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Fuerzas y leyes de Newton

Física · Fuerzas y leyes de Newton

Tercera ley de Newton

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Pregunta esencial

Si empujas una pared, ¿la pared te empuja de vuelta?

Pon la mano abierta sobre una pared y empuja. Puedes sentir que la pared empuja tu mano. Al terminar esta lección, deberías poder identificar pares de fuerzas de acción y reacción, explicar por qué no se cancelan y usar a = F/m para comparar cómo se mueven los dos objetos.

El video de la lección llegará pronto. Mientras tanto, lee la lección que aparece abajo.

Tercera ley de Newton

  • Las fuerzas vienen en pares
  • Mismo tamaño, direcciones opuestas
  • Actúan sobre objetos distintos
Una figura de palitos empuja una pared con el brazo extendido. En el punto de contacto, una flecha azul apunta a la derecha, hacia la pared, con la etiqueta 40 N sobre la pared, y una flecha roja igual apunta a la izquierda, con la etiqueta 40 N sobre ti. Leyenda: 40 N sobre la pared, 40 N sobre ti.

La tercera ley de Newton dice que las fuerzas siempre vienen en pares. Cuando un objeto A empuja o jala a un objeto B, el objeto B empuja o jala al objeto A con una fuerza de igual tamaño y dirección opuesta. Si empujas una pared con 40 N, la pared te empuja a ti con 40 N. Las dos fuerzas actúan sobre objetos distintos: una sobre la pared y otra sobre ti.

Cómo nombrar los pares de fuerzas

  • A sobre B, luego B sobre A
  • Intercambia los dos objetos
  • Mismo tipo de fuerza
Dos bloques en contacto, A a la izquierda y B a la derecha. Una flecha roja desde el centro de A apunta a la izquierda, con la etiqueta F_B sobre A. Una flecha azul desde el centro de B apunta a la derecha, con la etiqueta F_A sobre B, de la misma longitud. Leyenda: mismo tamaño, direcciones opuestas, objetos distintos.

Para encontrar la pareja de una fuerza, intercambia los dos objetos. Si la fuerza es “A sobre B”, su pareja es “B sobre A”. La pareja siempre es el mismo tipo de fuerza. Si el bloque A empuja al bloque B con una fuerza normal, el bloque B empuja de vuelta al A con una fuerza normal. Si la Tierra te jala con la gravedad, tú jalas a la Tierra con la gravedad.

Ejemplos de acción y reacción

  • Caminar: el pie empuja el piso hacia atrás
  • Nadar: las manos empujan el agua hacia atrás
  • Cohete: empuja el gas hacia abajo
Un cohete apuntando hacia arriba con llamas debajo. Una flecha azul que apunta hacia arriba junto al cohete tiene la etiqueta gas sobre cohete. Una flecha roja que apunta hacia abajo junto a las llamas tiene la etiqueta cohete sobre gas. Leyenda: el cohete empuja el gas hacia abajo, el gas empuja el cohete hacia arriba.

Los pares de fuerzas explican cómo se mueven las cosas. Cuando caminas, tu pie empuja el piso hacia atrás y el piso empuja tu pie hacia adelante. Cuando nadas, tus manos empujan el agua hacia atrás y el agua te empuja hacia adelante. Un cohete expulsa gas caliente hacia abajo por su motor y el gas empuja el cohete hacia arriba. Un cohete no necesita aire contra el cual empujar. Empuja sobre sus propios gases de escape.

Por qué los pares no se cancelan

  • Actúan sobre objetos distintos
  • Solo se cancelan las fuerzas sobre un mismo objeto
  • Cada objeto se mueve por su cuenta
Dos patinadores sobre hielo se empujan las manos. Una flecha roja del patinador izquierdo apunta a la izquierda, con la etiqueta empuje sobre A. Una flecha azul del patinador derecho apunta a la derecha, con la etiqueta empuje sobre B. Leyenda: los patinadores se alejan.

Si las dos fuerzas de un par son iguales y opuestas, ¿por qué no se cancelan? Porque actúan sobre objetos distintos. Las fuerzas solo se cancelan cuando actúan sobre el mismo objeto. Cuando dos patinadores se empujan para separarse, un empujón actúa sobre el patinador A y el otro actúa sobre el patinador B. Cada patinador tiene una fuerza no balanceada sobre él, así que los dos aceleran, en direcciones opuestas.

Misma fuerza, distinta aceleración

  • Los dos sienten la misma fuerza
  • Cada uno: a = F/m
  • Menos masa, más aceleración
Un bloque pequeño de 50 kg y un bloque grande de 100 kg se separan con flechas iguales de 200 N. Flechas grises de aceleración sobre ellos muestran a = 4.0 m/s² para el bloque pequeño y, con la mitad de longitud, a = 2.0 m/s² para el bloque grande.

Las dos fuerzas de un par siempre son iguales, pero los objetos pueden responder de maneras muy distintas. Cada objeto sigue la segunda ley de Newton, a = F/m. Si un bloque de 50 kg y uno de 100 kg se separan empujándose con 200 N cada uno, el bloque de 50 kg acelera a 200 N / 50 kg = 4.0 m/s2, mientras que el de 100 kg acelera a 200 N / 100 kg = 2.0 m/s2. La misma fuerza, la mitad de la masa, el doble de aceleración.

¿Es un par o no?

  • Los pares: dos objetos, mismo tipo
  • FN y Fg sobre un libro: no son un par
  • Las dos actúan sobre el mismo libro
Un diagrama de cuerpo libre de un libro: una flecha azul hacia arriba con la etiqueta F_N, mesa sobre libro, y una flecha roja igual hacia abajo con la etiqueta F_g, Tierra sobre libro. Leyenda: balanceadas, pero no son un par de la tercera ley.

