La tercera llei de Newton és una de les tres lleis fonamentals formulades per Sir Isaac Newton a la seva obra Principia Mathematica el 1687, les quals han estat la base de la mecànica clàssica durant segles.
Aquesta llei enuncia que “per a cada acció, hi ha una reacció igual i oposada”. En altres paraules, quan un objecte A exerceix una força sobre un objecte B, l'objecte B simultàniament exerceix una força de la mateixa magnitud però en direcció oposada sobre l'objecte A.
Encara que aquesta llei pot semblar senzilla, és fonamental per entendre com interactuen els objectes al nostre entorn. Aprofundirem en el concepte a través d'exemples detallats que es relacionen amb aquesta llei, la qual cosa permetrà una comprensió més profunda de la seva aplicació.
1. Caminar sobre el terra
Un exemple quotidià i directe de la tercera llei de Newton és l‟acte de caminar. Quan camines, els teus peus apliquen una força cap enrere sobre el terra. Aquesta és la “acció”.
D'acord amb la tercera llei de Newton, el sòl respon exercint una força en sentit oposat, (força de fricció) és a dir, cap endavant. Aquesta és la “reacció”, la qual et permet moure't cap endavant. Sense aquesta força de reacció, simplement no podries avançar. En superfícies relliscoses, com el gel, la fricció és mínima, i per tant, la reacció del sòl és més feble, cosa que dificulta el caminar.
En termes més detallats, quan el peu empeny cap enrere, es produeix una interacció entre la superfície de la sabata i el terra. La fricció entre tots dos permet que la força aplicada sigui suficient per generar una reacció cap endavant, cosa que impulsa el cos cap endavant. La magnitud de la força aplicada és la mateixa que la de la força que el sòl exerceix sobre el peu, però en direcció contrària.
2. Nedar a l'aigua
Quan nedes, fas servir les teves mans i peus per empènyer l'aigua cap enrere. Aquesta empenta cap enrere és l'”acció”.
Segons la tercera llei de Newton, l'aigua respon aplicant una força d'igual magnitud però en direcció oposada, cosa que t'impulsa endavant a l'aigua. Aquesta força de reacció és el que et permet avançar mentre res.
El mateix principi es pot observar als peixos. Quan un peix mou la seva aleta cabal cap a un costat, empeny l'aigua en una direcció, i com a resposta, l'aigua empeny el peix a la direcció contrària, cosa que permet que es desplaci per l'aigua. Sense la tercera llei de Newton, ni els humans ni els animals podrien nedar eficientment.
3. Enlairament d'un coet
L'enlairament d'un coet és un exemple dramàtic de la tercera llei de Newton en acció. Quan un coet s'enlaira, els gasos que es cremen als motors són expulsats amb gran força cap avall, cosa que constitueix l'"acció".
D'acord amb la tercera llei de Newton, el coet rep una força d'igual magnitud però en sentit oposat, és a dir, cap amunt, cosa que li permet enlairar-se del terra i ascendir cap a l'espai.
Aquest fenomen s'explica millor en termes de moment o quantitat de moviment. Els gasos expulsats adquireixen un gran momentum cap avall, i per conservar la quantitat de moviment del sistema total, el coet adquireix un momentum igual però en direcció oposada, cosa que genera l'ascens.
Aquesta aplicació és crucial a la indústria aeroespacial, ja que sense aquest principi, seria impossible llançar vehicles a l'espai exterior.
4. Colpejar una pilota
Quan jugues a tennis o futbol, la interacció entre l'implement (una raqueta o el peu) i la pilota és un altre exemple de la tercera llei de Newton. Quan colpeges una pilota, exerceixes una força sobre ella. Aquesta és la “acció”. La pilota, alhora, exerceix una força d'igual magnitud però en direcció contrària sobre la raqueta o el peu. Aquesta és la “reacció”.
En una anàlisi més detallada, quan la raqueta de tennis colpeja la pilota, les dues forces interactuen durant un període de temps molt curt. La força de reacció que la pilota aplica sobre la raqueta se sent a la mà del jugador, cosa que explica per què, si colpeges una pilota molt ràpid, sents una sacsejada o vibració.
Aquest intercanvi de forces és fonamental per a qualsevol esport de pilota i la capacitat dels jugadors per controlar aquestes forces determina el seu èxit en el joc.
5. Remar en un pot
Un altre exemple interessant és l'acte de remar. Quan uses els rems per empènyer l'aigua cap enrere, estàs aplicant una força cap enrere sobre l'aigua. Aquesta és la “acció”.
D'acord amb la tercera llei de Newton, l'aigua respon aplicant una força en sentit oposat sobre els rems, empenyent el pot cap endavant.
Aquí, l'eficiència del moviment depèn de la fricció i la resistència de l'aigua. L'aigua, sent un fluid, ofereix resistència als rems, cosa que facilita l'aplicació de la tercera llei. Si intentessis remar a l'aire, on no hi ha prou resistència, no es produiria el mateix efecte, ja que l'aire no proporciona la reacció necessària per moure el pot cap endavant.
6. Saltar sobre el terra
Quan saltes, les cames apliquen una força cap avall sobre el terra, que és l'"acció". El sòl respon aplicant una força cap amunt d'igual magnitud, que és la “reacció”. Aquesta força de reacció és la que t'impulsa cap amunt al salt.
