Unidad 2 · Fuerza

Primera ley de Newton: el principio de inercia

Vas de pie en la micro. El chofer acelera y tu cuerpo se va hacia atrás; frena en el paradero y te vas hacia adelante. Nadie te empujó: es tu propia tendencia a mantener el movimiento que ya llevabas. Esa tendencia tiene nombre —inercia— y está en el corazón de la primera de las tres leyes con que Newton explicó todo el movimiento.

Lectura ~12 min · Nivel: 2° medio

Un disco de hockey deslizando sin fricción por una superficie recta y horizontal, con una tenue estela que sugiere que avanza a velocidad constante sin que ninguna mano lo empuje.
Sin fuerza neta que lo frene, un cuerpo en movimiento simplemente sigue: la primera ley de Newton dice que el movimiento uniforme se conserva por sí solo.

Durante casi dos mil años se creyó que para mantener un cuerpo en movimiento había que empujarlo sin parar. Parece de sentido común: si dejas de arrastrar una caja por el piso, la caja se detiene. La primera ley de Newton afirma justo lo contrario, y esa inversión fue una de las ideas más revolucionarias de la historia de la ciencia. Para entenderla, conviene empezar por la idea antigua que vino a derribar.

La idea antigua: el movimiento necesita un «motor»

El filósofo griego Aristóteles (siglo IV a. C.) sostenía que el estado natural de los objetos es el reposo: toda cosa, si la dejas tranquila, tiende a quedarse quieta. De ahí concluía tres afirmaciones encadenadas:

La experiencia diaria parecía darle la razón. Empujas un mueble y avanza; dejas de empujar y se detiene. El carro se mueve mientras el caballo tira; si el caballo se detiene, el carro también. La conclusión de que «sin motor no hay movimiento» se veía por todas partes… porque en todas partes hay un ladrón escondido que Aristóteles no supo ver: el roce.

El giro de Galileo: y si no hubiera roce…

Casi dos milenios después, Galileo Galilei hizo un experimento mental decisivo. Imaginó una bolita que baja rodando por una rampa y sube por otra enfrentada: la bolita sube casi hasta la misma altura de la que partió. Si suavizamos cada vez más las superficies —menos y menos roce— la bolita sube más y más cerca de su altura inicial. ¿Y si la segunda rampa fuera perfectamente horizontal y sin roce? La bolita, buscando en vano recuperar su altura, no se detendría nunca: seguiría avanzando en línea recta para siempre.

Galileo intuyó así que el movimiento no se gasta. Lo que detiene a los cuerpos no es que «se les acabe» el movimiento, sino una fuerza externa —el roce, el aire— que los frena. Décadas más tarde, Isaac Newton convirtió esa intuición en una ley precisa que no necesita el concepto de motor: el movimiento puede existir por sí mismo, y las fuerzas solo son responsables de los cambios en el movimiento.

tiempo → Aristóteles siglo IV a. C. «Se necesita un motor para moverse» El reposo es el estado natural; sin motor el movimiento se acaba. Galileo ~1600 «Sin roce, seguiría moviéndose solo» Intuye que el movimiento no se gasta: lo detiene una fuerza externa. Newton 1687 «El movimiento se conserva solo» Sin motor. La fuerza solo causa cambios en el movimiento, no el movimiento.
Figura 1. El giro histórico. Para Aristóteles todo movimiento exigía un motor permanente. Galileo intuyó y Newton formuló que el movimiento uniforme se conserva sin ninguna causa: las fuerzas explican los cambios del movimiento, no su mera existencia.

El enunciado de la primera ley

Reunidas las piezas, la primera ley de Newton se enuncia así:

En un lenguaje más compacto: si la suma de todas las fuerzas que actúan sobre un cuerpo es cero, su velocidad no cambia. La condición «la fuerza neta es cero» se escribe con la letra griega sigma (Σ, «suma») así:

Σ F = 0 ⟹ velocidad constante (a = 0)

Fíjate en lo que no dice la ley. No dice «si no hay fuerzas, el cuerpo está quieto». Dice que si la fuerza neta es cero, el cuerpo mantiene la velocidad que ya tenía: si estaba quieto, sigue quieto; si iba a 20 m/s en línea recta, sigue a 20 m/s en línea recta. Reposo y movimiento uniforme son, para esta ley, dos versiones del mismo estado: el estado de «velocidad que no cambia». El reposo es simplemente el caso en que esa velocidad vale cero.

Inercia: la resistencia a cambiar de estado

La propiedad que hace que un cuerpo «se resista» a cambiar su estado de movimiento se llama inercia. Es la razón por la que un cuerpo en reposo cuesta ponerlo en marcha, y por la que un cuerpo en movimiento cuesta detenerlo o desviarlo.

