¿Es siempre correcta la tercera ley de Newton?

Question

La tercera ley de Newton establece que toda fuerza tiene una reacción igual y opuesta. Pero este no parece ser el caso en el siguiente escenario:

Por ejemplo, una persona da un puñetazo a una pared y ésta se rompe. La pared no fue capaz de soportar la fuerza, ni de proporcionar una fuerza igual en sentido contrario para detener el puñetazo.

Si la fuerza fuera realmente igual, ¿el puñetazo no rompería la pared? Es decir, como si al dar un puñetazo al hormigón, sólo te hicieras daño en la mano. ¿No significa esto que la tercera ley de Newton es errónea en estos casos?

Answer 1

A pesar de que ya se han dado 11 respuestas a esta pregunta, no creo que ninguna haya respondido bien a la pregunta.

(Nota: Esta respuesta está simplificada y supone que el golpe es lo suficientemente lento como para ignorar la inercia y la relatividad)

En primer lugar, veamos la fuerza a nivel atómico. Aquí es donde realmente se produce la fuerza. Las fuerzas que sentimos en la vida cotidiana son generalmente las fuerzas entre los átomos y las moléculas ( fuerzas intermoleculares ). Utilizaré los átomos de Helio como ejemplo, porque son fáciles de dibujar. Cuando dos átomos de He se acercan, sus capas de electrones se superponen y hacen que se repelan entre sí . Obsérvese que nunca se da una situación en la que un átomo se repela y el otro no hace nada, o uno se repele y otro se atrae. Siempre ambos se repelen, o ambos se atraen, y ambos átomos sienten la misma magnitud de fuerza, en direcciones exactamente opuestas .

La fuerza que sienten es una función de la distancia entre ellos. La fuerza entre ellos se comporta básicamente como un muelle. En la ilustración anterior, los dos átomos se repelen y se aceleran para alejarse el uno del otro. A medida que se alejan, la fuerza disminuye, hasta que en un momento determinado llega a cero, y consideramos que ya no se "tocan".

Ahora imaginemos que empezamos con un átomo inmóvil y le lanzamos otro átomo. Cuando el átomo en movimiento se acerque lo suficiente al inmóvil, sentirán la fuerza de repulsión. Ambos se acelerarán en base a la fuerza entre ellos. Aceleran en direcciones opuestas, por lo que el átomo estacionario acelera y sale volando, mientras que el móvil desacelera hasta detenerse.

Las moléculas se comportan de forma similar entre sí.

Dado que una pared está formada por moléculas, se comporta de forma muy parecida a la fuerza entre moléculas, salvo que en un objeto sólido las moléculas vecinas están unidas entre sí, lo que significa que cuando las acercas, se repelen, y cuando las separas, se atraen. La pared es básicamente un muelle muy rígido. Cuando empujas una pared, se dobla.

Doblar es la única forma en que puede empujar hacia atrás. Doblar significa que algunas de las moléculas de la pared se acercan y otras se separan. Cuanto más empujes, más se doblará. Se dobla de tal manera que te devuelve la fuerza con la que empujas. Si empujas con una fuerza constante, todo está en equilibrio y todos los vectores de fuerza que actúan sobre cada molécula suman cero, por lo que nada se acelera.

Si se presiona lo suficiente, se conseguirá estirar algunas moléculas lo suficiente como para que su unión se rompa. En ese momento, la fuerza entre ellas se reduce a cero. Ahora esas moléculas no están en equilibrio, y se acelerarán alejándose unas de otras.

Si empujas con suficiente fuerza y la pared se rompe, ya no se dobla, sino que se aleja aceleradamente de tu mano, como los átomos del ejemplo anterior. A medida que se aleja, la fuerza entre tu mano y la pared disminuye y llega a cero cuando tu mano y la pared ya no se "tocan".

Cuando das un puñetazo a una pared, las fuerzas que sentís tú y la pared están compuestas en su totalidad por las fuerzas entre átomos y moléculas. Por lo tanto, tanto si la pared se levanta como si cae, la tercera ley de Newton se mantiene todo el tiempo. La pared sólo puede empujar hacia atrás tu mano en la medida en que pueda doblarse sin romperse.

¿Pero qué pasa si empujo realmente duro en la pared ?

La respuesta es no puedes . Puedes poner un montón de esfuerzo en el punzón, pero si se midiera la fuerza real aplicada a la pared, ésta aumentaría hasta el punto, luego la pared se rompería, y entonces la fuerza volvería a bajar a cero.

