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TEKS
Física
Lección 4D
TEKS 4D Calcular el efecto de las fuerzas sobre los objetos, incluyendo la ley de
inercia, la relación entre fuerza y aceleración, y la naturaleza de los pares de fuerzas
entre objetos.
Lección TEKS 4D:
Las leyes del movimiento de Newton
¿Por qué algunos carros aceleran más rápido que otros? ¿Por qué un patinador sobre hielo se desliza
grandes distancias sobre el hielo dando un simple impulso? Las respuestas a estas preguntas están
relacionadas con los conceptos de masa e inercia.
¿Cómo estudiaron el movimiento los primeros científicos?
Los científicos modernos comprenden las relaciones entre fuerza y movimiento. Sin embargo, se
necesitaron alrededor de 2,000 años para desarrollar esta comprensión.
Aristóteles El antiguo científico y filósofo griego Aristóteles (384 a. C.–322 a. C.) realizó varios
descubrimientos científicos mediante la observación cuidadosa y el razonamiento lógico. No siempre tuvo
razón. Aristóteles postuló incorrectamente que para mantener un objeto en movimiento a rapidez
constante se necesitaba una fuerza. Este error impidió que el estudio del movimiento progresara durante
casi dos mil años.
Galileo El científico italiano Galileo Galilei (1564–1642) llevó a cabo experimentos para saber más
sobre el mundo. Dejando caer pelotas por rampas de madera, estudió cómo la gravedad produce una
aceleración constante. Galileo llegó a la conclusión de que los objetos en movimiento que no estuvieran
sujetos a la fricción o a cualquier otra fuerza continuarían moviéndose indefinidamente.
Newton La peste que asoló Londres en 1665 obligó a Isaac Newton a abandonar sus estudios en el
Trinity College de Cambridge, Inglaterra. Durante los dos años siguientes, Newton amplió el trabajo de
científicos como Galileo. Publicó sus resultados muchos años más tarde, en un libro titulado Principia.
En esta importante obra, Newton tuvo que definir en primer lugar la masa y la fuerza. Luego presentó sus
leyes del movimiento.
¿Cuál es la primera ley del movimiento de Newton?
Newton resumió sus estudios sobre la fuerza y el movimiento en varias leyes del movimiento. De acuerdo
con la primera ley del movimiento de Newton, el estado de movimiento de un objeto no cambia
mientras la fuerza neta que actúe sobre el objeto sea cero. Por lo tanto, a menos que actúe una fuerza no
equilibrada, un objeto en reposo permanece en reposo y un objeto en movimiento permanece en
movimiento con la misma rapidez y dirección. Por ejemplo, una pelota de fútbol que se encuentra en
reposo sobre el pasto permanece en reposo hasta que se aplique sobre ella una fuerza en forma de
puntapié. La pelota que recibe el puntapié comienza a rodar. Como la fricción entre el pasto y la pelota
actúa sobre la pelota mientras rueda, la pelota disminuye su rapidez. La fuerza de rozamiento disminuye
la rapidez de la pelota hasta detener su movimiento por completo.
La primera ley del movimiento de Newton también se conoce como ley de inercia. La inercia es la
tendencia de un objeto a resistir un cambio de su movimiento. En otras palabras, un objeto en reposo
tiende a permanecer en reposo y un objeto en movimiento tiene a permanecer en movimiento con la
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misma rapidez y dirección. Observa que mientras la pelota estaba en reposo sobre el
pasto, las fuerzas que actuaban sobre ella estaban equilibradas. La pelota permaneció
en reposo hasta que actuó sobre ella una fuerza no equilibrada. La pelota tiene inercia.
Piensa en lo que sucede cuando un carro en movimiento choca de frente. La fuerza del
choque actúa sobre el carro y lo detiene súbitamente. Inicialmente, ninguna fuerza
actúa sobre los pasajeros del carro y, como tienen inercia, el movimiento de los pasajeros hacia adelante
continúa sin desacelerarse. Como se muestra en la siguiente ilustración, se usan cinturones de seguridad y
airbags para detener este movimiento hacia adelante. Estos elementos de seguridad ejercen fuerza contra
el cuerpo del muñeco: se oponen a su movimiento hacia adelante y evitan que choque contra el volante y
el parabrisas.
¿Cuál es la segunda ley del movimiento de Newton?
¿Cómo afectan las fuerzas no equilibradas al movimiento de un objeto? Una fuerza no equilibrada
produce un cambio en la velocidad de un objeto. En otras palabras, el objeto acelera. Por ejemplo, cuando
lanzas una pelota, aplicas una fuerza neta sobre ella. Mientras más fuerte la lances, mayor será la
aceleración de la pelota. De hecho, la aceleración de la pelota es directamente proporcional a la fuerza
neta que actúa sobre ella. Si duplicas la fuerza, la aceleración de la pelota también se duplica. Newton
también descubrió que la aceleración de un objeto depende de su masa. La masa es una medida de la
inercia de un objeto y depende de la cantidad de materia que el objeto contenga.
De acuerdo con la segunda ley del movimiento de Newton, la aceleración de un objeto es igual a la
fuerza neta que actúa sobre él dividida entre la masa del objeto. Por lo tanto, duplicar la masa de un objeto
reduce su aceleración a la mitad. Newton logró plasmar estas ideas en una única fórmula.
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aceleració n =
a
Fuerza neta
masa
F
m
La fórmula de Newton también se puede escribir de modo que puedan calcularse la
fuerza o la masa:

Fuerza neta = masa  aceleració n
F  ma
masa =

Fuerza neta
aceleració n
m
F
a
La aceleración de un objeto siempre tiene la misma dirección que la fuerza neta. Al usar la fórmula de la
segunda ley de Newton, es útil observar que las unidades N/kg y m/s2 son equivalentes.

Problema de ejemplo Un automóvil que tiene una masa de 1,000 kilogramos acelera cuando la luz
del semáforo se pone en verde. Si la fuerza neta sobre el carro es de 4,000 newtones, ¿cuál es la
aceleración del carro?
En primer lugar, registra la información que tienes:
Masa, m = 1,000 kg
Fuerza, F = 4,000 N
Luego, identifica la incógnita que deseas calcular.
Aceleración, a = ?
De las tres versiones de la fórmula de Newton, se puede usar la primera para calcular la aceleración si
sabes cuál es la masa y la fuerza:
Aceleración =
F
Fuerza neta
O a
m
Masa
Ahora puedes reemplazar por los valores de las variables que tienes y resolver:

a
4,000 N 4 N 
m
m

 4 kg  2  4 2
s
1,000 kg kg
s
kg
Por lo tanto, a  4
m
s2

Observa que la segunda ley de Newton también se aplica cuando la fuerza neta actúa en dirección opuesta
al movimiento del objeto. En este caso, la fuerza produce una desaceleración que disminuye la rapidez.

