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Las leyes del movimiento de Newton, o simplemente leyes de Newton, son las tres leyes fundamentales en las que se basa la mecánica clásica, la disciplina científica que explica el movimiento de objetos macroscópicos bajo la influencia de las fuerzas que actúan sobre él.

La mecánica clásica es un término que comenzó a utilizarse a principios del siglo 20 para describir la física basada en las teorías que Isaac Newton desarrolló durante el siglo 17. La formulación de las leyes del movimiento de Newton fue publicada en 1687 en su obra Philosophiæ naturalis principia mathematica (Principios matemáticos de la filosofía natural).

Al combinar las leyes del movimiento y la ley de la gravitación universal, también desarrollada por él, Newton consiguió deducir matemáticamente teorías astronómicas previas, como las teorías del movimiento planetario de Kepler, o los estudios de Galileo Galilei sobre el movimiento de proyectiles.

Leyes de Newton

Las leyes y teorías de Newton nos han ayudado a entender el comportamiento mecánico de objetos en reposo, de objetos en movimiento y las leyes que actúan sobre ellos. Se basan en el concepto de masa como cantidad de materia y el concepto de fuerza. Para Newton, para generar movimiento es necesario que una fuerza actúe sobre la masa y modifique su velocidad o trayectoria, es decir, que una fuerza acelere o desacelere el objeto.

Una de las ideas brillantes de Newton fue vislumbrar que la velocidad de un objeto no indica que una fuerza está actuando sobre él, tal y como se deducía de la física aristotélica, sino que es la aceleración.

1.- Primera Ley de Newton: Ley de la Inercia

La primera ley de Newton o ley de la inercia afirma que un objeto en movimiento permanecerá en movimiento uniforme y rectilíneo de forma indefinida si no hay una fuerza que actúe sobre él y lo obligue a cambiar de velocidad (acelerar o desacelerar) o a cambiar la dirección de desplazamiento.

El estado de reposo se considera velocidad cero y, de igual forma, un objeto en reposo permanecerá en reposo de forma indefinida a menos que una fuerza actúe sobre él y le haga cambiar de velocidad.

Es decir, tanto si está en reposo como en movimiento, un objeto mantendrá su estado hasta que una fuerza actúe sobre él:

Todo cuerpo persevera su estado de reposo o movimiento uniforme y rectilíneo a no ser que sea obligado a cambiar su estado por fuerzas impresas sobre él.

1ª Ley de Newton o Ley de la inercia

Básicamente, la primera ley de Newton establece que un objeto no comienza a moverse de forma espontánea, solo cuando una fuerza externa actúa sobre el. Una vez en movimiento, el movimiento sería constante, uniforme y rectilíneo. El movimiento del objeto solo cambiará si otras fuerzas actúan sobre él para darle más movimiento o para quitarle movimiento, es decir, para cambiar su velocidad o para cambiar la dirección de desplazamiento.

Esta ley supuso un cambio radical sobre la física aristotélica predominante hasta entonces. Según la física aristotélica, un objeto permanece en movimiento mientras se le aplica una fuerza aceleradora, en cuanto la fuerza deja de aplicarse, el objeto se detiene. Para Newton es lo contrario, si se deja de aplicar una fuerza sobre el objeto, el objeto seguirá en movimiento rectilíneo, a velocidad constante y de forma indefinida; es necesario que actúe otra fuerza que lo frene.

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Por ejemplo, si se lanza un proyectil desde un cañón, el proyectil seguiría un movimiento rectilíneo indefinido y escaparía del planeta. Si no lo hace es porque la fuerza de la gravedad terrestre y la resistencia del aire frenan el proyectil y lo hacen caer finalmente de nuevo al suelo cuando han contrarrestado la fuerza impulsora inicial.

Lo que viene a explicar es que la velocidad del objeto no es indicativo de que hay una fuerza actuando sobre el objeto, lo es el cambio de velocidad (aceleración). En el caso de los objetos en reposo, su velocidad es cero y si cambia es porque ha actuado una fuerza para acelerarlo.

Se deduce, por tanto, que el estado mecánico de reposo y el estado de movimiento rectilíneo uniforme son estados equivalentes en ausencia de fuerzas externas o si la fuerza neta es igual a cero (suma vectorial de todas las fuerzas actuando sobre el objeto):

Ley de la inercia (1ª Newton)

Dónde F es la fuerza, v es la velocidad y t es el tiempo.

