El físico, matemático y astrónomo Inglés Sir Isaac Newton (1642-1727), basándose en los estudios de Galileo y Descartes, publicó en 1684 la primera gran obra de la Física: Principios matemáticos de filosofía natural, también conocidos como Principia. En la primera de las tres partes en la que se divide la obra, expone en tres leyes las relaciones existentes entre las fuerzas y sus efectos dinámicos: las leyes de la dinámica.
- Primera Ley de Newton o Principio de Inercia.
- Segunda Ley de Newton o Principio Fundamental.
- Tercera Ley de Newton o Principio de Acción Reacción.
La tercera ley de Newton o principio de acción y reacción establece que cuando dos cuerpos interacción aparecen fuerzas iguales y de sentidos opuestos en cada uno de ellos. Vamos a profundizar en su estudio a través de los siguientes puntos:
¿Comenzamos?
Concepto
Imagina una partida de canicas, todas con igual masa. Cuando lanzas una canica contra otra y se golpean, es probable que veas como la primera de ellas se para, y la segunda adquiere una velocidad muy similar a la que tenía la primera.
Partida de canicas y principio de acción - reacción
A la izquierda, la canica azul avanza a una velocidad . A la derecha la canica azul queda prácticamente detenida tras golpear a la canica roja, de igual masa que la primera. La roja, entonces, se pone en movimiento con una velocidad muy similar a la que tenía la azul.
A partir de este sencillo ejemplo puedes comprobar que, para que ambas canicas modifiquen su velocidad han tenido que verse sometidas a fuerzas. Dado que podemos suponer que las canicas se encuentran aisladas (no interaccionan con ningún otro elemento), las fuerzas solo han podido aparecer durante el golpe. Parece claro que en esa acción que supone el golpe ha debido aparecer una fuerza sobre la canica golpeada que la haga ponerse en movimiento. Además, también parece claro que, dado que la canica "golpeadora" se detiene, ha debido experimentar una reacción en forma de fuerza muy similar, pero de sentido contrario.
Con estas ideas en mente estamos en condiciones de dar una definición para esta tercera ley.
Definición
Cuando un cuerpo A ejerce una fuerza sobre otro cuerpo B, B reaccionará ejerciendo otra fuerza sobre A de igual módulo y dirección aunque de sentido contrario. La primera de las fuerzas recibe el nombre de fuerza de acción y la segunda fuerza de reacción.
Donde:
- : Es la fuerza de acción de A sobre B y su unidad de medida en el Sistema Internacional (S.I.) es el newton (N)
- : Es la fuerza de reacción de B sobre A y su unidad de medida en el S.I. también es el newton (N)
Algunas observaciones importantes:
- Las fuerzas de acción y reacción tienen el mismo módulo y dirección, pero sentidos contrarios. Entonces... ¿por qué no se anulan?
-
Estas fuerzas no se anulan mutuamente ya que se aplican sobre cuerpos distintos
Fuerzas de acción y reacción
Cuando empujas una caja, la fuerza que aplicas actúa sobre la caja (en azul). Esta fuerza es la responsable de que la caja se desplace. A su vez, la caja ejerce una fuerza de reacción sobre ti (en rojo) que es responsable de que sientas, sobre la palma de tus manos, una resistencia al movimiento de la misma.
- Una salvedad al punto anterior es el caso que se da cuando estudiamos los dos cuerpos como si se tratara de uno solo (las partículas que constituyen un sólido rígido, por ejemplo). En tal situación si que se anularían, pero su estudio queda fuera del alcance de este nivel
- El principio es aplicable no sólo a interacciones por contacto, también a fuerzas a distancia. Por ejemplo, el Sol, debido a su masa, ejerce una fuerza de atracción sobre la Tierra, pero esta última también ejerce una fuerza de atracción sobre el Sol de igual valor y sentido contrario. Entonces...¿por qué es la Tierra la que orbita alrededor del Sol y no al revés? Lo cierto es que en realidad ambos orbitan alrededor de un punto común: el centro de masas de ambos. Dado que la masa del Sol es muy superior a la de la Tierra, este punto se encuentra en el interior del propio Sol, y la única órbita apreciable es la de nuestro planeta alrededor del astro rey
- El ejemplo anterior también pone de relieve que fuerzas de igual valor no implica efectos iguales. Así, el efecto de la fuerza sobre la Tierra es mucho más evidente que sobre el Sol
- El principio asume que las fuerzas ocurren de manera simultánea y que se propaga de manera instantánea. Aunque en las interacciones por contacto este principio es difícilmente refutable, en el caso de las interacciones a distancia, como por ejemplo la interacción electromagnética, o incluso la gravitatoria, la teoría de la relatividad especial de Einstein marca la velocidad máxima a la que pueden transmitirse dichas interacciones (Einstein diría "los sucesos"). Esto abrió un nuevo horizonte en el estudio de la dinámica que llevó a redefinir algunos de los conceptos que hemos presentado... pero esa es una larga historia que, de momento, queda fuera de los alcances de este nivel
No debes confundir pareja de fuerzas con par de fuerzas. Un par de fuerzas, son dos fuerzas de igual módulo y direcciones paralelas no concurrentes que se aplican en puntos distintos de un cuerpo.
