Tercera Ley de Newton: Acción y Reacción explicada

La tercera ley de Newton explica por qué, cuando nadas, avanzas hacia adelante empujando el agua hacia atrás, o por qué un cohete puede impulsarse en el vacío del espacio sin necesidad de empujar contra nada externo. Esta ley describe uno de los principios más sorprendentes de la física: toda fuerza que ejerces sobre un cuerpo genera, de manera simultánea, una fuerza igual y de sentido contrario sobre ti.

También conocida como ley de acción y reacción, esta ley completa el conjunto de las tres leyes de Newton, junto con la ley de la inercia y la relación entre fuerza, masa y aceleración. En este artículo aprenderás su enunciado, su formulación matemática y aplicarás estos conceptos en ejemplos y problemas resueltos paso a paso, de menor a mayor dificultad.

1. Terminología clave

Antes de avanzar, conoce los conceptos que usarás a lo largo del artículo:

• Fuerza: toda causa capaz de modificar el estado de movimiento o la forma de un cuerpo; es una magnitud vectorial medida en newtons (N).

• Interacción: proceso en el que dos cuerpos ejercen fuerzas mutuamente el uno sobre el otro.

• Fuerza de acción: fuerza que un primer cuerpo ejerce sobre un segundo cuerpo durante una interacción.

• Fuerza de reacción: fuerza que el segundo cuerpo ejerce de vuelta sobre el primero, con igual magnitud y dirección, pero sentido opuesto.

• Par acción-reacción: conjunto formado por la fuerza de acción y su correspondiente fuerza de reacción, las cuales siempre actúan sobre cuerpos diferentes.

• Sistema aislado: conjunto de cuerpos que no interactúa con elementos externos al sistema.

• Vector: magnitud física que tiene módulo, dirección y sentido, como la fuerza, la velocidad o la aceleración.

2. Comprendiendo la acción y la reacción

Para comprender la tercera ley de Newton, primero conocerás cómo interactúan dos cuerpos y qué ocurre cuando uno ejerce una fuerza sobre el otro. Después, descubrirás el significado de las fuerzas de acción y reacción y aprenderás a diferenciarlas de las fuerzas equilibradas. También analizarás situaciones de la vida cotidiana en las que esta ley está presente y, finalmente, identificarás los errores más comunes para evitar confusiones al estudiar este principio fundamental de la física.

2.1 ¿Qué es una interacción entre dos cuerpos?

En física, las fuerzas nunca aparecen solas: siempre son el resultado de una interacción entre dos cuerpos. Cuando pateas un balón, tu pie ejerce una fuerza sobre el balón, pero al mismo tiempo el balón ejerce una fuerza sobre tu pie. Ninguna fuerza existe de manera aislada; siempre forma parte de un par.

2.2 Enunciado de la tercera ley de Newton

La tercera ley de Newton se enuncia así:

«Por cada fuerza de acción que un cuerpo ejerce sobre otro, existe una fuerza de reacción de igual magnitud y dirección, pero de sentido opuesto, que el segundo cuerpo ejerce sobre el primero.»

2.2.1 Formulación matemática

Si un cuerpo A ejerce una fuerza sobre un cuerpo B, llamada fuerza de acción $$F_{AB}$$, entonces el cuerpo B ejerce sobre el cuerpo A una fuerza de reacción $$F_{BA}$$ tal que:

$$F_{AB} = -F_{BA}$$

El signo negativo indica que ambas fuerzas tienen la misma magnitud, pero sentidos opuestos. En términos de magnitud, se cumple:

$$|F_{AB}| = |F_{BA}|$$

2.2.2 Interpretación física

Para identificar correctamente un par de acción y reacción, ten en cuenta tres condiciones que siempre se cumplen:

• Las dos fuerzas tienen la misma magnitud.

• Las dos fuerzas tienen la misma dirección, pero sentido opuesto.

• Las dos fuerzas actúan sobre cuerpos diferentes: una sobre el cuerpo A y otra sobre el cuerpo B, nunca sobre el mismo cuerpo.

2.3 Diferencia entre pares de acción-reacción y fuerzas equilibradas

Uno de los errores más comunes es confundir un par de acción-reacción con un par de fuerzas equilibradas, como el peso y la normal sobre un libro en una mesa. Aunque ambos casos involucran dos fuerzas de igual magnitud y sentido contrario, no son lo mismo:

• Fuerzas equilibradas (por ejemplo, peso y normal sobre un libro): actúan sobre el mismo cuerpo (el libro) y por eso pueden sumarse para dar una fuerza neta igual a cero.

• Par de acción-reacción (por ejemplo, el libro empuja la mesa y la mesa empuja el libro): actúan sobre cuerpos diferentes y, por lo tanto, nunca se cancelan entre sí, ni siquiera cuando el sistema está en equilibrio.