Al aplicar esta Ley, Newton se dio cuenta que la Luna no salía despedida al espacio en un movimiento rectilíneo porque había otra fuerza actuando sobre ella cambiando constantemente la dirección de movimiento hasta convertirlo en un movimiento circular. A esta fuerza la llamó gravedad y es el mismo principio se utiliza para mantener los satélites artificiales en órbita.

Movimiento orbital

2.- Segunda Ley de Newton o Ley Fundamental de la Dinámica

La segunda ley de Newton, o ley fundamental de la dinámica, establece que la tasa de cambio del movimiento de un objeto, es decir, la aceleración, es proporcional a la fuerza aplicada sobre el objeto. Además, el cambio de movimiento se produce en la dirección en la que se aplica la fuerza, pues la fuerza es una magnitud vectorial.

La segunda ley de Newton solo es válida para sistemas de masa constante y matemáticamente se describe como que la fuerza es igual a la masa del objeto por la aceleración que experimenta:

Ley fundamental de la dinámica (2ª Newton)

Donde F es la fuerza neta aplicada, m es la masa del objeto y a es la aceleración.

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De aquí se deduce que si la masa se mantiene constante, el cambio de movimiento es proporcional a la fuerza aplicada. Para sistemas de masa variable, la ecuación es:

2ª Ley de Newton para masa variable

Donde u es la velocidad de entrada o salida de materia del sistema.

3.- Tercera Ley de Newton o Ley de acción-reacción

La tercera ley de Newton, también conocida como ley de acción-reacción, establece que para toda acción existe una reacción opuesta de igual magnitud. Esto significa que para cualquier fuerza que se aplica sobre un objeto, existe una fuerza de igual magnitud pero en dirección opuesta, es decir, si un objeto es empujado hacia adelante, otro objeto es empujado hacia atrás con la misma intensidad.

La tercera ley de Newton, en esencia, significa que todas las fuerzas mecánicas son interacciones entre dos o más objetos y que si un objeto A ejerce una fuerza sobre un objeto B (FA), el objeto B ejercerá una fuerza de igual magnitud pero en dirección opuesta sobre el objeto B (FB). Es decir, FA = – FB.

Por ejemplo, los motores de un cohete empujan la tierra hacia abajo (acción) y la tierra empuja el cohete hacia arriba con la misma intensidad (reacción). Pero la fuerza ejercida por el cohete sobre la Tierra no es suficiente para mover al planeta, pero sí para superar el peso del cohete. La fuerza de reacción del planeta, equivalente a la fuerza ejercida por los reactores, podrá entonces hacerlo despegar. De forma similar, una persona al caminar está empujando el suelo hacia abajo y atrás, y el suelo empuja a la persona hacia arriba y adelante.

La ley de acción-reacción es la única que se considera completamente original de Newton, pues las otras dos ya habían sido formuladas por otros científicos, como Galileo Galilei, Robert Hooke o Christiaan Huygens, aunque fuera de forma diferente o menos precisa.

Ley de acción-reacción (3ª Newton)

Mecánica clásica, relativista y cuántica

Las leyes de Newton y la mecánica clásica han sido verificadas mediante experimentos y observaciones realizadas durante siglos. Sin embargo, no representan mas que una aproximación para describir el movimiento de objetos macroscópicos.

En los tamaños y velocidades cotidianas para el ser humano, las aproximaciones de Newton tienen un precisión excelente, incluso para describir el movimiento de objetos astronómicos, pero las desviaciones se hacen muy notables cuando los objetos son extremadamente masivos (el campo gravitacional es muy fuerte), cuando la velocidad se aproxima a la velocidad de la luz o cuando el tamaño es tan pequeño que se pone de manifiesto la dualidad onda-corpúsculo de la materia.

Para explicar fenómenos que aparecen en estas escalas son necesarias otras teorías físicas más sofisticadas, como la relatividad general o la teoría del campo cuántico, teorías que tampoco son mas que otras aproximaciones a la realidad, pues también fallan en escalas extremadamente altas y extremadamente pequeñas.

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