Indudablemente eres consciente de que lanzar una pelota contra una pared hace que la pelota ejerza fuerza sobre la pared. De manera similar, la pared ejerce una fuerza sobre la pelota, lo que hace que rebote en la pared. De manera similar, la atracción gravitatoria de la tierra te empuja hacia abajo. Lo que quizás no entiendas es que también estás poniendo el mismo poder sobre el terreno. Esta sorprendente estadística es el resultado de la tercera ley de Newton.
La Tercera Ley de Newton establece que si el objeto A ejerce una fuerza sobre otro elemento B, el objeto B debe ejercer una fuerza de igual tamaño y dirección opuesta sobre el objeto A. Esta regla representa una simetría específica en la naturaleza: las fuerzas siempre existen en pares, y un cuerpo no puede ejercer una fuerza sobre otro sin sufrir también una fuerza.
Exploremos la tercera ley de Newton en profundidad como,
¿Qué son las leyes del movimiento de Newton?
La rama de la física que se ocupa de los movimientos simulados de todos los cuerpos familiares y de gran escala en el universo, por ejemplo, los automóviles, los planetas y los humanos, se encuentran bajo la mecánica clásica, estipulada por Newton. En comparación, el movimiento de objetos atómicos y subatómicos minuciosamente pequeños está cubierto por la rama de la mecánica cuántica, estipulada por Euler.
Las siguientes son las leyes de movimiento de Newton:
- Ley de la inercia: la primera ley de Newton establece que, si un cuerpo está en reposo o se mueve a una velocidad constante en línea recta, permanecerá en reposo o seguirá moviéndose en línea recta a una velocidad constante a menos que actúe sobre él una fuerza externa. fuerza actuante.
- La segunda ley establece que la tasa de cambio del momento de un objeto es directamente proporcional a la fuerza aplicada por cualquier objeto de masa constante.
- La tercera ley establece que cuando un objeto ejerce una fuerza sobre un segundo objeto, ese segundo objeto ejerce una fuerza de igual magnitud y dirección opuesta sobre el primer objeto.
Tercera ley de movimiento de Newton
La Tercera Ley del Movimiento de Newton establece que: “Para cada acción siempre hay una reacción igual y opuesta”. Las fuerzas de acción y reacción se aplican en diferentes cuerpos en el mismo marco de tiempo de instancia. El sistema mantiene su equilibrio.
De acuerdo con la tercera ley de Newton, cuando dos cuerpos se acoplan, se aplican fuerzas entre sí que son iguales en magnitud y opuestas en dirección. La tercera ley también se conoce como ley de acción-reacción . Esta ley es útil para evaluar problemas de equilibrio estático en los que todas las fuerzas están equilibradas, pero también se aplica a cosas en movimiento constante o acelerado .
Las fuerzas que explica son genuinas, no solo técnicas. Un libro, por ejemplo , sentado sobre una mesa ejerce una fuerza hacia abajo igual a su peso sobre la mesa. La mesa ejerce una fuerza igual y opuesta sobre el libro, según la tercera ley. El peso del libro hace que la mesa se doble ligeramente, lo que hace que presione el libro como un resorte en espiral.
Matemáticamente, la Tercera Ley del Movimiento de Newton también se puede escribir como se muestra a continuación:
Aquí, F 12 es la fuerza aplicada por el cuerpo 1 sobre el cuerpo 2 y F 21 es la fuerza aplicada por el cuerpo 2 sobre el cuerpo 1. El signo menos indica que las dos fuerzas se aplican en direcciones opuestas entre sí.
Las fuerzas siempre ocurren en pares. Si existen dos cuerpos A y B dentro de un sistema, entonces la fuerza de A sobre B y la fuerza de B y A se convierten en fuerzas internas del sistema, y se cancelan entre sí ya que son de dirección opuesta e iguales. Como resultado, el sistema mantiene su equilibrio.
Tercera ley de Newton del movimiento en la naturaleza
- La propulsión de un pez a través del agua: un pez usa sus aletas para empujar el agua hacia atrás para simular su movimiento. A su vez, el agua ejerce una fuerza de reacción igual al empujar al pez hacia adelante, impulsándolo a través del agua.
