Les lleis de Newton (o els principis fonamentals de la mecànica) són tres lleis de la física clàssica que relacionen les forces que actuen sobre un cos i el moviment d'aquest cos. Aquestes lleis van ser declarades per Sir Isaac Newton (també basat en els estudis de Galileu).
Les lleis de Newton són suficients per explicar tots els moviments de la mecànica clàssica, és a dir, moviments que tenen lloc a velocitats molt més baixes que la velocitat de la llum al buit. Totes es poden demostrar mitjançant l'aplicació del mètode científic.
Aquestes tres lleis es basen en un sistema de referències inercials, és a dir, amb forces reals amb velocitat constant.
Primera llei de Newton: la llei d'inèrcia
La primera llei de Newton, també coneguda com la llei de la inèrcia, estableix que :
“Qualsevol cos manté un estat de repòs o moviment rectilini uniforme mentre no actuïn altres forces sobre ell o la suma de les forces que actuen sobre ell sigui zero.”
Si un objecte que es mou no rep cap força extra, es mou en línia recta amb una velocitat constant. Si, per contra, a aquest mateix cos exercim una força lateral canviarà de direcció. En altres paraules, un objecte no canviarà el seu estat de moviment llevat que ho faci alguna cosa.
Exemples
Per exemple, si empenyes una caixa sobre una superfície sense fricció, continuarà movent-se indefinidament a no ser que apliquis una força oposada.
D'altra banda, si una pilota està quieta a terra, romandrà quieta a no ser que alguna cosa la faci moure's.
D'altra banda, la Lluna descriu una trajectòria circular perquè experimenta constantment una força centrípeta en direcció a la terra a causa de la força de la gravetat amb què s'atreuen la Terra i la Lluna (llei de gravitació universal). Si la Lluna o qualsevol altre cos celeste no tinguessin la influència de la gravetat d'altres planetes, descriurien una trajectòria rectilínia.
Segona llei de Newton: llei de la dinàmica
La segona llei de Newton és la llei fonamental de la dinàmica: estableix la relació entre força i acceleració.
“Una força que actua sobre un cos li dóna una acceleració, proporcional a la força i inversament proporcional a la massa del cos.”
Fórmula de la quantitat de moviment
La massa és una mesura de la quantitat de matèria al cos. Newton introdueix la noció de quantitat de moviment. Aquesta és una quantitat vectorial igual al producte entre la massa i el vector de velocitat.
p = m · v
On
-
m és la massa
-
v és el vector de la velocitat
Fórmula de la força
Partint de la quantitat de moviment podem deduir la forma més completa de definició de força per a un cos de massa constant.
F = m · a
On
-
F és el vector de la força (N)
-
m és massa (kg)
-
a és el vector de l'acceleració (m/s)
Si un objecte que està en repòs no rep cap força externa, romandrà en repòs. Si, per contra, us apliquem una força neta, el cos experimenta una acceleració i adquireix un moviment uniformement accelerat.
Tercera llei de Newton: llei d'acció i reacció
La tercera llei o llei dacció i reacció ens indica el següent:
“Quan un cos actua sobre un altre cos amb una força (anomenada força d'acció), el segon cos també actua sobre el primer amb una força (anomenada força de reacció) de la mateixa mida i direcció, però en la direcció oposada. Aquest principi també es coneix com a principi d'acció i reacció.”
Exemples
Un exemple clàssic d'aquesta llei és impulsar un coet espacial. Quan els gasos s'expulsen cap enrere des del motor del coet, exerceixen una força cap endavant sobre el coet, cosa que provoca que aquest s'acceleri en la direcció oposada.
La tercera llei de Newton també és rellevant en la producció denergia nuclear. Quan un nucli d'urani es divideix en dos nuclis més petits (fissió nuclear), s'allibera gran quantitat d'energia.
Aquest alliberament denergia es deu a la conservació de la quantitat de moviment. Els dos fragments de nucli s'allunyen un de l'altre a alta velocitat com a resultat de l'acció-reacció, i aquesta energia cinètica esdevé energia tèrmica que després s'utilitza per generar electricitat en un reactor nuclear.
Exemples d'aplicacions de les lleis de Newton
Les lleis de Newton són fonamentals per a la física i tenen una àmplia gamma d'aplicacions a la vida quotidiana ia la ciència.
Alguns exemples de les àrees en què aquestes lleis són especialment rellevants inclouen:
- Enginyeria Les lleis de Newton són essencials per al disseny i la construcció de màquines, vehicles i estructures.
- Astronomia : S'utilitzen per predir i entendre el moviment de planetes, estrelles i altres cossos celestes.
- Física del moviment Les lleis de Newton són la base de la cinemàtica, que s'ocupa de l'estudi del moviment dels objectes.
- Enginyeria espacial: Són crucials per al disseny i operació de naus espacials i satèl·lits.
- Tecnologia automotriu : S'apliquen per desenvolupar sistemes de seguretat en vehicles, com coixins de seguretat i sistemes de frenada.
- Biomecànica : Ajuden a comprendre com els éssers vius es mouen i responen a les forces aplicades a ells.
