Como lo describe la tercera de las leyes del movimiento de la mecánica clásica de Newton , todas las fuerzas ocurren en pares, de modo que si un objeto ejerce una fuerza sobre otro objeto, entonces el segundo objeto ejerce una fuerza de reacción igual y opuesta sobre el primero. [1] [2] La tercera ley también se expresa de manera más general como: "A cada acción siempre se le opone una reacción igual: o las acciones mutuas de dos cuerpos entre sí son siempre iguales y están dirigidas a partes contrarias". [3] La atribución de cuál de las dos fuerzas es la acción y cuál es la reacción es arbitraria. Cualquiera de las dos puede considerarse la acción, mientras que la otra es su reacción asociada.
Cuando algo ejerce fuerza sobre el suelo, el suelo empujará hacia atrás con igual fuerza en la dirección opuesta. En ciertos campos de la física aplicada, como la biomecánica , esta fuerza del suelo se denomina ' fuerza de reacción del suelo '; la fuerza del objeto en el suelo se considera la "acción".
Cuando alguien quiere saltar, ejerce una fuerza adicional hacia abajo en el suelo ("acción"). Al mismo tiempo, el suelo ejerce una fuerza hacia arriba sobre la persona ('reacción'). Si esta fuerza ascendente es mayor que el peso de la persona, se producirá una aceleración hacia arriba. Cuando estas fuerzas son perpendiculares al suelo, también se les llama fuerza normal .
Del mismo modo, las ruedas que giran de un vehículo intentan deslizarse hacia atrás por el suelo. Si el suelo no es demasiado resbaladizo, esto da como resultado un par de fuerzas de fricción : la "acción" de la rueda sobre el suelo en dirección hacia atrás y la "reacción" del suelo sobre la rueda hacia adelante. Esta fuerza hacia adelante impulsa el vehículo.
La Tierra , entre otros planetas , orbita alrededor del Sol porque el Sol ejerce una atracción gravitacional que actúa como una fuerza centrípeta , sujetando a la Tierra a ella, que de otro modo saldría disparada hacia el espacio. Si la atracción del Sol se considera una acción, entonces la Tierra ejerce simultáneamente una reacción como atracción gravitacional sobre el Sol. La atracción de la Tierra tiene la misma amplitud que la del Sol pero en dirección opuesta. Dado que la masa del Sol es mucho mayor que la de la Tierra, el Sol generalmente no parece reaccionar a la atracción de la Tierra, pero de hecho lo hace, como se demuestra en la animación (no a una escala precisa). Una forma correcta de describir el movimiento combinado de ambos objetos (ignorando todos los demás cuerpos celestes por el momento) es decir que ambos orbitan alrededor del centro de masa , denominado en astronomía baricentro , del sistema combinado.
Cualquier masa en la Tierra es arrastrada hacia abajo por la fuerza gravitacional de la Tierra; esta fuerza también se llama peso . La 'reacción' correspondiente es la fuerza gravitacional que la masa ejerce sobre el planeta.
Si el objeto se sostiene de manera que permanezca en reposo, por ejemplo, por un cable del que cuelga, o por una superficie debajo, o por un líquido sobre el que flota, también hay una fuerza de apoyo en dirección hacia arriba ( tensión ). fuerza normal , fuerza de flotación , respectivamente). Esta fuerza de apoyo es una fuerza "igual y opuesta"; lo sabemos no por la tercera ley de Newton, sino porque el objeto permanece en reposo, de modo que las fuerzas deben estar equilibradas.
A esta fuerza de apoyo también se produce una "reacción": el objeto tira hacia abajo del cable de soporte o empuja hacia abajo la superficie de soporte o el líquido. En este caso, existen por tanto cuatro fuerzas de igual magnitud:
Las fuerzas F 1 y F 2 son iguales debido a la tercera ley de Newton; lo mismo ocurre con las fuerzas F 3 y F 4 . Las fuerzas F 1 y F 3 son iguales si y sólo si el objeto está en equilibrio y no se aplican otras fuerzas. (Esto no tiene nada que ver con la tercera ley de Newton).
Si una masa cuelga de un resorte, se aplican las mismas consideraciones que antes. Sin embargo, si este sistema se perturba (por ejemplo, la masa recibe un ligero impulso hacia arriba o hacia abajo, por ejemplo), la masa comienza a oscilar hacia arriba y hacia abajo. Debido a estas aceleraciones (y desaceleraciones posteriores), de la segunda ley de Newton concluimos que una fuerza neta es responsable del cambio observado en la velocidad. La fuerza gravitacional que tira hacia abajo de la masa ya no es igual a la fuerza elástica hacia arriba del resorte. En la terminología del apartado anterior, F 1 y F 3 ya no son iguales.
Sin embargo, sigue siendo cierto que F 1 = F 2 y F 3 = F 4 , ya que así lo exige la tercera ley de Newton.
