Desnudando la Tercera ley de Newton

Al aplicar una fuerza sobre un cuerpo, este ofrece una fuerza de igual magnitud y de dirección contraria…¿Y cómo lo hacen? ¿Cómo sabe una pared cuando ha de empujar la pelota que le lanzo? Esta ley siempre me pareció cosa de magia, algo que dota de vida a los objetos mundanos, sin embargo, todo puede desnudarse…

El supuesto que ha de hacerse para poder utilizar esta afirmación en algunos casos es el de un cuerpo rígido e indeformable. Esto permite visualizar fácimemente lo que ocurre cuando colisionan dos cuerpos con estas aracterísticas, por ejemplo, dos bolas de billar.

Sabemos que al colisionar, intercambiarán energía cinética, y que acelerar un cuerpo consume esta energía, por tanto los cuerpos parados o menos veloces que otro que los golpea siempre presentan reticecia a hacerlo y se oponen con una fuerza igual a la aplicada, disminuyendo la energía cinética del cuerpo que se la presta. Esto está claro, ¿No? Dos bolas de billar que chocan, lo de siempre.

 

Sin embargo, ¿Qué ocurre si la bola de billar choca contra una pared? La segunda ley postula que la pared empuja la bola de vuelta hacia mí…¿Qué brujería es esta?

El sistema bola-pared es algo particular, la bola, a una velocidad prudente, no lleva suficiente energía para poder poner en movimiento la pared, así que rebota y regresa con la misma energía que llevaba pero moviéndose en dirección contraria.

 

La pared, que no se ha inmutado, participa sin embargo en el movimiento como un espejo de fuerzas… La pared ha modificado la trayectoria solo por existir, y cuando esto ocurre tendremos que hablar de campo de fuerzas o de potencial.

En efecto, solo un potencial puede cambiar el módulo o la dirección de una fuerza con su mera presencia, fijémonos en la interacción gravitatoria entre la Luna y la Tierra. En este caso, el potencial gravitatorio que está presente es creado por ambas masas, de forma que ambas se atraen con la misma aceleración, (que no fuerza).

 

 

Lo mismo ocurre cuando yo levanto mi sacapuntas, la Tierra lo atrae con una aceleración de 9.8 m/s, y este atrae a la Tierra asímismo con esta aceleración, sin embargo, al ser las masas tan diferentes, la atracción de mi sacapuntas es despreciable. En el caso gravitatorio el campo de fuerzas es innegable y archiconocido (aunque tampoco sepamos de dónde procede, ni el mismo Newton supo responder a esta pregunta). Pero en el caso de la pared…¿Dónde está el campo?

Pensando un poco, no existen demasiados campos de fuerzas en la naturaleza…El gravitatorio, el magnético, el eléctrico y los producidos en la interacción débil y fuerte. Alguno de ellos debe ser responsable, ¿no?

En efecto, es el campo eléctrico. Recordemos que las estructuras atómicas y las interacciones entre partículas cargadas están gobernadas por esta interacción (aparte de algunas consideraciones magnéticas y cuánticas), y esta fuerza es mucho, mucho más intensa que la ejercida por el campo gravitatorio.

 

Imaginemos que la bola de billar está compuesta por una estructura cristalina, con cada átomo formando parte de una red de átomos interconectados. Estas conexiones atómicas funcionan como osciladores (es decir, son como bolitas unidas con muelles gracias, entre otras cosas, a la interacción eléctrica) . En caso de que uno de los átomos se desplazase de su posición, la fuerza eléctrica trataría de devolverlo al equilíbrio, y esta es la clave del asunto.

Cuando la bola de billar impacta, sus átomos se mueven del equilíbrio, es decir, la estructura se deforma , y después recupera su estado en un tiempo insignificante. Esto implica que, imaginando el proceso a cámara súper lenta, la bola impacta, se deforma y luego vuelve a recomponerse, empujando la pared con la misma fuerza con la que la que había sido deformada. este empuje es el que la bola hace contra la pared y la hace rebotar.

Pero, un momento, ¿acaso la pared no se deforma? Pues claro, y también empujará a la bola al recuperarse de la deformación. Así pues, la tercera ley de Newton es, en este caso, una aproximación, porque el resultado es la suma de las dos deformaciones, y estas nunca son lineales, ni tienen el mismo tiempo de relajación. Tampoco puede considerarse un material cristalino perfecto, ni totalmente deformable, puede resultar dañado, etc… Y todo debido a la repulsión eléctrica entre los cuerpos.

Una última reflexión. Hace falta toda la Tierra para ejercer la minúscula fuerza que necesitas para levantar un sacapuntas, sin embargo, no hacen falta más que unos millones de millones de átomos para que tu dedo no pueda atravesar la mesa, o tus zapatos, el suelo.

 

Fotos:

• https://www.biografiasyvidas.com/monografia/newton/
• http://www.monografias.com/trabajos10/prafi/prafi.shtml
• http://www.chegg.com/homework-help/questions-and-answers/280-kg-steel-ball-strikes-massive-wall-109-m-s-angle-alpha-558-plane-wall-bounces-speed-an-q1386585
• https://www.school-for-champions.com/science/gravitation_force_objects.htm#.WogJt-dG3IU
• https://store.spiritechs.com/products/calcium-fluoride-calc-fluor
• https://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/iss/kap_4/illustr/i4_1_1.html