- La magnitud de la fuerza ejercida por el pez sobre el agua es equivalente al tamaño de la fuerza sobre el pez.
- La dirección de la fuerza sobre el agua, que por naturaleza es hacia atrás, es opuesta a la dirección de la fuerza hacia adelante sobre el pez.
- El vuelo de los pájaros por el aire: el movimiento de vuelo de los pájaros se rige por los pájaros que empujan el aire hacia abajo con sus alas, mientras que el aire, a cambio, empuja sus alas hacia arriba y les da sustentación.
- La dirección de la fuerza sobre el aire que es de naturaleza hacia atrás es opuesta a la dirección de la fuerza hacia adelante sobre las aves.
- Los pares de fuerzas de acción-reacción hacen posible que las aves vuelen.
Prueba de que la acción y la reacción son iguales y opuestas
Para comprender el concepto de las fuerzas de acción y reacción, consideremos un sistema de dos balanzas de resorte A y B conectadas entre sí.
La balanza de resorte B está fijada a cualquier soporte rígido. Luego se aplica una fuerza en el extremo suelto y libre, tirando de la balanza de resorte A. Como efecto de la aplicación de fuerza, ambas balanzas de resorte muestran las mismas lecturas.
Esto concluye que ambas balanzas de resorte son testigos de fuerzas de igual magnitud. También muestra que la fuerza ejercida por ambas balanzas de resorte A sobre B es igual pero de dirección opuesta a la fuerza ejercida por la balanza de resorte B sobre A.
Aquí, la fuerza ejercida sobre el cuerpo que actúa (la balanza de resorte A sobre B) se denomina acción , y la fuerza ejercida por el cuerpo que reacciona (la balanza de resorte B sobre A) se denomina reacción .
Aplicación de la Tercera Ley de Movimiento de Newton
- Reconciliación de balas : cuando se dispara una bala desde un arma, ejerce una fuerza hacia adelante (acción) sobre la bala y la bala ejerce una fuerza igual y opuesta sobre el arma (reacción), y el arma retrocede. La fuerza de reacción se experimenta en la mano de la persona que dispara.
- Cuando un marinero salta de un bote, empuja el bote hacia atrás ejerciendo una fuerza hacia atrás del bote (acción) y salta hacia adelante. De este modo, el barco ejerce una fuerza igual y opuesta sobre el marinero llamada reacción.
- Cuando soltamos un globo lleno de aire, la fuerza del aire (gases) que sale del globo es la acción, que ejerce una fuerza igual y opuesta sobre el globo llamada reacción al moverse hacia arriba.
- Cuando se dispara un cohete, la fuerza de los gases ardientes que salen (acción) ejerce una fuerza igual y opuesta sobre el cohete (reacción) y éste se mueve hacia arriba.
En el motor del cohete se queman diferentes tipos de combustibles que producen gases calientes. Estos gases empujan contra el tubo interior del cohete. Después de encenderse y quemarse a través del tubo interior, los gases escapan por la parte inferior del cohete. A medida que estos gases fluyen hacia abajo, el cohete se eleva en el cielo hacia arriba. Por lo tanto, a medida que los gases y el cohete se mueven en dirección opuesta, se contrarrestan. La reacción de un cohete es la aplicación de la tercera ley del movimiento.
Interpretación Matemática de la Tercera Ley del Movimiento de Newton
La tercera ley del movimiento de Newton establece que toda acción tiene una reacción igual y opuesta.
Para un sistema de dos cuerpos, A y B, supongamos que F AB es una fuerza del cuerpo A que actúa sobre B y F BA es una fuerza de B sobre el cuerpo A.
La expresión matemática con las fuerzas viene dada por,
F AB = – F BA
donde, F AB es una acción sobre B mientras que F BA es una reacción del cuerpo B sobre A.
El signo negativo indica que la fuerza que actúa sobre el cuerpo A es de dirección opuesta a la fuerza que actúa sobre el cuerpo B.
Derivación de la tercera ley de movimiento de Newton a partir de la segunda ley de movimiento de Newton
Supongamos un sistema aislado sin fuerzas externas que actúen sobre él, que consta de dos cuerpos masivos A y B que interactúan entre sí. Ahora, consideremos que ambos cuerpos están en efecto de una fuerza bajo la influencia del otro, es decir, F AB , es la fuerza ejercida sobre el cuerpo B por el cuerpo A y F BA es la fuerza ejercida por el cuerpo B sobre A. .
