Sobre el concepto de inercia y la Primera ley de Newton

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Sobre el concepto de inercia

Y LA PRIMERA LEY DE NEWTON

Héctor Domínguez Álvarez

Seguramente, en algún momento has ido dentro de un auto-

bús en movimiento, de pie y sin poder sujetarte de algún tubo o punto. Habrás observado que mientras el autobús se mueve en línea recta sobre una calle plana, sin baches o topes, y a una rapidez constante, tú puedes mantener tu posición sin mayor difi cultad. Pero, ¿qué ocurre cuando el autobús acelera bruscamente para aumentar su rapidez, o frena de repente para reducirla o bien gira fuertemente para dar vuelta hacia la derecha o la izquierda, o cuando se pronto se eleva o baja, al encontrarse con un tope alto o un bache profundo? En todos los casos anteriores tu cuerpo pierde su estabilidad y sientes un empujón hacia atrás, o hacia delante, o hacia los lados, o hacia abajo o arriba. Todos estos efectos tienen su explicación en la 1a. Ley de Newton, también llamada Ley de la Inercia.

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esta ley tiene sus antecedentes en el trabajo que desarrolló Galileo Galilei (1564 -1642), un extraordinario cientí co italiano que es considerado precursor de la ciencia experimental y de la astronomía moderna. En algún momento de su vida, Galileo estudió el movimiento de los cuerpos utilizando planos inclinados construidos de madera con un surco central, a n de reducir la fricción entre la esfera rodante y las tablas. Dentro de la experimentación que desarrolló, utilizó tres tablas: una de bajada, otra en posición horizontal y una tercera de subida y un cuerpo esférico que rodaba a lo largo de éstas. La esfera que se soltaba desde una cierta altura desde la 1ª tabla iba aumentando su rapidez conforme descendía para llegar a la tabla horizontal donde se desplazaba con rapidez constante, hasta llegar a la tabla de subida

www.photos.com por donde subía disminuyendo su rapidez hasta detenerse. Galileo encontró que la altura inicial desde la que se soltaba la esfera, casi coincidía con la altura que ésta alcanzaba en la última tabla. Experimentó disminuyendo la inclinación de la última tabla y aunque la esfera recorría una distancia mayor antes de detenerse, volvió a alcanzar una altura nal que casi coincidía con la altura inicial. Dedujo que la fricción de la esfera con las tablas y con el aire eran las responsables de que las alturas inicial y nal no fueran exactamente iguales.

Entonces Galileo tuvo el ingenio de plantearse la siguiente situación: ¿qué pasaría con la esfera, si la última tabla disminuyera su ángulo de inclinación hasta estar en posición totalmente horizontal como la 2ª tabla y se extendiera de manera inde nida, además de que se pudiera eliminar del todo la fricción entre la esfera y las tablas, y con el aire? Su conclusión fue: la esfera se mantendría moviéndose en línea recta con una rapidez constante inde nidamente. Galileo aca-

Posición inicial Posición fi nal

Galileo Galilei.

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Isaac Newton. Posición inicial Posición fi nal

Posición inicial

¿Dónde está la posición fi nal?

Figura 1.

baba de encontrar que el estado natural de los cuerpos no sólo es el reposo sino también el movimiento rectilíneo uniforme. A la propiedad de los objetos a resistir cambiar su estado de movimiento, ya sea de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme, Galileo la llamó inercia.

Esta a rmación contradecía un planteamiento de Aristóteles que a rmaba que para que un cuerpo se mantuviera en movimiento era necesaria la aplicación de una fuerza.

El físico inglés Isaac Newton (1642-1727) re nó el concepto de inercia de Galileo y formuló su 1ª ley también conocida como Ley de la Inercia que dice:

“Todo objeto continúa en su estado de reposo o de movimiento uniforme en línea recta, a menos que sea obligado a cambiar ese estado por fuerzas que actúen sobre él”.

Esta ley se puede desagregar de la siguiente forma: • Un objeto que está en reposo tiende a mantenerse en reposo, y • Un objeto en movimiento (rectilíneo uniforme) tiende a permanecer en ese estado, a menos que una fuerza neta actúe sobre él.

Como se mencionó, a la propiedad de los objetos de resistirse a cambiar su estado (de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme) se denomina inercia. Entre mayor sea la inercia de un objeto, la resistencia al cambio será mayor. La inercia de una locomotora para modi car su estado de reposo o para detenerse es mucho mayor que la inercia de un carro con ruedas para niño.

La inercia está relacionada con la masa de los cuerpos. Un cuerpo con poca masa, como una pelota de futbol, tiene menos inercia que una bola de boliche de dimensiones similares. Esto hace que sea más fácil poner en movimiento a la pelota de futbol, con una patada por ejemplo, que a la esfera de hierro. Si estos mismos objetos están en movimiento, es claro que podremos parar con mucho más facilidad el balón de futbol que la bola de boliche. De acuerdo a lo anterior, la inercia de la bola de boliche es mayor a la de la pelota.