Aplicaciones
Tu día a día está lleno de ejemplos en los que usas el principio de acción y reacción para poder desenvolverte en tu entorno. Aunque en el tema dedicado a aplicaciones de las leyes de Newton estudiaremos muchos de ellos con detenimiento, comenzamos aquí mostrándote algunos:
Permanecer en pie
Cuando permaneces de pie sobre el suelo, la Tierra ejerce su atracción sobre ti, pero... ¿por qué no te hundes? Por la reacción del suelo sobre ti, que tiene igual valor y sentido contrario. Como se refleja en la siguiente figura, podemos distinguir las siguientes fuerzas:
- : La fuerza de atracción que ejerce la tierra sobre ti, y que actúa sobre ti. A esta fuerza la llamamos peso y es una fuerza de acción a distancia.
- : Como reacción a , tú también atraes a la Tierra. Esta fuerza también es una fuerza a distancia que actúa sobre la Tierra. De acuerdo, la Tierra apenas notará esa fuerza, pero ahí está...
- : Se trata de la fuerza que ejerces por contacto sobre el suelo, por el simple hecho de estar en pié. Su valor, dirección y sentido es igual al de , pero actúa sobre el suelo
- : Se trata de la reacción a la fuerza anterior. Actúa sobre ti y se llama fuerza normal. Observa que la fuerza normal no es la reacción a la fuerza peso, sino a la fuerza que ejerces sobre el suelo y que actúa sobre el suelo. Ten siempre muy presente que las fuerzas de acción y reacción actúan sobre cuerpos distintos. De otra manera, el movimiento no sería posible.
Diagrama de fuerzas de acción y reacción
La figura muestra las fuerzas que aparecen sobre la Tierra y sobre ti cuando permanece de pié. El primer par acción-reacción está formado por y por . Se trata de fuerzas de acción a distancia. Por otro lado, está el par acción-reacción formado por y por . Se trata de fuerzas de acción por contacto.
Observa que, por claridad, hemos pintado cada par de acción-reacción sobre planos distintos, aunque lo habitual es que todas las fuerzas que actúan sobre un cuerpo se sitúen sobre su centro de masas.
Andar
Cuando caminas, y gracias a la fuerza de rozamiento, "impulsas la Tierra hacia atrás". La reacción de la tierra sobre tus pies es impulsarlos hacia adelante.
Acción - reacción al caminar
Aunque ande despistado buscando pistas por todas partes, nuestro intrépido detective tiene la respuesta más cerca de lo que piensa. Es el empuje que ejerce su propio pie sobre el suelo el que provoca una fuerza sobre este, en rojo, cuya reacción sobre el detective, en azul, es la responsable de que se produzca su desplazamiento.
Correr
En la salida de las carreras de atletismo los corredores utilizan el "arrancador" para impulsarse. Lo hacen ejerciendo una fuerza contra el mismo, de manera que la reacción de este les dé el impulso deseado.
Acción - reacción en atletismo
En la salida, los atletas utilizan el bloque de arrancada para impulsarse y contrarrestar su propio peso, favoreciendo la aparición de una fuerza de avance lo más horizontal posible. De ahí que sea clave para el entrenamiento atlético una buena relación entre el peso y el rendimiento muscular.
Nadar
De igual manera, cuando nadas impulsas el agua hacia atrás, gracias a lo cual el agua te impulsa hacia adelante. Cuando llegas al final de la piscina y deseas dar la vuelta probablemente te impulsarás fuertemente con los pies sobre la pared. La reacción de la pared sobre tus pies es la que te permite "coger impulso".
Acción - reacción en natación
Cuando nadas, tus manos, y también tus pies si eres hábil sincronizándolos, ejercen una fuerza sobre el agua, en rojo, cuya reacción, en verde, te empuja hacia adelante. El resto de tu cuerpo debe colocarse de manera que imponga la menor resistencia posible al agua, para que el avance sea lo más rápido y cómodo posible.
Golpear un balón
Cuando juegas al futbol y golpeas el balón, es la fuerza que ejerces sobre el mismo la que hace que salga disparado. Este, a su vez, ejerce una fuerza de reacción sobre tu pie que hará que retroceda alejándose de la zona del impacto.
Acción reacción en fútbol
Las fuerza de acción, en azul, y reacción, en verde, hacen posible que cuando chutas el balón este salga disparado. ¿Qué sería del "deporte rey" sin estas fuerzas?