Unidad 2 · Fuerza
Primera ley de Newton: el principio de inercia
Vas de pie en la micro. El chofer acelera y tu cuerpo se va hacia atrás; frena en el paradero y te vas hacia adelante. Nadie te empujó: es tu propia tendencia a mantener el movimiento que ya llevabas. Esa tendencia tiene nombre —inercia— y está en el corazón de la primera de las tres leyes con que Newton explicó todo el movimiento.
Durante casi dos mil años se creyó que para mantener un cuerpo en movimiento había que empujarlo sin parar. Parece de sentido común: si dejas de arrastrar una caja por el piso, la caja se detiene. La primera ley de Newton afirma justo lo contrario, y esa inversión fue una de las ideas más revolucionarias de la historia de la ciencia. Para entenderla, conviene empezar por la idea antigua que vino a derribar.
La idea antigua: el movimiento necesita un «motor»
El filósofo griego Aristóteles (siglo IV a. C.) sostenía que el estado natural de los objetos es el reposo: toda cosa, si la dejas tranquila, tiende a quedarse quieta. De ahí concluía tres afirmaciones encadenadas:
- para que un cuerpo se mueva, hace falta un motor actuando sobre él;
- mientras el motor actúe, el cuerpo se mueve;
- si el motor deja de actuar, el movimiento se acaba.
La experiencia diaria parecía darle la razón. Empujas un mueble y avanza; dejas de empujar y se detiene. El carro se mueve mientras el caballo tira; si el caballo se detiene, el carro también. La conclusión de que «sin motor no hay movimiento» se veía por todas partes… porque en todas partes hay un ladrón escondido que Aristóteles no supo ver: el roce.
El giro de Galileo: y si no hubiera roce…
Casi dos milenios después, Galileo Galilei hizo un experimento mental decisivo. Imaginó una bolita que baja rodando por una rampa y sube por otra enfrentada: la bolita sube casi hasta la misma altura de la que partió. Si suavizamos cada vez más las superficies —menos y menos roce— la bolita sube más y más cerca de su altura inicial. ¿Y si la segunda rampa fuera perfectamente horizontal y sin roce? La bolita, buscando en vano recuperar su altura, no se detendría nunca: seguiría avanzando en línea recta para siempre.
Galileo intuyó así que el movimiento no se gasta. Lo que detiene a los cuerpos no es que «se les acabe» el movimiento, sino una fuerza externa —el roce, el aire— que los frena. Décadas más tarde, Isaac Newton convirtió esa intuición en una ley precisa que no necesita el concepto de motor: el movimiento puede existir por sí mismo, y las fuerzas solo son responsables de los cambios en el movimiento.
El enunciado de la primera ley
Reunidas las piezas, la primera ley de Newton se enuncia así:
En un lenguaje más compacto: si la suma de todas las fuerzas que actúan sobre un cuerpo es cero, su velocidad no cambia. La condición «la fuerza neta es cero» se escribe con la letra griega sigma (Σ, «suma») así:
Σ F = 0 ⟹ velocidad constante (a = 0)
Fíjate en lo que no dice la ley. No dice «si no hay fuerzas, el cuerpo está quieto». Dice que si la fuerza neta es cero, el cuerpo mantiene la velocidad que ya tenía: si estaba quieto, sigue quieto; si iba a 20 m/s en línea recta, sigue a 20 m/s en línea recta. Reposo y movimiento uniforme son, para esta ley, dos versiones del mismo estado: el estado de «velocidad que no cambia». El reposo es simplemente el caso en que esa velocidad vale cero.
Inercia: la resistencia a cambiar de estado
La propiedad que hace que un cuerpo «se resista» a cambiar su estado de movimiento se llama inercia. Es la razón por la que un cuerpo en reposo cuesta ponerlo en marcha, y por la que un cuerpo en movimiento cuesta detenerlo o desviarlo.
La inercia está ligada a la masa. Empujar un carrito de supermercado vacío es fácil; el mismo carrito lleno cuesta mucho más arrancarlo y mucho más frenarlo. La masa (medida en kilogramos, kg) es precisamente la medida de cuánta inercia tiene un cuerpo. Por eso la masa se llama también masa inercial.
| Estado inicial del cuerpo | Con Σ F = 0… | Se necesita fuerza neta para… |
|---|---|---|
| En reposo (v = 0) | sigue en reposo | ponerlo en movimiento |
| En MRU (v constante, recto) | sigue en MRU, misma v | frenarlo, acelerarlo o desviarlo |
La inercia en la micro
El ejemplo cotidiano más claro es el del bus. Vas de pie, sin afirmarte. El chofer acelera: el piso del bus se adelanta con el vehículo, pero tu cuerpo —por inercia— tiende a quedarse con la velocidad que tenía, así que sientes que te vas hacia atrás. Cuando el chofer frena, el bus reduce su velocidad, pero tu cuerpo tiende a seguir con la que llevaba, y te vas hacia adelante. Al doblar, tu cuerpo tiende a seguir recto y te sientes empujado hacia el lado exterior de la curva.
Entonces… ¿por qué las cosas se detienen?
Si el movimiento se conserva solo, la pregunta natural es: ¿por qué en la vida real todo termina deteniéndose? Deslizas un dado sobre la mesa de un solo empujón y, aunque ya no lo tocas, al rato se detiene. La respuesta no es que «se le acabó la fuerza» que llevaba dentro —los cuerpos no llevan fuerza dentro—. Se detiene porque, mientras se desliza, el roce con la mesa ejerce sobre él una fuerza neta en sentido contrario al movimiento, y esa fuerza es la que lo va frenando hasta pararlo.
El experimento del naipe
Hay una demostración clásica de la inercia que puedes hacer con un vaso, un naipe y una moneda. Pones el naipe cubriendo la boca del vaso y, sobre el naipe, justo encima del hueco, una moneda. Si tiras el naipe de un manotazo rápido y horizontal, el naipe sale disparado… pero la moneda no lo acompaña: cae dentro del vaso. La misma idea funciona con un vaso de agua sobre el naipe.
¿Por qué? El tirón sobre el naipe dura un instante tan breve que casi no alcanza a arrastrar a la moneda: la moneda, por su inercia, tiende a quedarse donde está. Cuando el naipe ya salió, la moneda —que apenas se movió de lado— cae verticalmente por su peso y aterriza dentro del vaso.
Un ejemplo con números
Un disco de curling de 20 kg se desliza sobre hielo casi sin roce. En cierto instante lleva una velocidad de 4 m/s hacia la derecha, en línea recta. Sobre él actúan dos fuerzas verticales: su peso hacia abajo y la fuerza normal del hielo hacia arriba, ambas de igual magnitud. En la horizontal, con el hielo ideal, no hay roce.
La fuerza neta vertical es cero (peso y normal se cancelan) y la horizontal también es cero (no hay roce ni nadie empujando). Por lo tanto:
Σ F = 0 ⟹ a = 0 ⟹ v = 4 m/s (constante)
El disco seguirá deslizando a 4 m/s en línea recta. En 3 segundos recorrerá x = v · t = 4 · 3 = 12 m, y en 5 segundos, 20 m, siempre a la misma rapidez, sin que haya que empujarlo. Es la primera ley en acción: sin fuerza neta, el movimiento uniforme simplemente continúa. (Cómo una fuerza neta no nula produce aceleración es el tema de la segunda ley de Newton.)