Sobre un libro en una mesa actúan dos fuerzas, FN hacia arriba y Fg hacia abajo. Son iguales y opuestas, así que parecen un par de la tercera ley, pero no lo son. Las dos actúan sobre el mismo objeto, el libro, y son tipos de fuerza distintos. La verdadera pareja de la mesa que empuja el libro hacia arriba es el libro que empuja la mesa hacia abajo. La verdadera pareja de la Tierra que jala el libro hacia abajo es el libro que jala la Tierra hacia arriba.

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Ejemplos resueltos

Primero intenta resolver cada problema por tu cuenta y luego abre la solución para revisar tu trabajo.

Ejemplo 1: Bate y pelota

Un bate ejerce una fuerza de 1,500 N sobre una pelota de béisbol, hacia el lanzador. ¿Qué fuerza ejerce la pelota sobre el bate?

Mostrar la solución
  1. Identifica la fuerza: Bate sobre pelota: 1,500 N hacia el lanzador.
  2. Intercambia los objetos: La fuerza pareja es pelota sobre bate.
  3. Aplica la tercera ley: Mismo tamaño, dirección opuesta.
  4. Respuesta: 1,500 N sobre el bate, en dirección contraria al lanzador (hacia el receptor).

Ejemplo 2: Caminar

Al caminar, tu pie empuja el piso hacia atrás. Nombra la fuerza de reacción. ¿Qué efecto tiene sobre ti?

Mostrar la solución
  1. Identifica la fuerza: Pie sobre piso, hacia atrás.
  2. Intercambia los objetos: La pareja es piso sobre pie.
  3. Dirección: Dirección opuesta, así que el piso empuja hacia adelante. Es una fuerza de fricción del piso.
  4. Respuesta: El piso empuja tu pie hacia adelante, y esa fuerza hacia adelante es la que te mueve.

Por eso es tan difícil caminar sobre hielo. Con muy poca fricción, el piso no puede empujarte hacia adelante.

Ejemplo 3: Patinadores que se empujan

Un patinador de 45 kg y otro de 75 kg están de pie sobre hielo y se empujan para separarse. Cada patinador siente una fuerza de 135 N. Calcula la aceleración de cada uno.

Dos patinadores sobre hielo se empujan las manos. El patinador izquierdo tiene la etiqueta 45 kg y el derecho tiene la etiqueta 75 kg. Flechas con la etiqueta 135 N apuntan en sentidos opuestos, alejándose una de otra.
Mostrar la solución
  1. Datos: F = 135 N sobre cada patinador. m1 = 45 kg, m2 = 75 kg.
  2. Ecuación: a = F/m para cada patinador
  3. Patinador de 45 kg: a = 135 N / 45 kg = 3.0 m/s2
  4. Patinador de 75 kg: a = 135 N / 75 kg = 1.8 m/s2, en dirección opuesta

Ejemplo 4: Insecto contra camión

Un insecto de 0.0020 kg choca contra el parabrisas de un camión de 2,400 kg. El camión empuja al insecto con 1.2 N. Calcula la fuerza sobre el camión y la aceleración de cada uno.

Mostrar la solución
  1. Fuerza sobre el camión: Por la tercera ley, el insecto empuja al camión con 1.2 N, en dirección opuesta al empujón del camión sobre el insecto.
  2. Aceleración del insecto: a = F/m = 1.2 N / 0.0020 kg = 6.0 × 102 m/s2
  3. Aceleración del camión: a = F/m = 1.2 N / 2,400 kg = 5.0 × 10−4 m/s2
  4. Respuesta: Fuerza sobre el camión: 1.2 N. Insecto: a = 6.0 × 102 m/s2. Camión: a = 5.0 × 10−4 m/s2.

La fuerza es la misma, pero la masa del insecto es más de un millón de veces menor, así que su aceleración es más de un millón de veces mayor.

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Práctica

Identifica pares de fuerzas de acción y reacción, explica por qué no se cancelan y usa a = F/m para comparar cómo se mueven dos objetos cuando se empujan entre sí. Primero inténtalo por tu cuenta y luego revisa tu trabajo con la clave de respuestas. Los PDF están en inglés.

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Diapositivas de la lección

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Ideas clave

  • Las fuerzas vienen en pares iguales y opuestos
  • Las fuerzas de un par actúan sobre objetos distintos
  • Los pares nunca se cancelan entre sí
  • Misma fuerza, menos masa: más aceleración

De vuelta a la pregunta esencial: sí. Cada vez que empujas la pared, la pared te empuja a ti con una fuerza del mismo tamaño en la dirección opuesta. Las fuerzas siempre vienen en pares que actúan sobre dos objetos distintos. Con esto termina nuestra unidad de fuerzas y leyes de Newton.

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Alineación con NGSS

Esta lección avanza hacia las siguientes expectativas de desempeño de los Estándares de Ciencias de Nueva Generación (NGSS, por sus siglas en inglés):

  • HS-PS2-1: Analizar datos para respaldar la afirmación de que la segunda ley del movimiento de Newton describe la relación matemática entre la fuerza neta sobre un objeto macroscópico, su masa y su aceleración.
  • HS-PS2-2: Usar representaciones matemáticas para respaldar la afirmación de que la cantidad de movimiento total de un sistema de objetos se conserva cuando no hay fuerza neta sobre el sistema.

Ideas disciplinarias básicas: PS2.A Fuerzas y movimiento

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