Segunda ley de Newton

Fija con el deslizador la fuerza F sobre una caja en un suelo sin rozamiento; es el tamaño de la flecha dorada. Cuanto mayor es F, mayor es la aceleración a que indica la flecha naranja sobre la caja, y como son directamente proporcionales, al duplicar F se duplica a. En símbolos, a = Fm, o, al revés, la conocida F = ma. Lo importante es que la fuerza determina la aceleración, no la velocidad. Si aplicas una fuerza la caja acelera; si la retiras, ni acelera ni frena: sigue a esa velocidad. Con fuerza 0 la aceleración también es 0, de modo que el reposo o el movimiento uniforme continúan; esa es la ley de inercia y el punto de partida de la segunda ley.

En la realidad, sobre un objeto actúan varias fuerzas a la vez. La caja de la figura tiene una fuerza azul fija que la empuja a la izquierda, y al ajustar con el deslizador la fuerza dorada que la empuja a la derecha queda claro que la aceleración no la fija ninguna fuerza por separado sino su suma, la fuerza neta. Si gana la de la derecha, queda una fuerza neta hacia la derecha y la flecha verde de aceleración apunta a la derecha; si gana la de la izquierda, la flecha se vuelve roja y apunta a la izquierda. Si las dos son iguales, la fuerza neta es 0 y la aceleración también: aunque la empujen por ambos lados, la caja sigue a velocidad constante o en reposo. Por eso la F de la segunda ley, ΣF, significa siempre la suma vectorial de todas las fuerzas; solo esa suma, y no cada fuerza suelta, cambia el movimiento.

Para hallar bien la fuerza neta hay que aislar un objeto y dibujar todas las fuerzas que actúan sobre él, sin olvidar ninguna; eso es un diagrama de cuerpo libre (DCL). Al cambiar de situación con los botones, las flechas cambian en cada caso. Una caja apoyada en el suelo tiene su peso mg hacia abajo y la fuerza normal N hacia arriba, que se equilibran. Una pesa colgada del techo tiene su peso mg frente a la tensión T de la cuerda, y una caja empujada suma la fuerza de empuje y el rozamiento. La regla es dibujar solo las fuerzas que se aplican directamente sobre ese objeto por contacto y las que actúan a distancia, como la gravedad, nunca las que el objeto ejerce sobre otros. Al sumar por direcciones las flechas reunidas se obtiene la fuerza neta, y al igualarla a la masa por la aceleración, ma, queda planteada la ecuación de movimiento.

Ahora se fija la fuerza y se cambia la masa. Con el mismo empujón, un objeto ligero acelera con facilidad y uno pesado se resiste: al mover el deslizador de masa m, la caja crece y la flecha naranja de aceleración se acorta en proporción inversa, como indica a = Fm. Si la masa se duplica, la aceleración con la misma fuerza se reduce a la mitad. Por eso la masa no es simple pesadez sino la resistencia a que cambie el estado de movimiento, es decir, la inercia. Un carrito de compras vacío sale disparado con un toque y uno lleno apenas se mueve con un empujón fuerte; la misma fuerza neta sobre masas distintas produce aceleraciones distintas.

Por último, una caja en un plano inclinado sin rozamiento. Las únicas fuerzas sobre ella son su peso mg hacia abajo y la normal que ejerce la superficie, pero la aceleración solo ocurre a lo largo de la pendiente. Así que se descompone el peso en una componente paralela a la superficie, mg sinθ, y otra perpendicular, mg cosθ. La componente perpendicular se anula exactamente con la normal y solo aprieta contra la superficie, mientras que la paralela queda sola y hace deslizar la caja. Al mover el ángulo θ para empinar la rampa, sinθ crece y la flecha naranja de aceleración a = g sinθ se alarga; cuando θ se acerca a 90 grados tiende a la aceleración de caída libre g. Con θ en 0, sinθ también es 0, así que en suelo llano nada se desliza. La clave es descomponer la fuerza neta según la dirección en que ocurre el movimiento.