Limitaciones de las leyes de Newton

Definición de las leyes de Newton

La ciencia, y especialmente la física, ha avanzado mucho en los últimos 300 años. Una de las primeras personas que hizo de la ciencia el proceso preciso y basado en datos al que estamos acostumbrados fue Sir Isaac Newton. Eso es porque no solo presentó sus ideas sobre la gravedad y el movimiento al mundo en 1687, sino que las explicó todas a través del poder de las matemáticas.

Las leyes del movimiento de Newton son tres leyes que describen cómo el movimiento de un objeto se relaciona con las fuerzas (empujes y tirones) que actúan sobre él. Es la base básica sobre la que se construyó toda la física. Sin embargo, muchas de las ideas y usos que Newton formuló en sus leyes del movimiento no son necesariamente tan obvias.

Por ejemplo, se dio cuenta de que un objeto seguirá moviéndose a una velocidad constante incluso si las fuerzas sobre él están completamente equilibradas, o incluso si no hay ninguna fuerza sobre él. Desde nuestra experiencia diaria, parece que las cosas tienen una tendencia natural a detenerse. Pero se dio cuenta de que en realidad tienen una tendencia natural a seguir a una velocidad constante. Ésta es la primera ley de Newton .

En la segunda ley de Newton , explicó cómo calcular el efecto que tendrían las fuerzas equilibradas sobre el movimiento de un objeto. Dice que la fuerza desequilibrada es igual a la masa del objeto multiplicada por la aceleración de ese objeto. O, F = MA .

La tercera ley de Newton es la famosa idea de que las acciones tienen reacciones iguales y opuestas. O, en otras palabras, si empujas una pared, la pared te empuja hacia atrás con la misma fuerza. Esto nuevamente parece un poco extraño, porque uno podría preguntarse por qué algo se mueve si siempre hay dos fuerzas que se anulan mutuamente. Pero si empuja un carrito de compras, la fuerza que el carrito le aplica no tiene nada que ver con cómo se mueve el carrito.

Entonces, esas son las leyes de Newton y funcionan muy bien. En nuestras vidas y experiencias diarias, las leyes de Newton son perfectas. Pero resulta que las leyes de Newton no funcionan del todo bien. Más de 300 años después, Einstein se dio cuenta de que las leyes de Newton eran en realidad solo una simplificación. Funcionan bien a velocidades lentas en la Tierra, pero fallan miserablemente cuando acercas un objeto a la velocidad de la luz. Había limitaciones de las leyes de Newton.

Relatividad y altas velocidades

La teoría de la relatividad especial de Einstein es un conjunto de leyes e ideas sobre cómo funcionan el espacio y el tiempo que él presentó al mundo en 1905. Las ideas básicas detrás de ella son bastante simples: que las leyes de la física funcionan de la misma manera sin importar dónde se encuentre en el universo, y que la velocidad de la luz es la misma sin importar desde dónde la midas. Esas pueden parecer tan obvias que no vale la pena decirlas. Pero resulta que las consecuencias de que estas ideas sean ciertas son súper extrañas e innovadoras.

Una de estas consecuencias cambió para siempre nuestra comprensión de las leyes de Newton. Einstein explicó que la masa y la energía son realmente la misma cosa. Lo que esto significa es que si aumentas la cantidad de energía que tiene un objeto, también estás aumentando su masa. Por ejemplo, si un objeto se acelera, su masa aumenta. Este efecto es lo suficientemente pequeño como para que no lo veamos cuando conducimos en un automóvil. Un automóvil pesa básicamente lo mismo ya sea que vaya a 10 millas por hora o a 100 millas por hora.

Pero a medida que se acerca a la velocidad de la luz, la masa de un objeto aumenta notablemente. Esto hace que sea cada vez más difícil acelerar el objeto, porque la segunda ley de Newton nos dice que los objetos con masas más grandes requieren más fuerza para acelerarlos. Este aumento de masa se vuelve tan extremo que nunca se puede acelerar un objeto más allá de la velocidad de la luz. La velocidad de la luz se convierte en el límite de velocidad del universo.

Cuando se trata de ecuaciones, la segunda ley de Newton cambia de F = MA a esto:

Aquí, F es la fuerza desequilibrada medida en newtons, M es la masa del objeto medida en kilogramos, a es la aceleración del objeto medida en metros por segundo al cuadrado, v es la velocidad a la que se mueve el objeto medida en metros por segundo, y C es la velocidad de la luz también medida en metros por segundo.

Si la velocidad, v , es un número pequeño, entonces la fuerza, F , efectivamente no es diferente a si solo usara F = MA . Pero si v es un número grande, entonces hay una diferencia. Entonces, aunque las leyes de Newton funcionaron perfectamente en todos nuestros experimentos en la Tierra, resulta que la verdadera ecuación es más complicada.

Resumen de la lección

Las leyes del movimiento de Newton describen cómo se relacionan el movimiento de los objetos y las fuerzas sobre esos objetos. La primera ley de Newton establece que un objeto seguirá moviéndose a una velocidad constante incluso si las fuerzas sobre él están completamente equilibradas, o incluso si no hay ninguna fuerza sobre él. La segunda ley de Newton establece que la fuerza desequilibrada es igual a la masa del objeto multiplicada por la aceleración de ese objeto, o F = MA . Y la tercera ley de Newton establece que todas las acciones tienen reacciones iguales y opuestas.

Estas leyes funcionan bien a velocidades diarias, pero cuando te acercas a la velocidad de la luz, descubres que ya no funcionan correctamente. La teoría especial de la relatividad de Einstein , que era un conjunto de leyes e ideas sobre cómo funcionan el espacio y el tiempo que él presentó al mundo en 1905, nos da las verdaderas ecuaciones para describir el movimiento, aquellas que incluso funcionan a altas velocidades. Estas altas velocidades se maximizan a la velocidad de la luz, el límite de velocidad del universo, y los cálculos muestran que a medida que aumenta la velocidad, también lo hace la masa de un objeto.

Las leyes de Newton eran, de hecho, una simplificación; eran limitados. Sin embargo, debido a que las leyes de Newton funcionan para la mayoría de las situaciones de la vida real que enfrentan los humanos, todavía se usan a diario y forman los fundamentos del aprendizaje de la física.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador