¿Qué es la primera ley de Newton?
¿Qué sucede cuando haces rodar una pelota por el césped? Probablemente rueda rápidamente al principio y finalmente se detiene. ¿Por qué los objetos se detienen y no siguen rodando para siempre? La respuesta tiene que ver con fuerzas , o algo que provoque un cambio de movimiento.
Algunas fuerzas que puedes ver, como la tensión en una cuerda o la fuerza aplicada que usas para empujar una caja. Sin embargo, hay otras fuerzas que no puedes ver físicamente, pero puedes ver los efectos de ellas. La fricción es una fuerza como esta que no se puede ver, pero impide que los objetos se muevan debido al contacto entre dos superficies. La fricción es una de las razones por las que los objetos no duran para siempre. Finalmente, la fuerza de fricción se vuelve igual o mayor que la fuerza aplicada y el objeto se detiene.
Pero, ¿qué pasaría si todas las fuerzas estuvieran equilibradas? ¿Cómo se movería el objeto? Sir Isaac Newton estudió situaciones como estas en el siglo XVII. A partir de sus observaciones, desarrolló la primera ley de Newton , que establece que un objeto en movimiento permanecerá en movimiento con la misma velocidad a menos que actúe sobre él una fuerza desequilibrada. Esto significa que los objetos con fuerzas perfectamente equilibradas en realidad seguirán moviéndose indefinidamente a la misma velocidad a menos que otra fuerza actúe sobre ellos, o el objeto permanecerá en reposo.
¿Qué son los diagramas de cuerpo libre?
Entonces, ¿cómo podemos saber si las fuerzas están equilibradas sobre un objeto? Una herramienta que utilizan los científicos se llama diagrama de cuerpo libre . Los diagramas de cuerpo libre son dibujos que ayudan a los científicos a determinar qué fuerzas actúan sobre un objeto. Por simplicidad, el objeto siempre se dibuja como un punto. Luego, las fuerzas se dibujan como flechas que se extienden desde el objeto.
Cálculo de fuerzas equilibradas
Los científicos pueden sumar las fuerzas que actúan en una dirección y determinar si están equilibradas o no para predecir el movimiento del objeto. Veamos algunos ejemplos.
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Objetos estacionarios
Has estado ayudando a un amigo a mudarse durante horas, y recoger las cajas se está volviendo bastante agotador. Decide que deslizar la caja por el suelo podría ser más fácil. Empujas la caja con una fuerza aplicada de 50 Newtons (N). Pero, la fricción sobre la mesa también es igual a 50 N (una libra equivale a 4,4 Newtons). ¿Están las fuerzas equilibradas o desequilibradas? ¿Cómo se moverá la caja?
Para responder a estas preguntas, el primer paso es dibujar un diagrama de cuerpo libre. Incluyamos todas las fuerzas que conocemos. La fuerza debida a la gravedad siempre empuja hacia abajo un objeto, así que dibujemos nuestro punto y luego una flecha hacia abajo etiquetada F g para la fuerza debida a la gravedad. Entonces, dado que la caja descansa sobre una superficie, necesitamos incluir la fuerza normal (F N ), que siempre se extiende perpendicular a una superficie.
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También queremos incluir la fuerza aplicada (F App ) yendo a la derecha. La fricción (F f ) retiene la caja, así que dibujaremos la flecha en dirección opuesta. Recuerde incluir la magnitud de las fuerzas si se da en el problema.
Ahora, sumemos las fuerzas. Las fuerzas que van hacia atrás o hacia abajo se tratan como números negativos, y las fuerzas que van hacia adelante o hacia arriba se tratan como números positivos.
F App + F f = Fuerza neta
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50N – 50N = 0N
Dado que la fuerza neta, o la suma de todas las fuerzas que actúan sobre el objeto es igual a cero, las fuerzas están equilibradas. Dado que el objeto no se estaba moviendo al principio, según la primera ley de Newton seguirá sin moverse. Recuerde, un objeto en movimiento permanece en movimiento, pero un objeto en reposo también permanece en reposo a menos que actúe sobre él una fuerza desequilibrada.
Mover objetos
Pasemos al siguiente ejemplo. En la clase de física, estás usando carros de velocidad constante que ruedan por la mesa usando un motor a batería. Una vez que los carros se mueven, viajan con una fuerza aplicada de 4N. La fricción sobre la mesa también es igual a 4N. ¿Estarán equilibradas o desequilibradas las fuerzas y cómo se moverán los carros?
Primero, dibuja tu diagrama de cuerpo libre con todas las fuerzas. No olvide incluir la fuerza normal y la fuerza debida a la gravedad. Ahora, sumemos las fuerzas. Dado que el carro se mueve hacia adelante, la fuerza aplicada de 4N es positiva y la fuerza de fricción que retiene el carro hacia atrás es igual a -4N.
4N – 4N = 0N
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Entonces, las fuerzas en este carro están equilibradas. Dado que el carro ya estaba en movimiento, se mantendrá en movimiento con una velocidad constante debido a la primera ley de Newton.
Cálculo de la fuerza necesaria para crear fuerzas equilibradas
A veces, querrá averiguar qué fuerza necesita aplicar para equilibrar las fuerzas. Veamos un ejemplo. En casa, tu mamá quiere que cuelgues una lámpara en la cocina sobre la mesa del comedor. No quiere que la lámpara se caiga, por lo que las fuerzas deben equilibrarse. Al pesar la lámpara, sabe que la fuerza debida a la gravedad que actúa sobre ella es de 45 N. ¿Cuál debe ser la tensión en el cable para evitar que la lámpara se caiga?
Comencemos dibujando nuestro diagrama de cuerpo libre. En este caso, no hay fuerzas horizontales actuando sobre el objeto, solo fuerzas en el plano vertical. La fuerza debida a la gravedad tira de la lámpara hacia abajo y la tensión del cable (F T ) la sujeta. Recuerde incluir la magnitud de la fuerza debida a la gravedad.
Ahora, veamos nuestros cálculos. Queremos que la fuerza neta sea igual a 0, entonces, ¿cuál debe ser la tensión en el cable para equilibrar la fuerza debida a la gravedad?
45N – F T = 0
Al completar nuestras matemáticas, vemos que F T también debe ser igual a 45N para mantener las fuerzas equilibradas y evitar que la lámpara se caiga.
Resumen de la lección
La primera ley de Newton establece que un objeto en movimiento permanecerá en movimiento con la misma dirección y velocidad a menos que una fuerza desequilibrada actúe sobre él. Cuando las fuerzas están equilibradas, la fuerza neta suma cero y el objeto continúa moviéndose si inicialmente se estaba moviendo, o permanece en reposo. Para averiguar si las fuerzas están equilibradas, puede crear un diagrama de cuerpo libre , donde las fuerzas se dibujan como flechas y se etiquetan con el tipo de fuerza y la dirección. Sumar todas las fuerzas con su dirección le dirá si las fuerzas están equilibradas.
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