : la "acción" de la rueda sobre el suelo en dirección hacia atrás y la "reacción" del suelo sobre la rueda en dirección hacia adelante. Esta fuerza de avance impulsa el vehículo.
Fuerzas gravitacionales
La Tierra , entre otros planetas , orbita al Sol porque el Sol ejerce una atracción gravitacional que actúa como una fuerza centrípeta , sujetando a la Tierra a ella, que de otra manera saldría disparada hacia el espacio. Si la atracción del Sol se considera una acción, entonces la Tierra ejerce simultáneamente una reacción como atracción gravitacional sobre el Sol. El tirón de la Tierra tiene la misma amplitud que el Sol pero en la dirección opuesta. Dado que la masa del Sol es mucho más grande que la de la Tierra, el Sol generalmente no parece reaccionar a la atracción de la Tierra, pero de hecho lo hace, como se demuestra en la animación (no a una escala precisa). Una forma correcta de describir el movimiento combinado de ambos objetos (ignorando todos los demás cuerpos celestes por el momento) es decir que ambos orbitan alrededor del centro de masa , denominado en astronomía como baricentro , del sistema combinado.
Masa soportada
Cualquier masa en la tierra es arrastrada hacia abajo por la fuerza gravitacional de la tierra; esta fuerza también se llama peso . La "reacción" correspondiente es la fuerza gravitacional que ejerce la masa sobre el planeta.
Si el objeto se sostiene de manera que permanezca en reposo, por ejemplo, mediante un cable del que cuelga, o una superficie debajo, o un líquido sobre el que flota, también existe una fuerza de soporte en dirección hacia arriba ( tensión fuerza, fuerza normal , boyante fuerza, respectivamente). Esta fuerza de apoyo es una fuerza "igual y opuesta"; sabemos esto no por la tercera ley de Newton, sino porque el objeto permanece en reposo, por lo que las fuerzas deben estar equilibradas.
A esta fuerza de apoyo también hay una "reacción": el objeto tira del cable de apoyo hacia abajo o empuja hacia abajo la superficie de apoyo o el líquido. En este caso, hay por tanto cuatro fuerzas de igual magnitud:
- F 1 . fuerza gravitacional de la tierra sobre el objeto (hacia abajo)
- F 2 . fuerza gravitacional por objeto en la tierra (hacia arriba)
- F 3 . fuerza por apoyo en objeto (hacia arriba)
- F 4 . fuerza por objeto sobre soporte (hacia abajo)
Las fuerzas F 1 y F 2 son iguales debido a la tercera ley de Newton; lo mismo es cierto para las fuerzas F 3 y F 4 . Las fuerzas F 1 y F 3 son iguales si y solo si el objeto está en equilibrio y no se aplican otras fuerzas. (Esto no tiene nada que ver con la tercera ley de Newton).
Misa en un manantial
Si una masa cuelga de un resorte, se aplican las mismas consideraciones que antes. Sin embargo, si este sistema se perturba (por ejemplo, la masa recibe una ligera patada hacia arriba o hacia abajo, digamos), la masa comienza a oscilar hacia arriba y hacia abajo. Debido a estas aceleraciones (y desaceleraciones posteriores), de la segunda ley de Newton concluimos que una fuerza neta es responsable del cambio observado en la velocidad. La fuerza gravitacional que tira hacia abajo de la masa ya no es igual a la fuerza elástica hacia arriba del resorte. En la terminología de la sección anterior, F 1 y F 3 ya no son iguales.
Sin embargo, sigue siendo cierto que F 1 = F 2 y F 3 = F 4 , ya que esto lo exige la tercera ley de Newton.
Mala interpretación causal
Los términos "acción" y "reacción" tienen la sugerencia engañosa de causalidad , como si la "acción" fuera la causa y la "reacción" fuera el efecto. Por lo tanto, es fácil pensar en la segunda fuerza como si estuviera allí debido a la primera, e incluso sucediendo algún tiempo después de la primera. Esto es incorrecto; las fuerzas son perfectamente simultáneas y están ahí por la misma razón. [4]
Cuando las fuerzas son causadas por la voluntad de una persona (por ejemplo, un jugador de fútbol patea una pelota), esta causa voluntaria a menudo conduce a una interpretación asimétrica, donde la fuerza del jugador sobre la pelota se considera la 'acción' y la fuerza de la pelota. en el jugador, la 'reacción'. Pero físicamente, la situación es simétrica. Las fuerzas sobre la pelota y el jugador se explican por su proximidad, lo que da como resultado un par de fuerzas de contacto (en última instancia, debido a la repulsión eléctrica). Que esta cercanía sea causada por una decisión del jugador no tiene relación con el análisis físico. En lo que respecta a la física, las etiquetas "acción" y "reacción" pueden cambiarse. [4]
'Igual y opuesto'
Un problema observado con frecuencia por los educadores de física es que los estudiantes tienden a aplicar la tercera ley de Newton a pares de fuerzas "iguales y opuestas" que actúan sobre el mismo objeto. [5] [6] [7] Esto es incorrecto; la tercera ley se refiere a fuerzas sobre dos objetos diferentes. Por ejemplo, un libro que está sobre una mesa está sujeto a una fuerza gravitacional hacia abajo (ejercida por la tierra) y a una fuerza normal hacia arriba por parte de la mesa. Dado que el libro no se acelera, estas fuerzas deben estar exactamente equilibradas, de acuerdo con la primera o segunda ley de Newton. Por tanto, son "iguales y opuestos". Sin embargo, estas fuerzas no siempre son igualmente fuertes; serán diferentes si el libro es empujado hacia abajo por una tercera fuerza, o si la mesa está inclinada, o si el sistema de mesa y libro está en un elevador acelerado. El caso de tres o más fuerzas se cubre considerando la suma de todas las fuerzas.
