Como se describe en la tercera de las leyes de Newton del movimiento de la mecánica clásica , todas las fuerzas se presentan 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 enuncia de forma más general como: "A toda acción siempre se opone una reacción igual: o las acciones mutuas de dos cuerpos entre sí son siempre iguales y 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 una fuerza sobre el suelo, el suelo lo empuja con la misma 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 sobre el suelo se considera la "acción".
Cuando alguien quiere saltar, ejerce una fuerza adicional hacia abajo sobre el suelo ('acción'). Al mismo tiempo, el suelo ejerce una fuerza hacia arriba sobre la persona ('reacción'). Si esta fuerza hacia arriba es mayor que el peso de la persona, esto dará como resultado una aceleración hacia arriba. Cuando estas fuerzas son perpendiculares al suelo, también se denominan fuerza normal .
De la misma manera, las ruedas de un vehículo que giran intentan deslizarse hacia atrás por el suelo. Si el suelo no es demasiado resbaladizo, esto da lugar a 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 en dirección hacia delante. Esta fuerza hacia delante impulsa el vehículo.
La Tierra , entre otros planetas , orbita alrededor del Sol porque el Sol ejerce una atracción gravitatoria que actúa como una fuerza centrípeta , manteniendo a la Tierra unida a él, que de otro modo saldría despedida al espacio. Si la atracción del Sol se considera una acción, entonces la Tierra ejerce simultáneamente una reacción como atracción gravitatoria sobre el Sol. La atracción de la Tierra tiene la misma amplitud que la del Sol pero en la 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 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 , conocido en astronomía como el baricentro , del sistema combinado.
Toda masa que se encuentra sobre la Tierra es atraída hacia abajo por la fuerza gravitatoria de la Tierra; esta fuerza también se denomina peso . La "reacción" correspondiente es la fuerza gravitatoria que la masa ejerce sobre el planeta.
Si el objeto se sostiene de modo que permanezca en reposo, por ejemplo, mediante un cable del que cuelga, o mediante una superficie que se encuentra debajo, o mediante un líquido sobre el que flota, también existe una fuerza de apoyo en dirección ascendente ( fuerza de 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 se suma una «reacción»: el objeto tira hacia abajo del cable de apoyo o empuja hacia abajo la superficie de apoyo o el líquido. En este caso, por tanto, hay cuatro fuerzas de igual magnitud:
Las fuerzas F 1 y F 2 son iguales, debido a la tercera ley de Newton; lo mismo es cierto para las fuerzas F 3 y F 4 . Las fuerzas F 1 y F 3 son iguales si y solo 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, si se le da a la masa un ligero empujón hacia arriba o hacia abajo, por ejemplo), la masa comienza a oscilar hacia arriba y hacia abajo. Debido a estas aceleraciones (y desaceleraciones posteriores), concluimos a partir de la segunda ley de Newton que una fuerza neta es responsable del cambio observado en la velocidad. La fuerza gravitacional que tira hacia abajo sobre la masa ya no es igual a la fuerza elástica ascendente del resorte. En la terminología de la sección 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 , como lo requiere 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» el efecto. Por lo tanto, es fácil pensar que la segunda fuerza está ahí debido a la primera, e incluso que 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 sobre el jugador, la "reacción". Pero físicamente, la situación es simétrica. Las fuerzas sobre la pelota y el jugador se explican por su proximidad, lo que da como resultado un par de fuerzas de contacto (debidas en última instancia a la repulsión eléctrica). El hecho de que esta proximidad sea causada por una decisión del jugador no tiene relación con el análisis físico. En lo que respecta a la física, las etiquetas "acción" y "reacción" se pueden invertir. [4]
Un problema que observan con frecuencia 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. En cambio, un libro que se encuentra 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, ambas fuerzas actuando sobre el mismo libro. Como el libro no está acelerando, 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, por lo que 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 hacia arriba del libro sobre la Tierra. El libro también empuja hacia abajo a la mesa y la mesa empuja hacia arriba al libro. Además, las fuerzas que actúan sobre el libro no siempre son igualmente intensas; serán diferentes si el libro es empujado hacia abajo por una tercera fuerza, o si la mesa está inclinada, o si el sistema mesa-libro está en un ascensor en aceleración. El caso de cualquier número de fuerzas que actúen sobre el mismo objeto se cubre considerando la suma de todas las fuerzas.
Una posible causa de este problema es que la tercera ley suele enunciarse de forma abreviada: “ Por cada acción hay una reacción igual y opuesta”, [8] sin entrar en 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 cuán 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 solo aparece cuando los cálculos o las mediciones se realizan en marcos de referencia no inerciales. [11]
Aunque un cuerpo puede ser más "activo" que el otro y, por lo tanto, puede parecer que inicia la interacción (por ejemplo, una bola de bolos que golpea un bolo), la fuerza que el cuerpo A ejerce sobre el cuerpo B siempre es simultánea con la fuerza que B ejerce sobre A.
Este informe destaca algunas de las dificultades que experimentan los niños con la tercera ley de Newton.
... la siguiente pregunta por escrito: La tercera ley de Newton habla de 'acción' y 'reacción'. Imaginemos una botella de vino sobre una mesa. Si la fuerza gravitacional que atrae a la botella se llama acción, ¿qué fuerza es la reacción a esta fuerza según la tercera ley de Newton? La respuesta dada con más frecuencia fue: 'La fuerza normal que la mesa ejerce sobre la botella'.
… La tercera ley de Newton, que
la acción y la reacción son iguales y opuestas
Por cada acción (fuerza) en la naturaleza hay una reacción igual y opuesta.
Esto fue atacado por Newton, quien intentó que la fuerza centrípeta sobre los planetas (de las interacciones gravitacionales) fuera igualada por la fuerza centrífuga para que hubiera 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 la gravedad según 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 marco de referencia inercial.