lunes, 5 de septiembre de 2011

Segunda y Tercera Leyes de Newton

Lo cierto es que cuando hice el artículo de la Primera Ley de Newton era solo por demostrar las aplicaciones prácticas de la física que, a pesar de tenerla en todas partes, por lo general no somos conscientes. Pero ya metidos en harina, voy a explicar las aplicaciones de la Segunda y Tercera Ley.

Básicamente (y copiando de la Wikipedia, la Segunda y Tercera Leyes de Netwon dicen lo siguiente)

Segunda ley del movimiento de Newton:
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.

Tercera ley de Newton o Ley de acción y reacción:Con toda acción ocurre siempre una reacción igual y contraria: o sea, las acciones mutuas de dos cuerpos siempre son iguales y dirigidas en sentido opuesto.

Bueno, pues vamos a ver que aplicaciones prácticas nos rodean continuamente. Ya algo apunté en el artículo anterior. 

El ejemplo de la segunda es muy claro, el movimiento se produce en la línea a lo largo que se produce la fuerza ... ¡leñe! ¿y que pasa con los movimientos circulares, como el de una honda o el de un coche al trazar una curva? Pues algo muy simple, en cada punto hay dos fuerzas que se combinan. En el caso de la onda, la energía que lleva el proyectil que lo impulsa hacia adelante, pero también existe otra fuerza, la que realiza la cuerda hacia adentro, provocando el movimiento circular ¿y que pasa si aumentamos la velocidad de la onda hasta que superamos la fuerza que puede generar la cuerda? muy simple ... la cuerda se deforma (rompe) y el proyectil sale despedido en la dirección que llevaba. Para lanzar un proyectil hacia adelante en una honda hay que soltarlo en el momento en que la cuerda forma un ángulo de 90º respecto a la trayectoria que queramos que tome. Desaparece la fuerza centrípeta y solo queda el impulso que lleve (la energía cinética)  Eso se conoce desde hace milenios y ya los paisanos de Rafa Nadal ganaron fama mundial (o en lo que por aquel entonces era el mundo conocido) a base de descalabrar enemigos a base de cantos rodados. Si aplicamos esto a un coche, ocurre lo mismo, para tomar una curva hay que aplicar una fuerza hacia la curva. Esa energía se saca del movimiento del coche (salvo que lleves un coche lo suficientemente potente) Y al igual que la honda ¿sabes que pasa si superas la adherencia de las ruedas? Pues eso, que sales de frente por lo que antes se llamaba efecto de la fuerza centrífuga (que por cierto, no existe) ... pero ¿cómo que no existe? ¿qué es eso que me impulsa hacia fuera al tomar una curva en un coche? Pues no es la fuerza centrífuga, es la inercia ya que tiendes a seguir en la misma dirección. No es que a tí te expulse hacia afuera, es el coche que se va hacia adentro y tú sigues en la misma dirección.

Como te puedes imaginar cualquier cambio precisa energía y ya sabes de donde sale la energía en el caso de tu coche: de tu bolsillo así que ya sabes, es muy divertido el tomar las curvas a toda leche, pero cuesta dinero. Y por cierto, por mucha electrónica que tenga tu coche (ESP, ABS, DSR, ...) la física siempre gana. No hagas el tonto.

El tema de la fuerza aplicada también explica fácilmente el porqué un coche a la misma velocidad gasta más en una marcha corta que en una larga (no hagas trampas, hablo de velocidad constante, no de aceleraciones) El motor como antes dije, salvo que tengas un Mazda RX8 funciona con pistones.Cada uno de esos pistones, varias miles de veces por minuto, sufre una aceleración y una deceleración para volver a acelerar y volver a decelerar (las fases de un motor) ese movimiento se traduce en un trabajo que sale a partir de una energía (tu bolsillo vía depósito de combustible) si precisas x julios para vencer la resistencia del coche (aire, ruedas, ...) le tienes que sumar otros y para vencer la resistencia del motor. A más rpm, más resistencia ... la cuenta sale fácil ¿no?

