Reacción (física)

Cuando un objeto ejerce fuerza sobre el suelo, este la contrarresta con igual fuerza en dirección opuesta. En ciertos campos de la física aplicada , como la biomecánica , esta fuerza ejercida por el suelo se denomina « fuerza de reacción del suelo »; la fuerza que ejerce el objeto sobre el suelo se considera la «acción».

Justo antes de que una persona salte, ejerce una fuerza hacia abajo sobre el suelo («acción») de magnitud mayor que su peso. Simultáneamente, el suelo ejerce una fuerza hacia arriba sobre la persona («reacción») de magnitud mayor que su peso. Esto produce una aceleración hacia arriba. Cuando estas fuerzas son perpendiculares al suelo, también se denominan fuerza normal .

De igual modo, las ruedas giratorias de un vehículo intentan deslizarse hacia atrás sobre el suelo. Si el suelo no está demasiado resbaladizo, esto genera dos fuerzas de fricción : la acción de la rueda sobre el suelo en dirección hacia atrás y la reacción del suelo sobre la rueda en dirección hacia adelante. Esta fuerza hacia adelante impulsa el vehículo.

La Tierra , entre otros planetas , orbita alrededor del Sol porque este ejerce una atracción gravitatoria que actúa como una fuerza centrípeta , manteniéndola unida a él, lo que impediría que la Tierra saliera disparada al espacio. Si consideramos la atracción del Sol como una acción, entonces la Tierra ejerce simultáneamente una reacción como una atracción gravitatoria sobre el Sol. La atracción de la Tierra tiene la misma amplitud que la del Sol, pero en dirección opuesta. Dado que la masa del Sol es mucho mayor que la de la Tierra, generalmente no parece reaccionar a la atracción terrestre, pero de hecho sí lo hace, como se muestra en la animación (sin escala precisa). Una forma correcta de describir el movimiento combinado de ambos objetos (ignorando por el momento todos los demás cuerpos celestes) es decir que ambos orbitan alrededor del centro de masa , conocido en astronomía como baricentro , del sistema combinado.

Cualquier masa en la Tierra es atraída hacia abajo por la fuerza gravitatoria terrestre; esta fuerza también se denomina peso . La "reacción" correspondiente es la fuerza gravitatoria que dicha masa ejerce sobre el planeta.

Si el objeto se sostiene de forma que permanece en reposo, por ejemplo, mediante un cable del que cuelga, una superficie debajo o un líquido sobre el que flota, también existe una fuerza de soporte en dirección ascendente ( fuerza de tensión , fuerza normal y fuerza de flotación , respectivamente). Esta fuerza de soporte es una fuerza igual y opuesta; sabemos esto no por la tercera ley de Newton, sino porque el objeto permanece en reposo, por lo que las fuerzas deben estar equilibradas.

A esta fuerza de soporte también se le suma una «reacción»: el objeto tira hacia abajo del cable de soporte o empuja hacia abajo la superficie o el líquido de soporte. En este caso, por lo tanto, existen cuatro fuerzas de igual magnitud:

• F ₁ . fuerza gravitatoria de la Tierra sobre un objeto (hacia abajo)
• F ₂ . fuerza gravitatoria ejercida por un objeto sobre la Tierra (hacia arriba)
• F ₃ . fuerza ejercida por el soporte sobre el objeto (hacia arriba)
• F ₄ . fuerza ejercida por el objeto sobre el soporte (hacia abajo)

Las fuerzas F₁ _y F₂ _son iguales, según la tercera ley de Newton; lo mismo ocurre con las fuerzas F₃ _y F₄ _. Las fuerzas F₁ _y F₃ _son iguales si y solo si el objeto está en equilibrio y no se aplican otras fuerzas. (Esto no tiene relación con la tercera ley de Newton).

Si una masa cuelga de un resorte, se aplican las mismas consideraciones que antes. Sin embargo, si este sistema se ve perturbado (por ejemplo, si se le da a la masa un ligero impulso hacia arriba o hacia abajo), la masa comienza a oscilar. Debido a estas aceleraciones (y las desaceleraciones subsiguientes), concluimos, según la segunda ley de Newton, que una fuerza neta es la responsable del cambio de velocidad observado. La fuerza gravitatoria que tira de la masa hacia abajo ya no es igual a la fuerza elástica del resorte hacia arriba. En la terminología de la sección anterior, F₁ _y F₃ _ya no son iguales.

Sin embargo, sigue siendo cierto que F ₁ = F ₂ y F ₃ = F ₄ , ya que así lo exige la tercera ley de Newton.

Un problema frecuentemente observado por los educadores de física es que los estudiantes tienden a aplicar la tercera ley de Newton a pares de fuerzas "iguales y opuestas" que actúan sobre el mismo objeto. ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]} Esto es incorrecto; la tercera ley se refiere a fuerzas que actúan sobre dos objetos diferentes. En cambio, un libro que yace sobre una mesa está sujeto a una fuerza gravitatoria hacia abajo (ejercida por la Tierra) y a una fuerza normal hacia arriba ejercida por la mesa, ambas actuando sobre el mismo libro. Dado que el libro no está acelerando, estas fuerzas deben estar exactamente equilibradas, según la segunda ley de Newton. Por lo tanto, son "iguales y opuestas", pero actúan sobre el mismo objeto, por lo que no son fuerzas de acción y reacción en el sentido de la tercera ley de Newton. Las verdaderas fuerzas de acción y reacción en el sentido de la tercera ley de Newton son el peso del libro (la atracción de la Tierra sobre el libro) y la fuerza gravitatoria que el libro ejerce hacia arriba sobre la Tierra. El libro también empuja hacia abajo la mesa y la mesa empuja hacia arriba el libro. Además, las fuerzas que actúan sobre el libro no siempre son igual de intensas; serán diferentes si una tercera fuerza lo empuja hacia abajo, si la mesa está inclinada o si el conjunto mesa-libro se encuentra en un ascensor acelerado. El caso de que cualquier número de fuerzas actúe sobre el mismo objeto se contempla al considerar la suma de todas ellas.

Una posible causa de este problema es que la tercera ley se suele enunciar de forma abreviada: « Para cada acción hay una reacción igual y opuesta», ^{[ 8 ]} sin especificar que estas fuerzas actúan sobre dos objetos diferentes. Además, existe una relación causal entre el peso de un objeto y la fuerza normal: si un objeto no tuviera peso, no experimentaría la fuerza de apoyo de la mesa, y el peso determina la intensidad de dicha fuerza. Esta relación causal no se debe a la tercera ley, sino a otras relaciones físicas del sistema.

Otro error común es afirmar que "la fuerza centrífuga que experimenta un objeto es la reacción a la fuerza centrípeta que actúa sobre ese objeto". ^{[ 9 ] [ 10 ]}

Si un objeto estuviera sometido simultáneamente a una fuerza centrípeta y a una fuerza centrífuga igual y opuesta , la fuerza resultante desaparecería y el objeto no podría experimentar un movimiento circular . La fuerza centrífuga a veces se denomina fuerza ficticia o pseudofuerza, para subrayar el hecho de que dicha fuerza solo aparece cuando los cálculos o las mediciones se realizan en sistemas de referencia no inerciales. ^{[ 11 ]}