Primera ley de movimiento de Newton – Part 1

En física, el cambio de posición de un objeto con respecto a su entorno en un intervalo de tiempo determinado se define como movimiento. El movimiento de un cuerpo con masa m se puede describir en términos matemáticos como distancia, desplazamiento, rapidez, velocidad, tiempo y aceleración. Sobre la base de las observaciones del experimento de Galileo Galilei, Newton presentó tres leyes del movimiento. Estas leyes se conocen como Leyes del movimiento de Newton. Antes de explicar las Leyes de movimiento de Newton, analice primero algunos términos básicos como fuerza, tipos de fuerzas, inercia como:

Fuerza

Se define como un empuje o tracción sobre un objeto que produce una aceleración en el cuerpo sobre el que actúa. Una fuerza puede cambiar la velocidad, la dirección y la forma del cuerpo sobre el que actúa. 

Matemáticamente, se define como el producto de la masa (m) y la aceleración (a) como:

F = mamá

La unidad SI de fuerza es Newton (N) .

Principalmente, existen dos tipos de fuerzas: Fuerzas equilibradas y Desequilibradas.

• Fuerzas Equilibradas: Se dice que las fuerzas son fuerzas equilibradas si se anulan entre sí y su fuerza resultante es equivalente a cero.
• Fuerzas desequilibradas: cuando dos fuerzas opuestas actúan sobre un cuerpo, mueven un cuerpo en la dirección de la fuerza mayor o las fuerzas que provocan un movimiento en un cuerpo se denominan fuerzas desequilibradas.

Inercia

La tendencia natural de un objeto a resistir un cambio en su estado de reposo o de movimiento uniforme se llama inercia .

Leyes de movimiento de Newton

Sir Isaac Newton dio las tres leyes del movimiento en el siglo XVII. Estas leyes son ampliamente utilizadas en el campo de la mecánica clásica. Son válidos en casi todas partes. Las leyes se describen brevemente a continuación.

La primera ley de Newton establece que un cuerpo en reposo o en movimiento uniforme seguirá estando en reposo o en movimiento uniforme hasta que una fuerza externa neta actúe sobre él.

La segunda ley de Newton establece que la aceleración de un objeto producida por una fuerza neta es directamente proporcional a la magnitud de la fuerza neta, en la misma dirección que la fuerza neta e inversamente proporcional a la masa del objeto.

La 3ra ley de Newton establece que para cada acción hay una reacción igual y opuesta.

Aquí, en el presente artículo, sólo se explica adecuadamente la primera ley del movimiento. Esta ley habla de la relación entre el movimiento de un objeto y la fuerza que actúa sobre él.

Primera ley de movimiento de Newton

La primera ley del movimiento establece que un cuerpo continúa en estado de reposo o movimiento uniforme en línea recta a menos que una fuerza externa desequilibrada actúe sobre él. También se le llama la Ley de la Inercia .

En palabras simples, podemos decir que los objetos no pueden comenzar, detenerse o cambiar de dirección por sí solos. Requieren alguna fuerza externa para causar tal cambio. Esta tendencia de los objetos a resistir ciertos cambios en su estado de movimiento o reposo se conoce como inercia. 

La primera ley del movimiento depende de las siguientes dos condiciones:

• Objetos en reposo: si un objeto está en estado de reposo, su velocidad y aceleración tienen magnitud cero. Esto permite que el objeto permanezca en reposo.
• Objetos en movimiento: si un objeto está en movimiento, su velocidad no es igual a cero, mientras que la aceleración es igual a cero. Por lo tanto, el objeto continuará en movimiento uniforme.

¿Cómo se aplica la primera ley del movimiento de Newton en la vida cotidiana?

• Cuando los frenos de un vehículo se aplican rápidamente, el pasajero será lanzado hacia adelante debido a la presencia de inercia. La inercia intenta mantener al pasajero en movimiento. Esta es la razón por la cual se recomienda usar cinturones de seguridad cuando se viaja en vehículos.
• Una montaña rusa utiliza el principio de inercia. Continúa moviéndose en la misma dirección a una velocidad constante hasta que las orugas actúan como una fuerza externa que cambia su dirección. 
• Si deslizas un disco de hockey sobre hielo, eventualmente se detendrá. Esto se debe a la fricción con el hielo o si golpea algo, como el palo de un jugador o un poste de la portería. 
• Un libro que está sobre la mesa permanece en reposo mientras no actúe ninguna fuerza neta sobre él.
• Un corredor de maratón sigue corriendo varios metros más allá de la línea de meta debido a la inercia.
• Si se tira rápidamente, se puede quitar un mantel de debajo de los platos. Los platos permanecen quietos a menos que la fricción del movimiento del mantel no sea demasiado grande.
• A los hombres en el espacio les resulta más difícil dejar de moverse debido a la falta de gravedad que actúa contra ellos.
• La inercia permite a los patinadores sobre hielo deslizarse sobre el hielo en línea recta.