La Tercera Ley de Newton creo que es la más interesante de todas, a la par que la más curiosa, más que nada por ser la menos evidente.Y dice que a toda acción, se opone una reacción de igual magnitud y de signo contrario. Es decir, si yo golpeo un clavo con un martillo, la misma energía que se transmite al clavo la recibo yo en mi brazo a través del martillo (y si das fuerte, se nota de cojones) Si un coche colisiona con otro lateralmente en una carretera, ambos salen despedidos con la misma fuerza (claro que el trabajo/movimiento) de cada uno luego dependerá de su masa. Es decir, si un 600 cocha lateralmente con un camión de 30 tm, ambos reciben la misma energía, pero claro, mientras que esa energía es suficiente para hacer el trabajo de desplazar 10 metros (por ejemplo) la masa del 600, en la masa del camión pueden ser 20 cms (no meto deformaciones de la carrocería, que también son trabajo)

¿Cómo funciona un arma de proyectiles? De la misma manera. Pongamos el efecto de un fusil. Al disparar se libera una cantidad de energía dentro de la vaina. Una parte se dedica a impulsar el proyectil (una cosa de menos de 10 gramos por lo general) hacia adelante. La otra, impulsa el arma hacia atrás (que puede ir de los 800 gramos de una pistola a los cuatro kilos de un fusil de cerrojo de la PGM) Obviamente, el movimiento del fusil es menor que el del proyectil (lo que no quita que te pueda romper la ceja si no estás atento o haces el mono)

Ahora tenemos un proyectil  viajando a toda leche por el aire. Lleva mucha energía y es muy pequeño ¿qué pasa? dónde va a impactar (una zona muy pequeña) va a realizar una gran cantidad de trabajo y va a transmitir toda la energía con que salió (menos las que haya gastado en el roce con el aire)

Otro ejemplo muy claro del efecto acción reacción es el par motor en los vehículos aéreos (aviones y helicópteros) En el caso del helicóptero tenemos un motor que acciona el rotor en una dirección (acción) ...  pero algo que impulsa el fuselaje en direeción contraria (reacción) ¿cómo hacemos que eso no ocurra? Pues de dos maneras:

  • Incluimos un rotor de cola que contrarreste el par y que controla el piloto.
  • Metemos un segundo rotor contrarrotante que compense el par. Estos aparatos son más complejos, pero más sencillos de pilotar y más compactos, a la par que más ágiles que los anteriores.
En el caso de los aviones monomotores el efecto de la hélice o la turbina se nota, con lo que los aviones se construyen ligeramente asimétricos para compensar en parte este par. Del resto se ocupa el piloto con los compensadores (trimmers) si los tiene o a mano. En el caso de los polimotores se suele buscar que cada motor compense el giro del otro o se puede recurrir a hélices contrarrotantes.

Hélices contrarrotantes en un Tu-95
La aplicación más espectacular del principio de acción reacción son, como no, los cohetes o misiles. Un motor que lleva su propio combustible y comburente que expulsa gases a altas temperaturas por la parte posterior genera tanto empuje en un sentido como en otro. Por un lado salen los gases y por otro, se impulsa la nave. Claro que no hace falta que sean cohetes químicos ... hace algunos años los ingenieros de USA pensaron algo ....¿explosivo? como Orión: la nave imposible.

Lo realmente curioso del principio de acción reacción es que está en todas las acciones físicas aunque no seamos conscientes de ellos. Gente tan conocedora de la física como la NASA has estado hasta hace poco intrigados por un curioso fenómeno: las sondas espaciales pioneer estaban decelerando sin motivo aparente. La causa parece ser debida a la ubicación de la pila radioactiva que genera energía para la sonda. Parece ser que la energía generada por estas pilas está frenando muy ligeramente la nave (claro que a lo largo de los años y sin nada que la acelera, se va notando poco a poco) 

Recuerda que el principio de acción reacción (o la conservación del momento, que es lo mismo) está en todas partes. Si lanzas algo con la mano, tu experimentas la misma fuerza en sentido contrario (si quieres notarlo, empuja una pared. Como esta no se moverá, serás tu el que lo haga) La experimentas en tu mano al clavar un clavo, al golpear un balón de fútbol o en cualquier parte, hagas lo que hagas.

Vamos, que esto de la física tiene más aplicaciones de lo que parece.

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