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.

Chorradas astronómicas (para discusiones de barra de bar)

La entrada de hoy no es tanto para hacer una tesis de astronomía (hay blogs tropecientas veces mejor que éste) sino como para comentar cosas curiosas al respecto que te pueden hacer quedar bien en una conversación de barra de bar. De paso, aprovecho para registrar el domino que a partir de ahora pasa a ser http://www.calderodemurias.com. Son cosas sencillas, pero curiosas y que en general la gente desconoce porque sencillamente, el conocimiento del universo y del Sistema Solar que se da en el colegio es prácticamente nulo aparte de que, no lo olvidemos, hasta hace relativamente poco el conocimiento del universo era muy escaso (con esto no quiero decir que lo sepamos todo, ni mucho menos, pero al menos, vamos abriendo diversas vías de estudio) Lo cierto es que me voy a centrar en el Sistema Solar.

Para empezar ¿qué es el Sistema Solar? Pues básicamente, el Sistema Solar (desde el Sol hasta el último piedrolo de la Nube de Oort o del Cinturón de Kuiper) lo componen 2 básicamente dos cuerpos:

Masa de cuerpos del Sistema Solar (sin contar el Sol) Fuente: propia

• Sol: es una nube de plasma (el cuarto estado de agregación de la materia) que se corresponde con el 99,86% de la masa del Sistema Solar. Toda la energía utilizada en la Tierra, salvo la nuclear proviene de allí. Si alguien te pregunta alguna vez cual es el estado de la materia más abundante ya sabes la respuesta (aunque posiblemente el que pregunte solo conozca tres) 
• Júpiter: Del resto, Júpiter es más de dos terceras partes.

El resto, es mierdecilla que componen planetas, planetas enanos, cometas, asteroides y restos varios. Si alguien te ha dicho que la Tierra es el centro de la creación, te ha mentido miserablemente.  La Tierra es seis órdenes de magnitud menor que la masa del Sistema Solar o lo que es lo mismo, la millonésima parte.  Lo de comparar el Sol con los 200-400 miles de millones de estrellas de la Vía Láctea lo dejamos para otro día. Y si tenemos en cuenta que la Vía Láctea no es más que otra Galaxia más… somos una mota de polvo en el desierto (o incluso menos) Aquí puedes ver una interesante imagen obtenida dejando el Hubble unas cuantas horas examinando un rinconcito muy pequeño del espacio. Lo que ves no son estrellas, son galaxias. Aquí hay una interesante muestra de estas fotografías.

Vamos a centrarnos en el Sistema Solar, que tenemos lana que cortar para aburrir. Como ya hemos dicho, el Sistema Solar son dos cuerpos que orbitan uno contra otro: el Sol y Júpiter. Ambos comparten un centro de gravedad común sobre el que orbitan. Si una civilización extraterrestre busca planetas en nuestro Sistema Solar utilizando el sistema de la velocidad radial será lo primero que encuentre.

Aunque desde nuestra perspectiva terrestre nos parezca extraño lo de los cuerpos celestes conectados, pues es más común de lo que parece. Por ejemplo, la estrella más brillante del cielo, Sirio son en realidad dos estrellas, Plutón y Caronte son en realidad dos cuerpos que giran uno respecto al  otro y hay uno que está cansado de verlo: la Luna que gira solidariamente con la Tierra.

Densidad de los cuerpos del Sistema Solar

Dentro del Sistema Solar, bajando de categoría, nos encontramos con los planetas. Unos son rocosos (es decir, sólidos) y otros son gaseosos (nubes de gas que con el aumento de la presión se convierten en líquido con un núcleo seguramente sólido) Es sencillo la forma de clasificarlos, depende de su composición: los planetas más cercanos al Sol (Mercurio, Venus, Tierra y Marte) tienen una superficie sólida (podemos posarnos en ella) mientras que los exteriores (Júpiter, Saturno, Neptuno y Urano) son lo que llamamos gigantes gaseosos, es decir, bolas de gas al menos en su parte exterior, sin superficie claramente definida. De hecho, si Júpiter fuera unas cuantas veces más grande podría haberse llegado a encender y tendríamos dos soles en el cielo … o no ya que un Júpiter más grande podría haber impedido la formación de planetas interiores como parece haber pasado en el Cinturón de Asteroides, donde los planetesimales no consiguieron llegar a forma un planeta posiblemente debido a la poderosa influencia de la gravedad de Júpiter. Más allá de Neptuno los cuerpos no son gaseosos, pero su densidad no es excesiva. Son cuerpos de regolito y hielo con una densidad de en torno a 2 g/cm3 o lo que ews lo mismo, polvo e hielo. El record de la ligereza lo tiene el gigante Saturno cuya densidad es menor de 1 g/cm3 (menos que la del agua) En el otro punto, en los pesos pesados (en densidad) son la Tierra (5,5 g/cm3), Mercurio  (5,4 g/cm3) y Venus  (5,24 g/cm3). Marte  (3,9 g/cm3) es el cuarto cuerpo más denso y sorprendentemente nuestra Luna (3,34 g/cm3) ocupa el quinto lugar. El Sol  (1,4 g/cm3) ocupa un humilde puesto en densidad, es el mayor de los cuerpos gaseosos, pero hasta un humilde piedrolo como Caronte es más denso (claro que comparamos un diámetro 1.200 kms contra uno de 690.000 …)