Los términos "acción" y "reacción" tienen la engañosa sugerencia de causalidad , como si la "acción" fuera la causa y la "reacción" fuera el efecto. Por lo tanto, es fácil pensar que la segunda fuerza está ahí debido a la primera, e incluso ocurre algún tiempo después de la primera. Esto es incorrecto; las fuerzas son perfectamente simultáneas y están ahí por la misma razón. [4]
Cuando las fuerzas son causadas por la voluntad de una persona (por ejemplo, un jugador de fútbol patea una pelota), esta causa volitiva a menudo conduce a una interpretación asimétrica, donde la fuerza del jugador sobre la pelota se considera la "acción" y la fuerza de la pelota se considera la "acción". en el jugador, la 'reacción'. Pero físicamente la situación es simétrica. Las fuerzas sobre el balón y el jugador se explican por su proximidad, lo que da como resultado un par de fuerzas de contacto (en última instancia debido a la repulsión eléctrica). Que esta cercanía se produzca por una decisión del jugador no influye en el análisis físico. En lo que respecta a la física, las etiquetas "acción" y "reacción" se pueden invertir. [4]
Un problema observado con frecuencia por los profesores de física es que los estudiantes tienden a aplicar la tercera ley de Newton a pares de fuerzas "iguales y opuestas" que actúan sobre el mismo objeto. [5] [6] [7] Esto es incorrecto; la tercera ley se refiere a fuerzas sobre dos objetos diferentes. Por el contrario, un libro que yace sobre una mesa está sujeto a una fuerza gravitacional hacia abajo (ejercida por la Tierra) y a una fuerza normal hacia arriba ejercida por la mesa, y ambas fuerzas actúan sobre el mismo libro. Como el libro no acelera, estas fuerzas deben estar exactamente equilibradas, según la segunda ley de Newton. Por lo tanto, son "iguales y opuestas", pero actúan sobre el mismo objeto y, por tanto, no son fuerzas de acción-reacción en el sentido de la tercera ley de Newton. Las fuerzas de acción-reacción reales en el sentido de la tercera ley de Newton son el peso del libro (la atracción de la Tierra sobre el libro) y la fuerza gravitacional ascendente del libro sobre la Tierra. El libro también empuja la mesa hacia abajo y la mesa empuja el libro hacia arriba. Además, las fuerzas que actúan sobre el libro no siempre son igualmente fuertes; serán diferentes si el libro es empujado hacia abajo por una tercera fuerza, o si la mesa está inclinada, o si el sistema de mesa y libro está en un ascensor que acelera. El caso de cualquier número de fuerzas que actúan sobre el mismo objeto se cubre considerando la suma de todas las fuerzas.
Una posible causa de este problema es que la tercera ley a menudo se expresa de forma abreviada: Para cada acción hay una reacción igual y opuesta, [8] sin detalles, es decir, que estas fuerzas actúan sobre dos objetos diferentes. Además, existe una conexión causal entre el peso de algo y la fuerza normal: si un objeto no tuviera peso, no experimentaría la fuerza de apoyo de la mesa, y el peso dicta qué tan fuerte será la fuerza de apoyo. Esta relación causal no se debe a la tercera ley sino a otras relaciones físicas del sistema.
Otro error común es afirmar que "la fuerza centrífuga que experimenta un objeto es la reacción a la fuerza centrípeta sobre ese objeto". [9] [10]
Si un objeto estuviera sujeto simultáneamente a una fuerza centrípeta y a una fuerza centrífuga igual y opuesta , la fuerza resultante desaparecería y el objeto no podría experimentar un movimiento circular. La fuerza centrífuga a veces se denomina fuerza ficticia o pseudofuerza, para subrayar el hecho de que dicha fuerza sólo aparece cuando los cálculos o mediciones se realizan en sistemas de referencia no inerciales. [11]
Aunque un cuerpo puede ser más "activo" que el otro y, por lo tanto, parece iniciar la interacción (por ejemplo, una bola de boliche golpea un bolo), la fuerza que el cuerpo A ejerce sobre el cuerpo B es siempre simultánea con la fuerza B. ejerce sobre A.
Este informe destaca algunas de las dificultades que experimentan los niños con la tercera ley de Newton.
... siguiente pregunta por escrito: La tercera ley de Newton habla de 'acción' y 'reacción'. Imagínese una botella de vino sobre una mesa. Si la fuerza gravitacional que atrae la botella se llama acción, ¿qué fuerza es la reacción ante esta fuerza según la tercera ley de Newton? La respuesta más frecuente fue: "La fuerza normal que ejerce la mesa sobre la botella".
… tercera ley de Newton, que
acción y reacción son iguales y opuestas
Para cada acción (fuerza) en la naturaleza hay una reacción igual y opuesta.
esto fue atacado por Newton que intentó tener el centrípeto La fuerza sobre los planetas (de las interacciones gravitacionales) sería igualada por la fuerza centrífuga, por lo que habría un equilibrio de fuerzas basado en su tercera ley del movimiento.
... en uno de sus ataques a Leibniz escrito en 1711, Newton dice que la fuerza centrífuga es siempre igual y opuesta a la fuerza de gravedad por la tercera ley del movimiento.
Otra dificultad es que los estudiantes a menudo consideran las pseudofuerzas, por ejemplo, la fuerza centrífuga, como si fueran fuerzas reales que actúan en un sistema de referencia inercial.