Las leyes del movimiento de Isaac Newton fueron establecidas por primera vez en sus Principia Mathematica Philosophiae Naturalis en 1687. La primera ley establece que un objeto permanecerá en reposo o se moverá con una velocidad constante, a menos que actúe sobre él una fuerza externa. La tercera es la conocida (aunque ligeramente mal entendida) idea de que toda acción (fuerza) tiene una reacción igual pero opuesta: si empujas una puerta, la puerta te empujará de vuelta.
La segunda ley es la que indica cómo calcular el valor de una fuerza. La fuerza (medida en Newtons) es una de las propiedades físicas fundamentales de un sistema y se presenta de muchas formas. Puedes sentirla como un empujón o un tirón (una fuerza mecánica), mientras que es el valor de tu peso (la fuerza gravitatoria de la Tierra que tira de ti) y puede verse en la repulsión o atracción de imanes o cargas eléctricas (fuerza electromagnética). Una fuerza puede ser el resultado de cualquier número de interacciones físicas fundamentales entre trozos de materia, pero la segunda ley de Newton te permite calcular cómo una fuerza, cuando está presente, afectará al movimiento de un objeto.
En la forma ilustrada, arriba, dice que la fuerza (F) es igual a la tasa de cambio del momento (p) con respecto al tiempo (t). Las pequeñas «d» son la notación diferencial, otro invento newtoniano que aparece en innumerables ecuaciones físicas y que permite predecir matemáticamente cómo cambiará algo cuando se altere de forma incremental otro parámetro relacionado, en este caso, el tiempo.
El impulso es la masa (kilogramos) de un objeto multiplicada por su velocidad (metros por segundo). En la mayoría de las situaciones, la masa de algo no cambia a medida que se mueve, por lo que la ecuación puede simplificarse a masa (m) multiplicada por la tasa de cambio de la velocidad, que conocemos como aceleración (a). Esto nos da la versión más familiar de la segunda ley en los libros de texto: F=ma.
Al igual que el resto de la física de Newton, la segunda ley del movimiento es válida para una asombrosa variedad de situaciones cotidianas y es un caballo de batalla en la ciencia y la ingeniería modernas. La forma en que se mueve casi todo puede calcularse utilizando sus leyes del movimiento: cuánta fuerza se necesita para acelerar un tren, si una bala de cañón alcanzará su objetivo, cómo se mueven las corrientes de aire y del océano o si un avión volará son todas aplicaciones de la segunda ley de Newton. Incluso utilizó las leyes del movimiento, combinadas con su ley universal de la gravitación, para explicar por qué los planetas se mueven como lo hacen.
El peso es una fuerza, igual a la masa de un objeto multiplicada por la aceleración gravitatoria causada por la Tierra (igual a 10 metros por segundo por segundo), en la dirección del centro del planeta. La razón por la que no caes a través del suelo, por supuesto, se explica por la tercera ley del movimiento de Newton, que dice que la superficie de la Tierra está empujando hacia arriba contra tus pies con una fuerza igual pero opuesta a tu peso.
Una versión modificada de la segunda ley se aplica cuando la masa de un objeto está cambiando, como un cohete, que quema combustible y se vuelve más ligero a medida que sube a través de la atmósfera.
Todos conocemos la segunda ley en la práctica, si no en las matemáticas. Hay que ejercer más fuerza (y por tanto más energía) para mover un pesado piano de cola que para deslizar un pequeño taburete por el suelo. Cuando coges una pelota de cricket que se mueve rápidamente, sabes que te dolerá menos si mueves el brazo hacia atrás mientras la coges: al dar más tiempo a la pelota en movimiento para que se frene, tu mano tiene que ejercer menos fuerza de oposición sobre la pelota.
El ejemplo de la pelota de cricket demuestra que las fuerzas no sólo tienen un tamaño, sino que actúan en una dirección concreta. Las fuerzas pertenecen a una categoría de propiedades físicas, que incluye el momento y la velocidad, conocidas como vectores. Estos contrastan con los escalares, que tienen un tamaño pero no una dirección, por ejemplo la temperatura o la masa.
La F de la segunda ley de Newton se refiere a la fuerza neta que actúa sobre un objeto. Por lo tanto, para calcular lo que le ocurre a un objeto que tiene varias fuerzas actuando sobre él, hay que tener en cuenta tanto las direcciones como los tamaños de cada fuerza. Dos fuerzas pueden tener el mismo tamaño pero, si apuntan directamente en direcciones opuestas, se cancelarán hasta llegar a cero.
Un juego de tira y afloja es una buena manera de pensar en esto. Cuando dos equipos tiran en direcciones opuestas, el movimiento de la cuerda (calculado por la segunda ley de Newton) estará determinado por la fuerza neta sobre la cuerda. El tamaño de esa fuerza neta es la diferencia entre los tamaños de las fuerzas ejercidas por los dos equipos. La dirección de la fuerza neta estará en la dirección del equipo que esté tirando más fuerte.
Para describir los átomos, e incluso cosas más pequeñas, los físicos utilizan versiones de la fuerza y el momento en las ecuaciones que incluyen descripciones cuánticas-mecánicas del tiempo así como del espacio. A esta escala, las fuerzas son los subproductos matemáticos que surgen cuando las partículas fundamentales de la materia, como los electrones y los quarks, intercambian partículas como los fotones, los gluones o las partículas W o Z, que son «portadoras» de fuerzas y se conocen colectivamente como bosones gauge.
La segunda ley de Newton funciona como una forma de describir el movimiento de todo en un sistema mecánico cuántico siempre que las partículas no se muevan cerca de la velocidad de la luz.
Cuando un objeto se mueve cerca de la velocidad de la luz, entramos en el ámbito de la relatividad especial, que nos dice que la masa de un objeto aumentará a medida que se mueve más rápido. Hay que tener esto en cuenta cuando se calculan las fuerzas a estas velocidades.
De hecho, la mayor parte de la física clásica de Newton necesita ser modificada en situaciones extremas – la segunda ley no es precisa cuando hay inmensas fuerzas gravitacionales, alrededor de un agujero negro o en el contexto de las enormes masas de galaxias enteras, por ejemplo, donde la relatividad general toma el relevo como la mejor manera de describir el movimiento dentro de un sistema.