Una posible causa de este problema es que la tercera ley a menudo se enuncia de forma abreviada: para cada acción hay una reacción igual y opuesta, [8] sin los detalles, a saber, que estas fuerzas actúan sobre dos objetos diferentes. Además, existe una conexión causal entre el peso de algo y la fuerza normal: si un objeto no tuviera peso, no experimentaría la fuerza de soporte de la mesa, y el peso dicta qué tan fuerte será la fuerza de soporte. Esta relación causal no se debe a la tercera ley sino a otras relaciones físicas del sistema.
Fuerza centrípeta y centrífuga
Otro error común es afirmar que "la fuerza centrífuga que experimenta un objeto es la reacción a la fuerza centrípeta sobre ese objeto". [9] [10]
Si un objeto estuviera sujeto simultáneamente tanto a una fuerza centrípeta como a una fuerza centrífuga igual y opuesta , la fuerza resultante desaparecería y el objeto no podría experimentar un movimiento circular. La fuerza centrífuga a veces se denomina fuerza ficticia o pseudofuerza, para subrayar el hecho de que tal fuerza solo aparece cuando los cálculos o mediciones se realizan en marcos de referencia no inerciales. [11]
Ver también
Referencias
- ^ Taylor, John R. (2005). Mecánica clásica . Libros universitarios de ciencia. págs. 17-18. ISBN 9781891389221.
- ^ Shapiro, Ilya L .; de Berredo-Peixoto, Guilherme (2013). Notas de la conferencia sobre mecánica newtoniana: lecciones de conceptos modernos . Springer Science & Business Media. pag. 116. ISBN 978-1461478256. Consultado el 28 de septiembre de 2016 .
- ↑ Esta traducción de la tercera ley y el comentario que la sigue se puede encontrar en los " Principia " en la página 20 del volumen 1 de la traducción de 1729 .
- ^ a b Brown, David (1989). "Concepto de fuerza de los estudiantes: la importancia de comprender la tercera ley de Newton". Phys. Educ . 24 (6): 353–358. doi : 10.1088 / 0031-9120 / 24/6/007 .
Aunque un cuerpo puede ser más 'activo' que el otro cuerpo y, por lo tanto, puede parecer que inicia la interacción (por ejemplo, una bola de boliche golpeando un pin), la fuerza que el cuerpo A ejerce sobre el cuerpo B es siempre simultánea con la fuerza que B ejerce sobre A. .
- ^ Colin Terry y George Jones (1986). "Marcos alternativos: tercera ley de Newton y cambio conceptual". Revista europea de educación científica . 8 (3): 291-298. Código Bibliográfico : 1986IJSEd ... 8..291T . doi : 10.1080 / 0140528860080305 .
Este informe destaca algunas de las dificultades que experimentan los niños con la tercera ley de Newton.
- ^ Cornelis Hellingman (1992). "Tercera ley de Newton revisada". Educación física . 27 (2): 112-115. Código bibliográfico : 1992PhyEd..27..112H . doi : 10.1088 / 0031-9120 / 27/2/011 .
... siguiente pregunta por escrito: La tercera ley de Newton habla de "acción" y "reacción". Imagínese una botella de vino sobre una mesa. Si la fuerza gravitacional que atrae la botella se llama acción, ¿qué fuerza es la reacción a esta fuerza de acuerdo con la tercera ley de Newton? La respuesta que se dio con más frecuencia fue: "La fuerza normal que ejerce la mesa sobre la botella".
- ^ French, Anthony (1971), Newtonian Mechanics , pág. 314,
... la tercera ley de Newton, que "la acción y la reacción son iguales y opuestas"
- ^ Hall, Nancy. "Tercera ley de Newton aplicada a la aerodinámica" . NASA. Archivado desde el original el 3 de octubre de 2018.
por cada acción (fuerza) en la naturaleza hay una reacción igual y opuesta
- ^ Adair, Aaron (2013), Conceptos erróneos de los estudiantes sobre la mecánica newtoniana: orígenes y soluciones a través de cambios en la instrucción ,
esto fue atacado por Newton, quien intentó que la fuerza centrípeta en los planetas (a partir de interacciones gravitacionales) coincidiera con la fuerza centrífuga para que hubiera ser un equilibrio de fuerzas basado en su tercera ley de movimiento
- ^ Aiton, Eric (1995), Swetz, Frank; et al. (eds.), Un episodio en la historia de la mecánica celeste y su utilidad en la enseñanza de las matemáticas aplicadas , Learn from the Masters, The Mathematical Association of America, ISBN 978-0883857038,
... en uno de sus ataques a Leibniz escrito en 1711, Newton dice que la fuerza centrífuga es siempre igual y opuesta a la fuerza de gravedad por la tercera ley del movimiento.
- ^ Singh, Chandralekha (2009), "Centripetal Acceleration: Often Forgotten or Malinterpreted", Physics Education , 44 (5): 464–468, arXiv : 1602.06361 , doi : 10.1088 / 0031-9120 / 44/5/001 , S2CID 118701050 ,
Otra dificultad es que los estudiantes a menudo consideran las pseudo fuerzas, por ejemplo, la fuerza centrífuga, como si fueran fuerzas reales que actúan en un marco de referencia inercial.
Bibliografía
- Feynman, RP, Leighton y Sands (1970) Las conferencias de Física Feynman , Volumen 1, Addison Wesley Longman, ISBN 0-201-02115-3 .
- Resnick, R. y D. Halliday (1966) Physics, Part 1 , John Wiley & Sons, Nueva York, 646 págs. + Apéndices.
- Warren, JW (1965) La enseñanza de la física , Butterworths, Londres, 130 págs.