Problemas de muestra 

Problema 1: Una persona está en un ascensor que se mueve hacia arriba a una velocidad constante. El peso de la persona es de 800 N. Inmediatamente, la cuerda del ascensor se rompe, por lo que el ascensor se cae. Determine la fuerza normal que actuó el piso del ascensor sobre la persona justo antes y después de que se rompiera la cuerda del ascensor.

Solución:

Dado que, 

El peso de la persona, W = 800 N.

Antes de que se rompiera la cuerda del ascensor:

Cuando la persona está en el ascensor, el peso actúa sobre la persona hacia abajo. Una fuerza normal actúa sobre la persona hacia arriba y la magnitud de la fuerza normal es igual al peso. Debido a que la persona está en reposo en el ascensor y el ascensor se mueve a una velocidad constante sin aceleración, entonces no hay una fuerza neta que actúe sobre la persona.

∑F = 0

norte – w = 0

norte = w

norte = 800 norte

After the elevator’s rope broke:

The elevator and the person free fall together, where the magnitude and the direction of their acceleration(a) is equal to acceleration due to gravity(g). There is no normal force on the person.

Hence, the normal force acted by elevator’s floor to the person just before and after the elevator’s rope broke are 800 N and 0 N respectively.

Problema 2: ¿Qué fuerza neta se requiere para mantener un objeto de 100 kg en movimiento con una velocidad constante de 10 m/s?

Solución:

La primera ley de Newton establece que un objeto en movimiento tiende a permanecer en movimiento a menos que una fuerza neta actúe sobre él. Esto significa que si no hay fricción, no se requiere fuerza neta para mantener un objeto en movimiento si está en movimiento. 

Solo se requiere una fuerza neta para cambiar el movimiento de un objeto. El objeto de 100 kg se mueve a una velocidad constante, es decir, no hay una fuerza neta que actúe sobre el objeto. 

Entonces, la fuerza neta es igual a 0 N.

Problema 3: Una persona viaja en un avión a una velocidad constante de 500 mph. Otra persona viaja en su automóvil a una velocidad constante de 50 mph. Determine quién experimenta una mayor aceleración en ambos casos.

Solución:

Dado que ambas personas viajan a una velocidad constante, la aceleración de ambas personas es cero. 

Por lo tanto, ninguna de las personas experimenta ninguna aceleración. 

Como la aceleración es cero, entonces no hay una fuerza neta que actúe sobre ambas personas.

Problema 4: Un pasajero en un ascensor tiene una masa que ejerce una fuerza de 110N hacia abajo. Experimenta una fuerza normal hacia arriba desde el piso del ascensor de 130N. ¿En qué dirección está acelerando, si es que lo hace, ya qué velocidad? Usar g=10 m/s ²

Solución:

Aquí, la fuerza neta es igual a (130 – 120) N = 20N hacia arriba. 

Para encontrar la masa del pasajero, utilice la siguiente fórmula:

F = mg

m = 110 N / 10 m/s ² 

    = 11 kg

Luego, para encontrar la aceleración neta, usa la segunda ley de Newton.

F = mamá

a = 20N /11kg

  = 1,81 m/ ^s2

Problema 5: Una nave espacial de 1500 kg viaja en el vacío del espacio a una velocidad constante de 600 m/s. Ignorando las fuerzas gravitatorias, ¿cuál es la fuerza neta sobre la nave espacial?

Solución:

En el vacío, no hay fricción debido a la resistencia del aire. La primera ley de Newton establece que un objeto en movimiento permanece en movimiento a menos que una fuerza neta actúe sobre él. Por lo tanto, la nave espacial viajará a una velocidad constante de 600 m/s y la fuerza neta sobre la nave espacial debe ser cero ya que la aceleración también es cero. 

Ya que, 

F = mamá

Por lo tanto,

F = (1500kg)(0m/s ² )

  = 0 norte

Problema 6: Una pelota rueda desde la parte trasera de un tren que va a 50 mph. Despreciando la fricción del aire, ¿cuál es la velocidad horizontal de la pelota justo antes de tocar el suelo?

Solución:

La primera ley de Newton establece que un objeto en movimiento tiende a permanecer en movimiento a menos que una fuerza externa actúe sobre él. 

Despreciando la fricción del aire, no hay una fuerza externa que disminuya la velocidad de la pelota en dirección horizontal después de que se cae del tren. 

La aceleración de la gravedad solo afectaría a la pelota en la dirección vertical. 

Entonces, la velocidad horizontal de la pelota es de 50 mph.

Problema 7: Una furgoneta circula con una bola de bolos en la parte trasera, libre para rodar. La furgoneta se acerca a un semáforo en rojo y debe desacelerar para detenerse por completo. A medida que la furgoneta reduce la velocidad, ¿en qué dirección rueda la bola de boliche?

Solución:

De acuerdo con la Primera Ley del Movimiento de Newton, un objeto que está en movimiento permanecerá en movimiento a menos que otra fuerza actúe sobre él. 

Cuando la camioneta reduce la velocidad, la pelota querrá seguir moviéndose hacia adelante y la fricción entre ella y el piso de la camioneta no es lo suficientemente fuerte para mantener la pelota atrás. 

Entonces, la bola de boliche rueda hacia el frente de la camioneta.