La tercera ley de Newton no significa que todo sea indestructible.

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Añadido:

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Answer 2

Buena pregunta. Es una confusión común entre muchos estudiantes principiantes. Cuando empujo algo, ¿no debería quedarse quieto ya que hay una reacción igual y opuesta para contrarrestar mi fuerza?

La respuesta: Las dos fuerzas en cuestión actúan sobre dos cuerpos diferentes.

La fuerza de resistencia de la pared no tiene nada que ver con su reacción igual y opuesta. La reacción actúa sobre la mano, no sobre la propia pared para impedir su propio movimiento.

Answer 3

Si el muro se rompe, eso sólo implica que no era lo suficientemente fuerte como para resistir la fuerza del empuje que intentaste aplicar. También significa que no lograste aplicar toda la fuerza, ya que el muro se rompió antes de que alcanzaras ese nivel.

Lo anterior debería modificarse ligeramente para tener en cuenta la fricción estática frente a la dinámica. El rozamiento estático (sin movimiento) es mayor que el dinámico cuando el objeto empieza a moverse. Este concepto es familiar para cualquiera que haya intentado frenar en una carretera resbaladiza. Con una fuerza de frenado baja, los neumáticos siguen rodando y el punto de contacto con la carretera no se mueve con respecto a ésta. Si la fuerza de frenado supera la máxima fricción que pueden proporcionar los neumáticos, las ruedas se bloquean y de repente parece que el coche sale disparado hacia delante. En ese momento es mejor soltar los frenos y volver a intentarlo. Los coches modernos con sistemas ABS hacen esto automáticamente, muchas veces por segundo, y puedes sentirlo como una sacudida durante una parada de emergencia.

Lo mismo puede ocurrir con el muro: la fuerza para romperlo puede ser mayor que la necesaria para separar las piezas.

Answer 4

La pared no puede reaccionar completamente deteniendo el golpe, pero no es la única forma en que puede reaccionar . Transferirá la mayor cantidad posible de energía del golpe a tu mano, y por eso te duele la mano. Pero una vez que la pared ha alcanzado sus límites allí, tiene que drenar el exceso de otras maneras. Muchos objetos pueden hacerlo moviéndose -drenando la energía del golpe en forma de energía cinética-, que es parte del funcionamiento de la famosa demostración de las bolas de metal colgando. Pero la pared está anclada en su sitio, así que no puede moverse. Los objetos también pueden deformarse, al menos en cierta medida, pero la pared probablemente esté hecha de un material que no se puede deformar mucho, así que, aunque un poco de energía se destina a deformar la pared, eso sólo puede llegar hasta cierto punto.

Otra posibilidad es separar . Una vez que esto sucede, al menos algunas de las piezas ya no están ancladas en su lugar, y gran parte de la energía del golpe puede ser transferida a ellas como energía cinética. Por eso los trozos pequeños de la pared salen volando por todas partes en lugar de quedarse en un montón ordenado cerca de los restos de la pared.

Parte de la energía también se libera al aire, primero como el sonido del golpe que golpea la pared, y luego como el sonido de la pared que se rompe. Siendo realistas, parte de la energía también se liberará en forma de calor. Ninguno de ellos va a ser un factor enorme, comparado con lo que se transfiere de nuevo a tu brazo o a la destrucción de la pared. Pero estos factores restantes, y otros, ayudan a explicar la energía que se escapa del sistema pared-puño. Al final, todo vuelve a sumarse.

Otra cosa que hay que tener en cuenta es que una vez que la pared se rompe, ya no está en la trayectoria del golpe, lo que impide que el golpe aplique más fuerza. Esto no es tan diferente de lo que ocurre cuando el objeto se mueve sin romperse.

Por último, como han señalado otras respuestas, la Tercera Ley de Newton no es universal. En realidad es más bien un caso especial. Resulta que es un caso especial muy grande -funciona lo suficientemente bien en nuestro rincón particular del universo como para ser útil en situaciones de la vida cotidiana- pero hay hacer existen casos en los que no se sostiene. Este no es uno de ellos.

Answer 5

No, no significa que la tercera ley de Newton no sea correcta. La pared empujó hacia atrás (te duele la mano), pero la fuerza que aplicaste rompió la pared y empujó las piezas hacia adelante. Intentaré enumerar las fuerzas.

La mano empuja la pared - la pared empuja hacia atrás
la mano mueve la pared - la pared se resiste a moverse
$\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ $ - se hace el sonido

¿Me he perdido algo?