Segunda ley de Newton: significado y cálculos

¿Qué es la segunda ley de Newton?

Imagina un objeto en movimiento. Podría ser un paracaidista que salta de un avión o un cohete que se aleja al espacio. Pero incluso los objetos más pequeños experimentan movimiento, como un ratón que se desliza por el suelo. ¿Qué tienen en común todos estos ejemplos?

Todos están en movimiento y todos están acelerando o experimentando un cambio de velocidad. Aunque la velocidad puede permanecer constante, la mayoría de los objetos en movimiento que experimentamos en el mundo real se aceleran. Pero, ¿cómo podemos predecir cómo se moverá una masa en aceleración? Los científicos utilizan una revelación de hace cientos de años en el siglo XVII, conocida como la segunda ley de Newton, para responder a esta pregunta.

La segunda ley de Newton dice que la masa multiplicada por la aceleración es igual a la fuerza que actúa sobre un objeto, o:

F = ma

donde F es la fuerza, m es la masa y a es la aceleración.

Diagramas de cuerpo libre

En todos los ejemplos del mundo real que mencionamos anteriormente, hay más de una fuerza actuando sobre un objeto. Para decidir cómo se moverá el objeto, primero debemos considerar cómo se combinarán las fuerzas. Para hacer esto, podemos usar una práctica herramienta llamada diagrama de cuerpo libre para mostrar qué fuerzas actúan sobre un objeto.

Los objetos adoptan todo tipo de formas y, dado que no todos somos artistas, podemos simplificarlo representando el objeto como un punto en el diagrama. Luego, todas las fuerzas se extienden desde el punto usando flechas. Algunas fuerzas empujarán el objeto hacia adelante, como la fuerza aplicada (o aplicación F ) cuando se empuja un objeto. Otras fuerzas incluyen la tensión (o F T ) cuando un objeto es jalado o colgado de una cuerda, y la fuerza debida a la fricción (o F f ) que se opone a la fuerza aplicada.

Todo objeto tiene fuerza debido a la gravedad (o F g ) que lo empuja hacia abajo mientras esté en la Tierra. Los objetos que se encuentran en una superficie también tienen una fuerza que se opone a la gravedad llamada fuerza normal (o F N ). Se extiende perpendicularmente desde la superficie sobre la que descansa el objeto y tiene el mismo valor que la fuerza debida a la gravedad, siempre que esté sobre una superficie plana y no inclinada.

Veamos un ejemplo: este diagrama de cuerpo libre a continuación. Un carro de juguete viaja sobre una mesa con una fuerza aplicada de 10N. La fricción sobre la mesa se opone a esta fuerza con 2N. El automóvil experimenta una fuerza debida a la gravedad de 1N.

Dado que el objeto está sobre una superficie plana, podemos suponer que la fuerza normal es igual a la fuerza debida a la gravedad.

Calcular la fuerza neta

Ahora que tenemos este diagrama de cuerpo libre, ¿qué hacemos con él? A continuación, para ver cómo cambia el movimiento del objeto, debemos calcular la fuerza neta . La fuerza neta es la suma de las fuerzas que se extienden en un plano de movimiento. Sumas fuerzas que avanzan y restas las fuerzas que retroceden en el plano horizontal. Se suman las fuerzas que suben en el plano vertical y se restan las fuerzas que bajan. No puede agregar fuerzas horizontales a fuerzas verticales; tendremos dos cantidades separadas para la fuerza neta sobre este objeto.

Veamos nuestro ejemplo.

Dado que el carro de juguete avanza con 10N, agregaremos esta fuerza. La fuerza de fricción se mueve hacia atrás, por lo que restamos 2N. Nuestra fuerza neta en el plano horizontal es 8N.

En el plano vertical, las fuerzas se equilibran entre sí, 1N – 1N = 0N. Entonces, no hay una fuerza neta que actúe sobre el objeto en el plano vertical.

Determinación del movimiento

Las fuerzas en el plano horizontal de nuestro coche de juguete están desequilibradas . Esto significa que las fuerzas opuestas no son iguales entre sí, y el objeto avanzará con 8N. Las fuerzas en el plano vertical están equilibradas, por lo que el objeto continuará con su curso actual de movimiento en el plano vertical, que es permanecer quieto.

Pero, ahora, ¿cómo determinamos cuánto acelerará el objeto? Digamos que conocemos la masa del coche: 4 kg. Ahora, podemos aplicar la segunda ley de Newton, que dice F = ma .

Nuestra fuerza es de 8 N y nuestra masa es de 4 kg, por lo que obtenemos:

8N = 4 kg * a

a = 8 N / 4 kg

a = 2 m / s 2

Entonces, ahora sabemos que nuestro auto de juguete acelerará a 2 m / s 2 a través de la mesa con estas fuerzas aplicadas.

Gráficos

Como otras fórmulas en física, también podemos usar gráficos para evaluar la relación entre variables. Veamos un experimento de ejemplo.

Supongamos que tiene un bloque con una masa desconocida. Aplica una aceleración específica a la caja y mide la fuerza necesaria usando una escala de resorte. Ahora, puede hacer una gráfica con la aceleración como variable independiente y la fuerza como variable dependiente.

Recuerda la ecuación para la pendiente, el cambio en y dividido por el cambio en x . Cuando sumamos las variables de la gráfica, obtenemos F / a , que según la segunda ley de Newton es igual a la masa. Entonces, la pendiente de nuestra gráfica de fuerza versus aceleración debe ser igual a la masa del objeto.

Resumen de la lección

La segunda ley de Newton establece que la fuerza es igual a la masa multiplicada por la aceleración. La aceleración es cualquier cambio en la velocidad de un objeto. La fórmula de la segunda ley de Newton es:

F = ma

donde F es la fuerza, m es la masa y a es la aceleración.

Al igual que otras fórmulas, esta fórmula se puede ajustar, según las variables que conozca y las que no. Para aplicar esta ley, primero debe calcular la fuerza neta que actúa sobre un objeto sumando todas las fuerzas en un plano de movimiento. Las fuerzas se pueden identificar mediante un diagrama de cuerpo libre que muestra todas las fuerzas que actúan sobre un objeto. Después de calcular la fuerza neta, puede determinar si las fuerzas están equilibradas o desequilibradas , en las que habrá un cambio de movimiento. Luego, puede usar la segunda ley de Newton con fuerza neta para calcular la aceleración. La masa se puede encontrar calculando la pendiente en una gráfica de fuerza versus aceleración.