La segunda ley del movimiento de Newton dice que
el cambio de movimiento es proporcional a la fuerza motriz impresa y ocurre según la línea recta a lo largo de la cual aquella fuerza se imprime.
La Primera ley de Newton nos dice que para que un cuerpo altere su movimiento es necesario que exista algoque provoque dicho cambio. Ese algo es lo que conocemos como fuerzas. Estas son el resultado de la acción de unos cuerpos sobre otros.
La Segunda ley de Newton se encarga de cuantificar el concepto de fuerza. Nos dice que la fuerza neta aplicada sobre un cuerpo es proporcional a la aceleración que adquiere dicho cuerpo. La constante de proporcionalidad es la masa del cuerpo, de manera que podemos expresar la relación de la siguiente manera:
F = m a
Tanto la fuerza como la aceleración son
magnitudes vectoriales, es decir, tienen, además de un valor, una
dirección y un sentido. De esta manera, la Segunda ley de Newton debe
expresarse como:
F = m a
La unidad de fuerza en el Sistema Internacional es el Newton y se representa por N. Un Newton es la fuerza que hay que ejercer sobre un cuerpo de un kilogramo de masa para que adquiera una aceleración de 1 m/s2, o sea,
1 N = 1 Kg · 1 m/s2
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2da Ley de Newton: Ley de la Fuerza o
Principio Fundamental de la Mecánica
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La expresión de la Segunda ley de Newton
que hemos dado es válida para cuerpos cuya masa sea constante. Si la
masa varia, como por ejemplo un cohete que va quemando combustible, no
es válida la relación F = m ·a. Vamos a generalizar la Segunda ley de Newton para que incluya el caso de sistemas en los que pueda variar la masa.
Para ello primero vamos a definir una magnitud física nueva. Esta magnitud física es la cantidad de movimiento que se representa por la letra p y que se define como el producto de la masa de un cuerpo por su velocidad, es decir:
p = m · v
La cantidad de movimiento también se conoce como momento lineal. Es una magnitud vectorial y, en el Sistema Internacional se mide en Kg·m/s . En términos de esta nueva magnitud física, la Segunda ley de Newton se expresa de la siguiente manera:
La Fuerza que actúa sobre un cuerpo es igual a la variación temporal de la cantidad de movimiento de dicho cuerpo, es decir,
F = dp/dt
De esta forma incluimos también el caso
de cuerpos cuya masa no sea constante. Para el caso de que la masa sea
constante, recordando la definición de cantidad de movimiento y que como
se deriva un producto tenemos:
F = d(m·v)/dt = m·dv/dt + dm/dt ·v
Como la masa es constante
dm/dt = 0
y recordando la definición de aceleración, nos queda tal y como habíamos visto anteriormente.
F = m
Otra consecuencia de expresar la Segunda Ley de Newton usando la cantidad de movimiento es lo que se conoce como Principio de conservación de la cantidad de movimiento. Si la fuerza total que actúa sobre un cuerpo es cero, la Segunda ley de Newton nos dice que:
0 = dp/dt
es decir, que la derivada de la cantidad
de movimiento con respecto al tiempo es cero. Esto significa que la
cantidad de movimiento debe ser constante en el tiempo (la derivada de una constante es cero). Esto es el Principio de conservación de la cantidad de movimiento: si la fuerza total que actúa sobre un cuerpo es nula, la cantidad de movimiento del cuerpo permanece constante en el tiempo.
Esta ley explica qué ocurre si sobre un
cuerpo en movimiento (cuya masa no tiene por qué ser constante) actúa
una fuerza neta: la fuerza modificará el estado de movimiento, cambiando
la velocidad en módulo o dirección. En concreto, los cambios
experimentados en la cantidad de movimiento de un cuerpo son
proporcionales a la fuerza motriz y se desarrollan en la dirección de
esta; esto es, las fuerzas son causas que producen aceleraciones en los
cuerpos.
Consecuentemente, hay relación entre la causa y el efecto,
esto es, la fuerza y la aceleración están relacionadas. Dicho
sintéticamente, la fuerza se define simplemente en función del momento
en que se aplica a un objeto, con lo que dos fuerzas serán iguales si
causan la misma tasa de cambio en el momento del objeto.
En términos matemáticos esta ley se expresa mediante la relación:
Donde
es la cantidad de movimiento y
la fuerza total. Si suponemos la masa constante y nos manejamos con
velocidades que no superen el 10% de la velocidad de la luz podemos
reescribir la ecuación anterior siguiendo los siguientes pasos:


Sabemos que
es la cantidad de movimiento, que se puede escribir m.V donde m es la masa del cuerpo y V su velocidad.

Consideramos a la masa constante y podemos escribir

aplicando estas modificaciones a la ecuación anterior

que es la ecuación fundamental de la dinámica, donde la constante de proporcionalidad, distinta para cada cuerpo, es su masa de inercia. Veamos lo siguiente, si despejamos m de la ecuación anterior obtenemos que m es la relación que existe entre:

y

Es decir la relación que hay entre la fuerza aplicada al cuerpo y la
aceleración obtenida. Cuando un cuerpo tiene una gran resistencia a
cambiar su aceleración (una gran masa) se dice que tiene mucha inercia.
Es por esta razón por la que la masa se define como una medida de la
inercia del cuerpo.
Por tanto, si la fuerza resultante que
actúa sobre una partícula no es cero, esta partícula tendrá una
aceleración proporcional a la magnitud de la resultante y en dirección
de ésta. La expresión anterior así establecida es válida tanto para
la mecánica clásica como para la mecánica relativista, a pesar de que la
definición de momento lineal es diferente en las dos teorías: mientras
que la dinámica clásica afirma que la masa de un cuerpo es siempre la
misma, con independencia de la velocidad con la que se mueve, la
mecánica relativista establece que la masa de un cuerpo aumenta al
crecer la velocidad con la que se mueve dicho cuerpo.
De la ecuación fundamental se deriva también la definición de la unidad de fuerza o newton
(N). Si la masa y la aceleración valen 1, la fuerza también valdrá 1;
así, pues, el newton es la fuerza que aplicada a una masa de un
kilogramo le produce una aceleración de 1 m/s². Se entiende que la
aceleración y la fuerza han de tener la misma dirección y sentido.
La importancia de esa ecuación estriba
sobre todo en que resuelve el problema de la dinámica de determinar la
clase de fuerza que se necesita para producir los diferentes tipos de
movimiento: rectilíneo uniforme (m.r.u), circular uniforme (m.c.u) y
uniformemente acelerado (m.r.u.a).
Si sobre el cuerpo actúan muchas fuerzas,
habría que determinar primero el vector suma de todas esas fuerzas. Por
último, si se tratase de un objeto que cayese hacia la tierra con una
resistencia del aire igual a cero, la fuerza sería su peso, que
provocaría una aceleración descendente igual a la de la gravedad.