A continuación se presentan un par de sencillos experimentos que permiten ilustrar la 1ª Ley de Newton.

Actividades

Actividad 1

Coloca una moneda mediana (de $5 o $10) sobre una tarjeta de cartulina que esté asentada sobre la boca de un vaso de vidrio. Luego jala lateralmente la tarjeta, de un solo tirón y con fuerza.

¿Acaso la moneda acompaña a la tarjeta en su desplazamiento lateral y, por lo tanto, caerá fuera del vaso?, ¿o tenderá a mantener su estado de reposo y, por lo tanto, caerá dentro del vaso?. De ser así, explica por qué la moneda no acompañó a la tarjeta en el movimiento lateral y cayó dentro del vaso.

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Se coloca una moneda de $5 o $10 sobre una cartulina que cubra la boca del vaso de vidrio.

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Después se jala la cartulina con fuerza, lateralmente y de un solo tirón.

Actividad 2

Ahora coloca sobre la tarjeta de cartulina un pequeño cilindro de plástico (como los que se usan para guardar los rollos fotográfi cos) sobre el cual pondrás un huevo o una pequeña pelota de esponja o de squash. Jala lateralmente la tarjeta con fuerza y de un solo tirón.

¿Qué pasa con el cilindro de plástico, caerá dentro o fuera del vaso?, ¿y qué ocurrirá con el huevo o la pelota, le sucederá lo mismo que al cilindro de plástico? ¿Cuál caerá dentro del vaso y cuál afuera?¿Por qué? La diferencia de las masas o las inercias del cilindro y pelota serán las responsables de que el cilindro siga el movimiento de la tarjeta y la pelota caiga dentro del vaso. Explica por qué sucede esto.

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Se coloca sobre la cartulina y el vaso de vidrio un pequeño cilindro de plástico con una pelota de esponja sobre él.

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Después se jala la cartulina con fuerza, lateralmente y de un solo tirón.

Actividad 3

Elabora un “detector” de fuerzas externas mediante un sencillo dispositivo. Consigue una pelota chica de esponja del tamaño de una pelota de ping pong, entierra en ella parcialmente un alfi ler y amarra de éste un hilo de unos 35 cm de largo. Luego sostén el extremo libre del hilo y ubícate dentro de un automóvil, autobús o tren. Observa el comportamiento de la pelota mientras el vehículo esté en reposo o se mueva en línea recta a rapidez constante. Observarás que la pelota se mantiene quieta. Pero, ¿cómo se comporta cuando el vehículo acelera? ¿Frena, da vuelta o sube o baja? La pequeña pelota dejará de estar en reposo y se moverá en alguna dirección de acuerdo con lo que vehículo haga.

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En una pequeña pelota de esponja se entierra un al ler.

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En el al ler se amarra un tramo de hilo de unos 35 cm de largo.

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Dentro de un automóvil se sostiene el extremo libre del hilo y se observa la pelota con el vehículo en reposo.

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Ahora observa la pelota con el vehículo acelerando.

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Y nalmente se observa la pelota con el vehículo frenando.

Ahora que conoces la 1ª Ley de Newton y el concepto de inercia, podrás explicar lo que sucede con tu cuerpo cuando vas dentro de un autobús que acelera, frena, da vuelta o sube y baja.

Por cierto, entenderás la importancia de usar los cinturones de seguridad cuando vas dentro de un automóvil. Imagina hacia dónde tenderá a ir tu cuerpo, cuando estando dentro de un automóvil en movimiento, digamos a 90 km/ hora, frene bruscamente o choque contra un objeto pesado, como una barda, por ejemplo. Claro que tu cuerpo tenderá a mantenerse en movimiento y te estrellarás con el parabrisas y el tablero, con todas las graves consecuencias para tu cuerpo (ver g. 2).

Aquí conviene destacar que vivimos dentro de una gigantesca masa gaseosa llamada atmósfera o aire, por lo que cuando un objeto se mueve en el aire, aparece una fuerza de fricción que se opone al movimiento. Esta fuerza de fricción la podemos sentir cuando, vamos en el interior de un automóvil que se desplaza rápidamente y sacamos una mano o la cara por la ventanilla. La fuerza de fricción también está presente cuando dos cuerpos se tocan y se deslizan entre sí, como las ruedas de un carro de una tienda de autoservicio cuando se desplaza en el piso. Gracias a la fricción, los automóviles pueden desplazarse y maniobrar sobre las calles o carreteras. De no existir esta fricción o ser muy baja, como ocurre cuando se forma una capa de hielo sobre las calles o carreteras, es muy arriesgado manejar un automóvil, ya que se pierde “agarre” entre las llantas y el piso y, por lo tanto, el control del vehículo.

Ahora que has aprendido el concepto de inercia y la 1ª de ley de Newton, podrás apreciar situaciones de tu vida cotidiana donde puedas aplicar este nuevo enfoque.

Figura 2.