Los carritos de supermercado que se muestran abajo ilustran la segunda ley de Newton. ¿Qué sucede si
empujas un solo carrito? La fuerza no equilibrada hace que el carrito se acelere. ¿Qué sucede si empujas
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con la misma fuerza ocho carritos enganchados? La aceleración de los carritos
enganchados es mucho menor que la de un solo carrito. Los carritos enganchados
aceleran menos porque tienen más masa.
¿En qué se diferencian el peso y la masa?
¿En ocasiones hablas del peso y de la masa como si fueran lo mismo? Aunque están relacionados, el peso
y la masa no son lo mismo. El peso es la fuerza de gravedad que actúa sobre un objeto. El peso de un
objeto es el producto de la masa del objeto por la aceleración debida a la gravedad que actúa sobre él.
Peso = masa  aceleració n debida a la gravedad
P  mg
La fórmula del peso es básicamente la segunda ley de Newton. Sin embargo, el peso (P) se sustituye por
la fuerza (F) y la aceleración debida a la gravedad (g) se sustituye por la aceleración (a). En otras
palabras, P = mg es una forma distintade a = F/m. Esto se corresponde con la versión de la fórmula para
hallar la fuerza, F = ma. El valor de g en la fórmula es de 9.8 m/s2.
Cuando uses la fórmula del peso o la fórmula de la segunda ley de Newton, asegúrate de usar las unidades
correctas. La fuerza (F o P) debe expresarse en newtones, la aceleración (a o g) en metros por segundo al
cuadrado y la masa (m) en kilogramos. El siguiente ejemplo muestra cómo usar la fórmula del peso:
Si la masa un astronauta es de 112 kilogramos, ¿cuál es su peso en la Tierra, donde la aceleración debida
a la gravedad es de 9.8 m/s2?
Peso = masa  accleració n debida a la gravedad
 112 kg  9.8
1,100 kg 