Dentro del Sistema Solar hay tres cuerpos principales en los que algún día podemos poner el pie (con esto no digo que sea fácil) aparte de la Tierra y la Luna y una multitud de ellos teóricamente no tan importantes en los que también podría ser. Los planetas son Mercurio, Venus y Marte. Empezando por el más interior, nos encontramos con un infierno yermo donde es relativamente fácil llegar pero muy complicado salir. No es tanto por su velocidad de escape (tan solo de 4,3 Km/s) sino por el pozo gravitatorio del sol (con apenas una velocidad de escape de 617,5 km/s) La gravedad del Sol hace fácil llegas (es dejarse caer) pero muy complicado salir. Un poco más cerca nos encontramos con un gemelo de la Tierra en términos de masa y densidad: Venus, pero puedes encontrar algo al respecto aquí (lo reconozco, tengo debilidad por este blog) Si no me equivoco Venus tiene el record de temperatura y presión del Sistema Solar: una agobiante atmósfera de CO2 con una presión equivalente a un km de profundidad … en el agua y una temperatura capaz de hacer fluir el plomo si pudiera llover, lástima que solo llueva ácido sulfúrico.

Tras pasar la Tierra llegamos a Marte, un planeta mucho más pequeño pero con un periodo de rotación muy similar al día terrestre (por ejemplo, el de Venus es de 243 días contra las poco más de 24 horas de Marte) Si nos atenemos a un solo parámetro los terrestres nos encontraríamos mejor en Venus a efectos de gravedad y en Marte a efectos de la duración del día … en el resto de parámetros yo diría que no estaríamos demasiado confortables.

Diámetro de los cuerpos del Sistema Solar (salvo el Sol) Fuente: propia

Tras los planetas conocidos como rocosos (no olvidemos la que se montó con Gliese 581g) nos pasamos a los gigantes gaseosos. Aquí por su tamaño destacan dos: Júpiter y Saturno, con un tamaño similar (142.000 y 120.000 kms respectivamente) pero antes hemos dicho que Júpiter en masa eran más de dos tercios del Sistema Solar salvo el Sol ¿qué pasa aquí? Pues muy sencillo, La densidad de Saturno es la mitad de la Júpiter con lo que a pesar de tener un volumen similar, la cantidad de masa es mucho menos en el caso de Saturno, lo que no quita que Saturno sea el tercer objeto más masivo del Sistema Solar. Su masa es tan solo 5 veces la masa de Neptuno, aunque su diámetro sea casi el triple (en una esfera la masa aumenta en función del cubo) no hay que olvidar que todos estos planetas tienen anillos, siendo los más espectaculares los de Saturno (y con diferencia)

A la hora de hablar de satélites, hay que darle el record a Saturno con en torno a 200 (entre conocidos y posibles) Júpiter se queda con apenas 63, entre ellos los famosos satélites Galileanos: Io, Europa, Ganímedes y Calixto, visibles desde la tierra con un telescopio de juguete (como el mío) y casi con unos prismáticos (hay qua saber lo que se busca y tener buena vista, pero se ven) En el lado opuesto, está la Tierra con nuestro grande pero único satélite y Venus y Mercurio, sin ninguno conocido.

Los planetas del Sistema Solar rotan en general en el mismo sentido, cosa lógica ya que parece que vienen de la misma masa de polvo salvo tres-cuatro: Venus que gira justo al revés, Urano que está cruzado casi 100º con la eclíptica (la Tierra lo está 23,45º) y el sistema Plutón-Caronte que giran de manera solidaria. No se descartaría que la rotación de Venus y Urano provengan del impacto de algún cuerpo, lo mismo que parece creó nuestra Luna hace eones.

Anteriormente he hablado de planetas pero este artículo quedaría más cojo aún si no hablo de otros cuerpos teóricamente menores, aunque no necesariamente más pequeños como son los planetas enanos o algunas lunas. Ganímedes o Titán son lunas de Júpiter y Saturno pero resulta que en diámetro son mayores que el planeta Mercurio (aunque no olvidemos que en astronomía pasa muchas veces que a mayor masa, menor diámetro como comenté previamente) Dentro del cinturón de asteroides hay algún cuerpo de 900 kms de radio como Ceres que es el 25% de la masa estimada del cinturón de Asteroides (por cierto, que es menos denso de lo el cine nos muestra. Entre los planetas enanos tenemos al degradado Plutón-Caronte que es con diferencia el mayor (en proporción) sistema doble del Sistema Solar (el segundo lo estás pisando en estos momentos) y fuera hay una serie de cuerpos que apenas acabamos de empezar a descubrir y que de momento, hay al menos uno de un tamaño similar  a Plutón: Eris (aunque puede ser un pelín más pequeño) Es posible que en un futuro no muy lejano se encuentren muchos más objetos en el Cinturón de Kuiper e incluso mucho más grandes. La cosa no ha hecho más que empezar.

Por cierto y como epílogo. Aunque te hayan dicho que los movimientos astrales son perfectos y estables (al menos a mí me lo dijeron en la EGB) la Luna se aleja de la Tierra poco a poco (4 cm/año más o menos) y Mercurio puede entrar en resonancia con Júpiter descuajeringando el Sistema Solar interior en algunos miles de millones de años. Estas cosas no nos estables aunque si te sirve de consuelo, el plazo es muy largo … mayor que el de tu hipoteca (pero con diferencia) así que no te agobies y disfruta mirando al cielo si te dejan.