Isaac Newton fue un matemático, físico, astrónomo, teólogo y autor inglés ampliamente reconocido como uno de los científicos más influyentes de todos los tiempos y como una figura clave en la revolución científica. En su libro Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, publicado por primera vez en 1687, Newton formuló tres leyes físicas que describen la relación entre un cuerpo y las fuerzas que actúan sobre él, y su movimiento en respuesta a esas fuerzas. Juntas, las tres leyes constituyen los cimientos de la física clásica en general.
Primera ley
Todo cuerpo persiste en su estado de reposo o de movimiento uniforme en línea recta, a menos que sea obligado a cambiar su estado por las fuerzas que se le imprimen.
La primera ley está basada primordialmente en los trabajos de Aristóteles y Galileo y explica la conexión entre fuerza y movimiento.
De acuerdo a Aristóteles, se requiere de una fuerza para mantener en movimiento a un objeto. Y entre más grande la fuerza aplicada a un objeto, más rápido se mueve. Su teoría fue muy aceptada, básicamente porque estaba de acuerdo con las actividades cotidianas, y no fue cuestionada hasta casi 2.000 años después, cuando Galileo realizó experimentos que lo llevaron a conclusiones distintas y más acertadas.
Galileo observó que las actividades cotidianas experimentan los efectos de la fricción. Él imaginó un mundo sin fricción y concluyó que era natural que un objeto continuara deslizándose en una superficie horizontal con una velocidad constante. De la misma manera, un objeto permanece en reposo a menos que se le aplique una fuerza. Dado que el mundo no es perfecto y existe la fricción, se debe continuar empujando un objeto si se desea que siga en movimiento.
Newton desarrolló las ideas de Galileo. Estaba de acuerdo en que los objetos continuan en movimiento aunque no haya una fuerza aplicada. Pero también sabía que existe más de una fuerza actuando en el objeto al mismo tiempo y que la combinación de estas fuerzas es muy importante.
Un ejemplo es el juego en el cual dos equipos tiran de una cuerda en lados opuestos. Si el equipo de un lado es más fuerte, entonces la cuerda y el equipo más débil se van hacia el lado del equipo más fuerte. En éste caso, con fuerzas desiguales, se dice que la situación está en desbalance. Pero si los equipos tiran con la misma fuerza, entonces las fuerzas están en balance y como resultado, ninguno de los equipos se mueve.
En su primera ley, Newton establece que todo cuerpo persevera en su estado de reposo o de movimiento uniforme y en la misma dirección y velocidad, a no ser que sea obligado a cambiar su estado por fuerzas netas que actúan sobre él. La tendencia de un cuerpo a resistir un cambio en su movimiento se llama inercia. En otras palabras, si no se aplica una fuerza desbalanceada (si todas las fuerzas externas se anulan entre sí), el cuerpo permanecerá sin moverse o, si se encuentra en movimiento, continuará con la misma dirección y rapidez.
Segunda ley
La alteración del movimiento es siempre proporcional a la fuerza motriz impresa; y en la dirección de la línea recta a lo largo de la cual esa fuerza se imprime.
La primera ley de Newton describe la inercia: un cuerpo no cambiará su movimiento hasta que una fuerza desbalanceada actúe sobre él. ¿Qué sucede cuando una fuerza desbalanceada actúa en un objeto? Newton establece que éste tipo de fuerza cambiará la velocidad de un objeto porque la rapidez y/o la dirección cambiarán. A estos cambios en la velocidad se les llama aceleración.
La segunda ley de Newton define la relación exacta entre fuerza y aceleración matemáticamente. La aceleración de un objeto es directamente proporcional a la suma de todas las fuerzas que actúan sobre él e inversamente proporcional a la masa del objeto (masa es la cantidad de materia que el objeto tiene). Entre más masa tenga el objeto, más difícil es hacer que cambie su dirección o rapidez, ya sea que esté en reposo o en movimiento de forma recta y a un paso constante.
Por ejemplo, un elefante tiene mucha más masa que un ratón así que es más difícil empujar a un elefante que a un ratón. También es más difícil parar a un elefante que a un ratón porque el elefante tiene más inercia que el ratón. Inercia y masa son dos maneras diferentes de referirse al mismo concepto.
La dirección de la aceleración se dirigirá en la misma dirección que la fuerza neta aplicada al objeto. Para un objeto con una masa constante (m), la segunda ley establece que la fuerza (F) es el producto de la masa de un objeto y su aceleración (a): F = ma
Para una fuerza aplicada externamente, el cambio de velocidad depende de la masa del objeto. Una fuerza causará un cambio en la velocidad; y del mismo modo, un cambio en la velocidad generará una fuerza. La ecuación funciona en ambos sentidos.
Tercera ley
A toda acción siempre se opone una reacción igual: las acciones mutuas de dos cuerpos siempre son iguales y dirigidas en sentido opuesto.
Las experiencias diarias llevan a pensar que las fuerzas siempre son aplicadas por un objeto en otro. Por ejemplo, un caballo tira de una carreta, una persona empuja un carrito en el supermercado, o un imán atrae un clavo. Newton se dio cuenta que las cosas no son tan sencillas ni tan unilaterales.
Es cierto que, si un martillo golpea un clavo, el martillo ejerce una fuerza en el clavo (de manera que el clavo se introduce en la tabla). Sin embargo, el clavo también ejerce una fuerza en el martillo dado que el estado del martillo cambia; y según la primera ley, esto requiere una fuerza externa neta.
Esta es la esencia de la tercera ley de Newton: por cada acción hay una reacción de fuerza igual y opuesta. En otras palabras, si el objeto A ejerce una fuerza sobre el objeto B, entonces el objeto B también ejerce una fuerza igual sobre el objeto A. No obstante, es importante comprender que la acción y la reacción actúan sobre objetos diferentes.