m
s2
m
1,100 N
s2

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Si observas la fórmula del peso, verás que la masa y el peso son proporcionales.
Duplicar la masa de un objeto también duplica el peso del objeto. La masa es una
medida de la inercia de un objeto, el peso es una medida de la fuerza de gravedad que
actúa sobre un objeto. Imagina el mismo astronauta en la Tierra y en la Luna. En la
Luna, la aceleración debida a la gravedad es apenas la sexta parte de la gravedad en la
Tierra. Por lo tanto, el peso del astronauta en la Luna es aproximadamente un sexto de
su peso en la Tierra. La masa del astronauta es igual en ambos sitios.
¿Cuál es la tercera ley del movimiento de Newton?
La próxima vez que vayas a un parque de diversiones, piensa en la física. No hay mejor sitio que un
parque de diversiones para ver a las leyes de Newton en acción. Cuando experimentas arranques y
detenciones repentinas de movimiento, cambios de dirección e incluso quizás una caída libre, puedes estar
seguro de que las leyes de la física controlan tu movimiento. Los carritos chocones ilustran la tercera ley
del movimiento de Newton, el tema de esta sección.
Si condujiste alguna vez un carrito chocón, sabes que el objetivo del juego es golpear de frente a otro
carrito. Cuando chocas contra otro carrito, lo haces con la suficiente fuerza como para hacer saltar del
asiento al otro conductor. Sin embargo, en este choque hay dos partes, pues también hace que tu carrito
rebote bruscamente. La tercera ley del movimiento de Newton explica el comportamiento de los carritos
chocones durante un choque.
Una fuerza no puede existir sola. Las fuerzas siempre existen en pares. De acuerdo con la tercera ley del
movimiento de Newton, cuando un objeto ejerce una fuerza sobre un segundo objeto, el segundo objeto
ejerce una fuerza igual y opuesta sobre el primer objeto. Estas dos fuerzas se llaman fuerzas de acción y
de reacción.
La fuerza que ejerce tu carrito chocón sobre el otro carrito es la fuerza de acción. La fuerza que ejerce el
otro carrito sobre tu carrito es la fuerza de reacción. Estas dos fuerzas tienen igual magnitud y dirección
opuesta.
Empujar una pared con la mano también produce un par de fuerzas. Cuando empujas la pared, tu mano
ejerce una fuerza sobre la pared. Esta es la fuerza de acción. La pared ejerce una fuerza igual y opuesta
sobre tu mano. Esta es la fuerza de reacción.
Una situación similar ocurre cuando clavas un clavo en un trozo de madera con un martillo. Cuando el
martillo golpea el clavo, aplica una fuerza sobre el clavo. Esta fuerza de acción empuja el clavo dentro del
trozo de madera. ¿Hay una fuerza de reacción? De acuerdo con la tercera ley de Newton, debe haber una
fuerza de reacción igual y opuesta. El clavo proporciona la fuerza de reacción ejerciendo una fuerza igual
y opuesta sobre el martillo. Esta es la fuerza de reacción que detiene el movimiento del martillo.
A simple vista, algunos de los ejemplos anteriores parecen contradecir la primera ley de Newton.
Recuerda que dos fuerzas que actúan sobre un objeto se equilibran entre sí si tienen igual magnitud y
dirección opuesta y, según la primera ley de Newton, ni la rapidez ni la dirección del movimiento de un
objeto cambian si todas las fuerzas que actúan sobre el objeto están equilibradas. Las fuerzas que forman
un par de acción-reacción tienen igual magnitud y dirección opuesta, pero en algunos de los ejemplos
anteriores se producen cambios de movimiento: el martillo se detiene o se empuja al carrito chocón
lateralmente, por ejemplo.
La razón por la que estos ejemplos no contradicen la primera ley de Newton es que esta primera ley de
Newton se refiere al equilibrio de las fuerzas que actúan sobre el mismo objeto. En cada par de fuerzas de
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acción-reacción que describimos antes, las dos fuerzas actúan sobre objetos distintos
(el martillo y el clavo, la mano y la pared, los dos carritos chocones). Cuando un
carrito chocón choca contra otro, el segundo carrito recibe un empujón del primero. La
tercera ley de Newton establece que el primer carrito también recibe un empujón del
segundo carrito. Las fuerzas tienen igual magnitud y dirección opuesta, pero no se
equilibran entre sí porque no están actuando sobre el mismo carrito. En cambio, a cada
carrito lo empuja una fuerza diferente.
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Comprobación de la lección
1. Calcular Un niño empuja hacia adelante un carrito que contiene 40.0 kg de comestibles con una
fuerza de 60.0 N. Usa la relación entre fuerza y aceleración para calcular la aceleración del carrito.
(TEKS 4Dii)
2. Explicar Una pelota atada con un cordel al extremo superior de un palo vertical se hace girar en
círculos horizontales a una rapidez constante. (a) ¿La fuerza neta que actúa sobre la pelota es igual a cero
o es distinta de cero? Usa la ley de inercia para explicar tu respuesta. (b) Si la pelota se reemplaza por una
pelota cuya masa sea el doble, ¿cómo es la inercia de la segunda pelota comparada con la de la primera
pelota? (TEKS 4Di)
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3. Calcular Una persona empuja un escritorio con una fuerza de 200 N. El suelo
ejerce una fuerza de fricción de 20 N en la dirección opuesta. (a) ¿Cuál es la fuerza
neta que actúa sobre el escritorio? (b) Calcula la magnitud de la fuerza de reacción que
ejerce el escritorio sobre la persona. (TEKS 4Diii)
4. Calcular Una fuerza de 25 N acelera a un niño que está sobre una silla de ruedas a 0.5 m/s2. Usa la
relación entre fuerza y aceleración para calcular la masa combinada del niño y de la silla de ruedas.
(TEKS 4Dii)
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5. Aplicar conceptos Un avión se desplaza en una trayectoria recta a una rapidez
constante de 500 kilómetros por hora. Las dos fuerzas que afectan a su movimiento
hacia adelante son el empuje de los motores y la fuerza de resistencia del aire, que
empuja en sentido contrario al movimiento del avión. De acuerdo con la primera ley de
Newton, ¿cuál de las siguientes opciones debe ser verdadera?
A La fuerza de resistencia debe ser menor que la fuerza de empuje, de lo contrario el avión no podría
desplazarse hacia adelante.
B La fuerza de resistencia debe ser igual a la fuerza de empuje porque el avión se desplaza a una
rapidez constante en una trayectoria recta.
C La primera ley de Newton no se puede aplicar en este caso.
D La magnitud de la fuerza de resistencia no es importante siempre y cuando el empuje sea
constante.
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