Debido a estas fuerzas, F AB y F BA , supongamos que dp 1 /dt y dp 2 /dt son la tasa de cambio de cantidad de movimiento en el efecto de estos cuerpos respectivamente. Entonces,
F BA = dp 1 /dt y F AB = dp 2 /dt
Sumando estas ecuaciones como:
F BA + F AB = dp 1 /dt + dp 2 /dt
= d(p 1 + p 2 ) / dt
Como ninguna fuerza externa actúa sobre el sistema, entonces:
d(pag 1 + pag 2 ) / dt = 0
o
F BA + F AB = 0
F BA = -F AB
La ecuación anterior representa la tercera ley de movimiento de Newton (es decir, para cada acción allí, hay una reacción igual y opuesta).
Problemas de muestra
Problema 1: Un automóvil con una masa de 1250 Kg que viaja con una aceleración de 10 m/s 2 golpea una bicicleta. ¿Qué fuerza experimenta el automóvil?
Solución:
Según la segunda ley de Newton,
La fuerza sobre la bicicleta, F = m × a
= 1250 kg × 10 m/s 2
= 12500N
Ahora, de acuerdo con la tercera ley de Newton, para cada acción, hay una reacción igual y opuesta.
Por lo tanto, el automóvil experimenta una fuerza de 10 N.
Problema 2: Un Perro de 10 kg de masa salta sobre una mesa de 60 kg de masa. Mientras el perro camina sobre la mesa, ¿cuál es la fuerza promedio que la mesa aplica al perro? Utilice g = 10 m/s 2 .
Solución:
La fuerza que el perro aplica a la mesa es su peso. Según la tercera ley de Newton, la mesa también aplica una fuerza al perro de la misma magnitud.
La fuerza sobre el perro de la mesa es:
F s = F N = ma = 10 kg × 10 m/s 2 = 100 N
Problema 3: Un niño está montando en su patinete y se empuja del suelo con el pie. Así, esto hace que acelere a razón de 8 m/s 2 . El peso del niño es de 600 N. ¿Cuál es la fuerza de su empuje desde el suelo? Utilice g = 10 m/s 2 .
Solución:
El peso del niño, F es 600 N.
La fórmula para calcular la fuerza sobre un objeto es,
F = mamá
donde m es la masa y a es la aceleración.
o
m = F / un
= 600 N / 10 m/s 2
= 60 kg
El chico acelera a 8 m/s 2 . por lo tanto, es empujado por una fuerza de
F = ma = 60 kg × 8 m/s2 = 480 N
Problema 4: Dos cuerpos se aplican fuerzas entre sí. La fuerza sobre uno de los cuerpos en función del tiempo en la dirección x es kt + b, donde k y b son constantes. ¿Cuál es la fuerza en función del tiempo en la dirección x sobre el otro cuerpo? Considere que no hay otras fuerzas presentes además de las fuerzas que los cuerpos se aplican entre sí.
Solución:
Según la tercera ley de Newton, Toda acción tiene una reacción igual y opuesta.
Así, la fuerza ejerce una fuerza igual y opuesta sobre el otro cuerpo.
Matemáticamente, esto solo significa negar la fuerza. Por lo tanto, la fuerza en función del tiempo en la dirección x sobre el otro cuerpo es -ky – b .
Problema 5: ¿Qué sucede con las magnitudes de fuerza y aceleración del arma y la bala, cuando un jugador dispara un arma y la fuerza del disparo produce retroceso?
Solución:
Según la tercera ley de Newton, toda fuerza tiene una reacción igual y opuesta, la fuerza sobre el arma es igual a la fuerza sobre la bala.
Por lo tanto, el arma tiene una masa mayor, por lo que la magnitud de su aceleración es menor que la de la bala. Un jugador dispara un arma y la fuerza del disparo produce retroceso. La magnitud de la fuerza sobre el arma es igual a la magnitud de la fuerza sobre la bala, y la magnitud de la aceleración del arma es menor que la de la bala.
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Artículo escrito por codersgram9 y traducido por Barcelona Geeks. The original can be accessed here. Licence: CCBY-SA