Las tres leyes del movimiento de Sir Isaac Newton describen el movimiento de los cuerpos masivos y cómo interactúan. Si bien las leyes de Newton pueden parecernos obvias hoy en día, hace más de tres siglos se consideraban revolucionarias.Newton fue uno de los científicos más influyentes de todos los tiempos. Sus ideas se convirtieron en la base de la física moderna. Se basó en las ideas presentadas a partir de los trabajos de científicos anteriores, incluidos Galileo y Aristóteles, y pudo probar algunas ideas que solo habían sido teorías en el pasado. Estudió óptica, astronomía y matemáticas, inventó el cálculo. (El matemático alemán Gottfried Leibniz también se le atribuye el desarrollo independiente en aproximadamente el mismo tiempo.)
Newton es quizás mejor conocido por su trabajo en el estudio de la gravedad y el movimiento de los planetas. Impulsado por el astrónomo Edmond Halley después de admitir que había perdido su prueba de órbitas elípticas unos años antes, Newton publicó sus leyes en 1687, en su trabajo seminal «Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica» (Principios Matemáticos de la Filosofía Natural) en el que formalizó la descripción de cómo los cuerpos masivos se mueven bajo la influencia de fuerzas externas.
Al formular sus tres leyes, Newton simplificó su tratamiento de los cuerpos masivos al considerarlos puntos matemáticos sin tamaño ni rotación. Esto le permitió ignorar factores como la fricción, la resistencia al aire, la temperatura, las propiedades de los materiales, etc., y concéntrese en fenómenos que pueden describirse únicamente en términos de masa, duración y tiempo. En consecuencia, las tres leyes no se pueden usar para describir con precisión el comportamiento de objetos grandes rígidos o deformables; sin embargo, en muchos casos proporcionan aproximaciones adecuadamente precisas.
Las leyes de Newton se refieren al movimiento de cuerpos masivos en un marco de referencia inercial, a veces llamado marco de referencia newtoniano, aunque el propio Newton nunca describió tal marco de referencia. Un marco de referencia inercial se puede describir como un sistema de coordenadas tridimensional que es estacionario o en movimiento lineal uniforme., es decir, no está acelerando ni girando. Encontró que el movimiento dentro de tal marco de referencia inercial podía ser descrito por tres leyes simples.
La Primera Ley del Movimiento establece: «Un cuerpo en reposo permanecerá en reposo, y un cuerpo en movimiento permanecerá en movimiento a menos que sea actuado por una fuerza externa.»Esto simplemente significa que las cosas no pueden comenzar, detenerse o cambiar de dirección por sí solas. Se necesita un poco de fuerza actuando sobre ellos desde el exterior para causar tal cambio. Esta propiedad de los cuerpos masivos para resistir los cambios en su estado de movimiento a veces se llama inercia.
La Segunda Ley del Movimiento describe lo que le sucede a un cuerpo masivo cuando es actuado por una fuerza externa. Dice: «La fuerza que actúa sobre un objeto es igual a la masa de ese objeto por su aceleración.»Esto está escrito en forma matemática como F = ma, donde F es fuerza, m es masa y a es aceleración. Las letras en negrita indican que la fuerza y la aceleración son cantidades vectoriales, lo que significa que tienen magnitud y dirección. La fuerza puede ser una sola fuerza, o puede ser la suma vectorial de más de una fuerza, que es la fuerza neta después de que todas las fuerzas se combinan.
Cuando una fuerza constante actúa sobre un cuerpo masivo, hace que se acelere, es decir, que cambie su velocidad, a una velocidad constante. En el caso más simple, una fuerza aplicada a un objeto en reposo hace que se acelere en la dirección de la fuerza. Sin embargo, si el objeto ya está en movimiento, o si esta situación se ve desde un marco de referencia en movimiento, ese cuerpo podría parecer que se acelera, ralentiza o cambia de dirección dependiendo de la dirección de la fuerza y las direcciones en que el objeto y el marco de referencia se mueven uno con respecto al otro.
La Tercera Ley del Movimiento establece: «Para cada acción, hay una reacción igual y opuesta.»Esta ley describe lo que le sucede a un cuerpo cuando ejerce una fuerza sobre otro cuerpo. Las fuerzas siempre ocurren en parejas, por lo que cuando un cuerpo empuja contra otro, el segundo cuerpo empuja hacia atrás con la misma fuerza. Por ejemplo, cuando empujas un carro, el carro empuja hacia atrás contra ti; cuando tiras de una cuerda, la cuerda tira hacia atrás contra ti; cuando la gravedad te tira hacia abajo contra el suelo, el suelo empuja hacia arriba contra tus pies; y cuando un cohete enciende su combustible detrás de él, el gas de escape en expansión empuja el cohete haciendo que se acelere.
Si un objeto es mucho, mucho más masivo que el otro, particularmente en el caso de que el primer objeto esté anclado a la Tierra, prácticamente toda la aceleración se imparte al segundo objeto, y la aceleración del primer objeto puede ignorarse de forma segura. Por ejemplo, si lanzaras una pelota de béisbol al oeste, no tendrías que considerar que realmente causaste que la rotación de la Tierra se acelerara ligeramente mientras la pelota estaba en el aire. Sin embargo, si estuviera de pie sobre patines y lanzara una bola de boliche hacia adelante, comenzaría a moverse hacia atrás a una velocidad notable.
Las tres leyes han sido verificadas por innumerables experimentos en los últimos tres siglos, y todavía se usan ampliamente hasta el día de hoy para describir los tipos de objetos y velocidades que encontramos en la vida cotidiana. Forman la base de lo que ahora se conoce como mecánica clásica, que es el estudio de objetos masivos que son más grandes que las escalas muy pequeñas abordadas por la mecánica cuántica y que se mueven más lentamente que las velocidades muy altas abordadas por la mecánica relativista.