La inercia está ligada a la masa. Empujar un carrito de supermercado vacío es fácil; el mismo carrito lleno cuesta mucho más arrancarlo y mucho más frenarlo. La masa (medida en kilogramos, kg) es precisamente la medida de cuánta inercia tiene un cuerpo. Por eso la masa se llama también masa inercial.

Dos caras de la misma inercia
Estado inicial del cuerpoCon Σ F = 0…Se necesita fuerza neta para…
En reposo (v = 0)sigue en reposoponerlo en movimiento
En MRU (v constante, recto)sigue en MRU, misma vfrenarlo, acelerarlo o desviarlo

La inercia en la micro

El ejemplo cotidiano más claro es el del bus. Vas de pie, sin afirmarte. El chofer acelera: el piso del bus se adelanta con el vehículo, pero tu cuerpo —por inercia— tiende a quedarse con la velocidad que tenía, así que sientes que te vas hacia atrás. Cuando el chofer frena, el bus reduce su velocidad, pero tu cuerpo tiende a seguir con la que llevaba, y te vas hacia adelante. Al doblar, tu cuerpo tiende a seguir recto y te sientes empujado hacia el lado exterior de la curva.

El bus ARRANCA a del bus → el cuerpo «se queda» El bus FRENA ← a del bus el cuerpo «sigue»
Figura 2. Inercia en el bus. Cuando el bus acelera, el pasajero tiende a conservar su velocidad y parece irse hacia atrás; cuando el bus frena, tiende a seguir avanzando y se va hacia adelante. La flecha azul es la aceleración del bus: sobre el pasajero no hay ninguna fuerza real que lo empuje: es su propia inercia.

Entonces… ¿por qué las cosas se detienen?

Si el movimiento se conserva solo, la pregunta natural es: ¿por qué en la vida real todo termina deteniéndose? Deslizas un dado sobre la mesa de un solo empujón y, aunque ya no lo tocas, al rato se detiene. La respuesta no es que «se le acabó la fuerza» que llevaba dentro —los cuerpos no llevan fuerza dentro—. Se detiene porque, mientras se desliza, el roce con la mesa ejerce sobre él una fuerza neta en sentido contrario al movimiento, y esa fuerza es la que lo va frenando hasta pararlo.

empuje breve ① recibe el impulso f v ② ya sin empuje: solo el roce f lo frena ③ se detiene
Figura 3. El roce como causa oculta. Tras el empuje breve inicial, la mano ya no toca el dado; sin embargo la única fuerza horizontal que queda, el roce f, apunta hacia atrás y frena el movimiento hasta detenerlo. Si el roce fuera nulo, el dado seguiría a velocidad v constante para siempre, cumpliendo la primera ley.

El experimento del naipe

Hay una demostración clásica de la inercia que puedes hacer con un vaso, un naipe y una moneda. Pones el naipe cubriendo la boca del vaso y, sobre el naipe, justo encima del hueco, una moneda. Si tiras el naipe de un manotazo rápido y horizontal, el naipe sale disparado… pero la moneda no lo acompaña: cae dentro del vaso. La misma idea funciona con un vaso de agua sobre el naipe.

¿Por qué? El tirón sobre el naipe dura un instante tan breve que casi no alcanza a arrastrar a la moneda: la moneda, por su inercia, tiende a quedarse donde está. Cuando el naipe ya salió, la moneda —que apenas se movió de lado— cae verticalmente por su peso y aterriza dentro del vaso.

Antes: tirón rápido agua naipe moneda tirón horizontal Después: la moneda cae naipe fuera cae por inercia
Figura 4. El experimento del naipe. El tirón sobre el naipe es tan breve que casi no arrastra a la moneda: por inercia, la moneda tiende a quedarse en su lugar. Retirado el naipe, la moneda cae verticalmente por su peso y termina dentro del vaso. Es la primera ley hecha truco de mesa.

Un ejemplo con números

Un disco de curling de 20 kg se desliza sobre hielo casi sin roce. En cierto instante lleva una velocidad de 4 m/s hacia la derecha, en línea recta. Sobre él actúan dos fuerzas verticales: su peso hacia abajo y la fuerza normal del hielo hacia arriba, ambas de igual magnitud. En la horizontal, con el hielo ideal, no hay roce.

La fuerza neta vertical es cero (peso y normal se cancelan) y la horizontal también es cero (no hay roce ni nadie empujando). Por lo tanto:

Σ F = 0 ⟹ a = 0 ⟹ v = 4 m/s (constante)

El disco seguirá deslizando a 4 m/s en línea recta. En 3 segundos recorrerá x = v · t = 4 · 3 = 12 m, y en 5 segundos, 20 m, siempre a la misma rapidez, sin que haya que empujarlo. Es la primera ley en acción: sin fuerza neta, el movimiento uniforme simplemente continúa. (Cómo una fuerza neta no nula produce aceleración es el tema de la segunda ley de Newton.)