Explicando las tres leyes de Newton usando obras de arte de la pintura parte III

Saludos cordiales amigos de steemit, complacido de escribir de nuevo para ustedes. Hoy les traigo la tercera parte (y parte final) de la serie que he titulado "Explicando las tres leyes de Newton usando obras de arte de la pintura" en su versión en español, donde he tratado de mostrar que es posible enseñar física a través de obras de arte de la pintura, hemos encontrado una herramienta muy útil para explicar fenómenos físicos de una manera más fácil e interesante que la enseñanza tradicional, haciéndola más atractiva para toda la gente.

Cerraré este artículo explicando la 2da. ley de Newton, esta ley nos da las bases prácticas para hacer cálculos de desplazamientos. Como podemos recordar de la primera parte de este artículo, Newton decía que el movimiento es causado por la fuerza, es decir, para mover un cuerpo tenemos que aplicar una fuerza (o fuerzas), y estas fuerzas deben estar no equilibradas (su suma algebraica debe ser diferente de cero), entonces cuando esto ocurre, tendremos dos posibles consecuencias dependiendo del estado de movimiento del cuerpo: 1) si el cuerpo está en reposo, las fuerzas no equilibradas cambiarán la velocidad del cuerpo desde cero hasta un cierto valor. 2) Si el cuerpo se mueve pero con velocidad constante, las fuerzas no equilibradas cambiarán la velocidad del cuerpo desde cierta velocidad hasta otra diferente la cual puede ser mayor o menor que la primera velocidad, aún más, la velocidad final puede llegar a ser cero. Por consiguiente, en ambos casos tenemos un denominador común el cual es: cambio en la velocidad del cuerpo y el cambio en la velocidad nosotros lo conocemos como aceleración.

Ahora, estamos listos para escribir el enunciado de la 2da. ley: "la fuerza es directamente proporcional a la aceleración, en otras palabras, si la fuerza se incrementa o decrece, la aceleración aumentará o decrecerá en la misma proporción a la fuerza. Pero al mismo tiempo la aceleración es inversamente proporcional a la masa del cuerpo, puesto que (la masa del cuerpo), se resiste al movimiento (1ra. ley de Newton), por consiguiente, si la masa es grande, la aceleración disminuirá y viceversa, si la masa se reduce, la aceleración aumentará, esto puede ser escrito de la siguiente manera: fuerza = masa x aceleración".

Pero debemos recordar que la fuerza nunca actúa sola, siempre actúa en pares, es decir, tenemos más de una fuerza, por consiguiente la fórmula de la 2da. ley puede escribirse: sumatoria de fuerzas = masa x aceleración.

Para mostrar mejor la 2da. ley de Newton veamos la Figura 1. Esta es una obra de arte pintada por Giovanni Doménico Tiépolo y que se titula "Desfile del caballo de Troya dentro de Troya". Allí podemos ver como el gran caballo de madera es movido por los troyanos.

Figura 1

Aquí podemos ver y colocar todas las fuerzas que están actuando: la fuerza normal (flecha verde), el peso del caballo (flecha púrpura), la fuerza de la gente empujando (flecha celeste), la fuerza de la gente tirando (flecha roja) y la fuerza de fricción (flecha gris) y la dirección del movimiento que es indicada por la flecha amarilla. Así, partiendo de esta figura, podemos extraer el diagrama de cuerpo libre para analizar mejor todas las fuerzas. Esto se muestra en la figura 2.

Fiura 2

En el diagrama de cuerpo libre podemos ver a la fuerza normal apuntando hacia arriba en la dirección del eje vertical positivo y el peso en la dirección opuesta a la fuerza normal, en el eje horizontal tenemos a la fuerza de fricción apuntando en la dirección del eje horizontal negativo. Pero la fuerza de empuje (que llamaremos F1) y la fuerza de tirado ( que llamaremos F2) no están ni en la dirección vertical ni en la horizontal sino entre ambas direcciones por lo tanto habrá que realizar una descomposición de fuerzas con el fin de poder aplicar bien la 2da. ley de Newton. La fuerza de empuje (F1) se descompone en dos fuerzas, una apuntando en la dirección horizontal positiva y que llamaremos F1H (a la derecha, flecha celeste punteada, Figura 2) y la otra que llamaremos F1V apuntando en la dirección vertical positiva (hacia arriba, flecha celeste punteada, Figura 2), de la misma manera, la fuerza de tirado (F2) también se descompone en dos fuerzas, una apuntando en la dirección del eje horizontal positivo llamada F2H (a la derecha, flecha roja punteada, Figura 2) y la otra llamada F2V apuntando en la dirección vertical negativa (hacia abajo, flecha roja punteada, Figura 2).

Ahora que ya tenemos todas las fuerzas definidas gráficamente, podemos aplicar la 2da. ley de Newton en ambos ejes como siue:

sumatoria de fuerzas verticales = normal + F1V - peso - F2V = 0. En este caso, las fuerzas verticales están equilibradas puesto que no hay movimiento en la dirección vertical. Ahora, para la dirección horizontal escribimos:

sumatoria de fuerzas horizontales = F1H + F2H - fuerza de fricción = masa x aceleración. Estas fuerzas están no equilibradas, por lo tanto, hay movimiento.

Finalmente podemos conectar la 1ra. y la 2da. ley de Newton a través de la aceleración, puesto que solo tenemos dos maneras de decir que la aceleración es igual a cero: 1) cuando la velocidad es igual a cero (cuando el cuerpo no se mueve o está en reposo) y 2) cuando la velocidad es constante (recordemos que aceleración = cambio en la velocidad), por consiguiente, si la velocidad no cambia no hay aceleración y la sumatoria de fuerzas externas será igual a cero. Esto responde la pregunta dejada en el post anterior (por favor ver: https://steemit.com/cervantes-ciencia/@zambranoacosta/explicando-las-tres-leyes-de-newton-usando-obras-de-arte-de-la-pintura-parte-ii).

Ahora podemos decir, como conclusión que es posible explicar fenómenos físicos a través de obras de arte de la pintura y como reflexión final les digo, espero que cuando vean una obra de arte de la pintura, ustedes puedan ser capaces de ver y explicar los fenómenos físicos presentes allí, recuerden, los pintores y los físicos están viendo la misma cosa: la naturaleza.

Gracias por ver y votar estos artículos, estoy complacido de mostrarles maneras alternativas de aprender sobre física, mi intención es mostrar que más allá de cálculos tediosos y fórmulas complicadas hay una bellísima ciencia que nos muestra las maravillas de la naturaleza.

Este artículo está basado en el artículo escrito por uno de mis mejores amigos @augusto11julius titulado: CIENCIA Y ARTE: LA PINTURA VISTA DESDE LA PERSPECTIVA DE LA FÍSICA PARTES 1 Y 2.

Referencias:

1. Wagner L. Christian (2008) Luz, Arte y Física: la física en la pintura. Cádiz, España.

2. Hewitt, Paul (1992) Conceptos de física.