En aquest cas, la magnitud de la força aplicada cap avall sobre el terra determinarà l'alçada del salt. Com més gran sigui la força que exerceixes sobre el sòl, més gran serà la força de reacció que el sòl aplicarà sobre tu, i per tant, més alt saltaràs.
A més, la tercera llei també explica per què és més fàcil saltar en superfícies fermes, com el concret, en comparació amb superfícies toves, com la sorra, on el terra no pot generar una reacció tan forta.
7. Col·lisió entre un automòbil i una paret
Imagina que un automòbil xoca contra una paret. En aquest cas, l‟automòbil exerceix una força cap endavant sobre la paret en el moment de l‟impacte. Aquesta és la “acció”. La paret, en resposta, exerceix una força d'igual magnitud però en direcció contrària sobre l'automòbil, cosa que constitueix la “reacció”. Aquesta força de reacció és el que deté l'automòbil o fins i tot l'empeny cap enrere.
En aquesta mena de situacions, la tercera llei de Newton també és crucial per entendre els danys que pateixen tant l'automòbil com la paret. Si l'automòbil es mou ràpidament, la força de col·lisió és més gran, la qual cosa implica que la reacció de la paret també serà més gran. Això explica perquè els accidents a alta velocitat tendeixen a ser més devastadors que els de baixa velocitat.
A més, les forces involucrades a la col·lisió poden distribuir-se de manera desigual depenent de l'estructura dels materials involucrats.
8. Llançar una pedra
Quan llences una pedra, la teva mà aplica una força cap endavant sobre la pedra. Aquesta és la “acció”. La pedra, en resposta, aplica una força de la mateixa magnitud però en sentit contrari sobre la teva mà. Aquesta és la “reacció”.
Encara que la pedra es mou cap endavant a causa de la força aplicada, la teva mà sent la força contrària al moment del llançament.
Aquest exemple també es pot relacionar amb el concepte d'impuls. Com més gran sigui la força que apliquis a la pedra, més gran serà la velocitat amb què es desplaçarà. No obstant això, la força de reacció sobre la teva mà també serà més gran, la qual cosa pot fer que sentis una estirada o resistència en llançar objectes pesats o ràpidament.
9. Empènyer una taula
Quan empenyes una taula, apliques una força cap endavant sobre la taula. Aquesta és la “acció”. La taula, alhora, exerceix una força d'igual magnitud però en direcció oposada sobre les teves mans. Aquesta és la “reacció”.
Encara que la taula es mou cap endavant a causa de la força que vas aplicar, la força de reacció que la taula exerceix sobre tu pot fer que sentis resistència, especialment si la taula és pesada.
Si apliques més força, la taula es mourà més fàcilment, ja que la fricció entre la taula i el terra es venç amb més facilitat. No obstant això, la força que sents a les teves mans sempre serà igual a la força que apliques, encara que en direcció contrària, cosa que és una clara manifestació de la tercera llei de Newton.
10. Aterratge d´un avió
Quan un avió aterra, les rodes exerceixen una força cap avall sobre la pista a causa del pes de l'avió. Aquesta és la “acció”.
La pista, segons la tercera llei de Newton, exerceix una força cap amunt d'igual magnitud sobre les rodes de l'avió. Aquesta és la "reacció", que sosté l'avió i ho permet desaccelerar de manera segura.
Aquest procés és crític perquè l'avió s'aturi de manera controlada. Si aquesta força de reacció no existís cap amunt, l'avió no podria frenar adequadament i podria sortir de la pista. A més, durant l'aterratge, els frens i la fricció entre les rodes i la pista generen forces addicionals que permeten aturar completament l'avió.
11. Reacció en cadena en un reactor nuclear
En un reactor nuclear, la fissió de nuclis pesants com l'urani-235 genera energia. Durant aquest procés, quan un neutró impacta un nucli d'urani, el nucli es divideix en dos fragments més petits, alliberant energia i més neutrons. Aquests neutrons alhora poden col·lisionar amb altres nuclis d'urani, desencadenant una reacció en cadena .
En termes de la tercera llei de Newton, quan el neutró copeja el nucli d'urani i el divideix, es produeix una "acció" que consisteix en la fragmentació del nucli i l'alliberament de partícules subatòmiques, com ara neutrons i fotons (raigs gamma). La “reacció” és la força d'igual magnitud però en direcció oposada que els fragments del nucli exerceixen sobre les partícules alliberades.
Aquests fragments es repel·leixen mútuament i se separen a gran velocitat, cosa que genera la calor necessària per convertir l'aigua en vapor i fer funcionar les turbines del reactor.
12. Propulsió nuclear en submarins i naus espacials
Alguns submarins i naus espacials utilitzen reactors nuclears per generar energia i propulsar-se.
En aquest cas, la tercera llei de Newton també és present en els sistemes de propulsió basats en energia nuclear. Un reactor nuclear en un submarí utilitza l?energia alliberada per la fissió per escalfar aigua i generar vapor, que després s?expulsa a través de turbines per generar energia mecànica que impulsa l?embarcació.
La tercera llei s'aplica quan el vapor generat pel reactor nuclear s'expulsa cap a un costat, cosa que crea una força de reacció cap al costat oposat que mou el submarí o la nau espacial.
Aquesta acció d'expulsar vapor o gasos segueix el mateix principi de la propulsió a raig, però en lloc de cremar combustible químic, es fa servir l'energia alliberada per la fissió nuclear per generar l'impuls.