Esta distinción es clave: las fuerzas de un par de acción-reacción nunca se anulan mutuamente, porque actúan sobre objetos distintos y cada una afecta el movimiento de un cuerpo diferente.

2.4 Aplicaciones de la tercera ley de Newton

• La propulsión de un cohete: los gases son expulsados hacia atrás (acción) y el cohete es impulsado hacia adelante (reacción).

• Caminar: tu pie empuja el suelo hacia atrás (acción) y el suelo te empuja a ti hacia adelante (reacción), gracias a la fricción.

• Nadar: tus manos y pies empujan el agua hacia atrás (acción) y el agua te impulsa hacia adelante (reacción).

• El retroceso de un arma de fuego: la bala es impulsada hacia adelante (acción) y el arma retrocede hacia atrás (reacción).

2.5 Errores comunes

• Pensar que las fuerzas de acción y reacción se cancelan: esto solo ocurre con fuerzas equilibradas sobre un mismo cuerpo; las fuerzas de un par acción-reacción actúan sobre cuerpos distintos y nunca se anulan entre sí.

• Creer que la reacción ocurre después de la acción: ambas fuerzas son simultáneas, no existe un intervalo de tiempo entre una y otra.

• Suponer que un cuerpo más grande no recibe una fuerza de reacción: la magnitud de la fuerza es siempre la misma, aunque el efecto (la aceleración) sea muy distinto debido a la diferencia de masas.

• Confundir la tercera ley con el equilibrio de fuerzas: un cuerpo puede acelerar aunque las fuerzas de acción y reacción existan siempre, porque cada una actúa sobre un cuerpo distinto.

3. Simulación interactiva

Para comprender de forma visual y experimental cómo actúan las fuerzas de acción y reacción, te recomiendo el simulador Laboratorio de Colisiones (Collision Lab) de PhET Interactive Simulations, de la Universidad de Colorado Boulder.

Este simulador permite chocar objetos de distintas masas y velocidades en una dimensión o en un plano, visualizando en tiempo real los vectores de fuerza y la cantidad de movimiento de cada cuerpo. Su importancia pedagógica radica en que muestra, de manera directa, que las fuerzas que dos cuerpos se ejercen mutuamente durante un choque son siempre iguales en magnitud y opuestas en dirección, sin importar cuánto difieran sus masas; lo único que cambia es la aceleración resultante en cada uno.

Al manipular las variables y observar los resultados de inmediato, podrás comprender mejor el enunciado de la ley y comprobarlo por ti mismo. Esto favorecerá un aprendizaje activo y contribuirá al desarrollo del pensamiento científico.

🎯Reto aplica la ley y comprueba el resultado

Configura en el simulador un choque entre una esfera de 1 kg y otra de 3 kg con la misma rapidez inicial. Antes de dar clic en reproducir, debes:

• Predecir si la fuerza que recibe cada esfera será igual o diferente.

• Justifica tu respuesta con la tercera ley de Newton.

• Ejecuta la simulación y compara tu predicción con el resultado observado.

4. Ejemplos resueltos

A continuación, encontrarás cuatro ejemplos de situaciones de la vida cotidiana, resueltos paso a paso. Léelos con atención y, después, intenta resolverlos por tu cuenta para fortalecer tus habilidades y mejorar tu capacidad para aplicar la tercera ley de Newton.

Solución:

Identificar la fuerza de acción:

Aplicar la tercera ley de Newton:

Resultado: La pared ejerce sobre el nadador una fuerza de reacción de 250 N, de sentido opuesto a la que él aplicó, lo que lo impulsa hacia adelante.

Solución:

Identificar la acción:

El pie de la persona empuja el suelo hacia atrás con una fuerza de 80 N (acción).

Identificar la reacción:

Resultado: El suelo empuja a la persona hacia adelante con una fuerza de 80 N gracias a la fricción, y es esta fuerza de reacción la que realmente produce su avance.

Solución:

Aplicar la tercera ley para obtener la fuerza de reacción

$$F_{\text{reacción}} = 12\,000 \ \text{N}$$

Aplicar la segunda ley de Newton para calcular la aceleración

Resultado: El cohete se acelera a 6 m/s² gracias a la fuerza de reacción de los gases expulsados.

Solución:

Reconocer el par de acción-reacción

$$F_{A} = F_{B} = 300 \ \text{N}$$

Calcular la aceleración de cada patinador con la segunda ley de Newton

Resultado: Aunque la fuerza que reciben ambos patinadores es exactamente la misma, el patinador A, al tener menor masa, adquiere una aceleración mayor que el patinador B.

5. Problemas resueltos

7. Conclusión

La tercera ley de Newton, o ley de acción y reacción, establece que toda fuerza que un cuerpo ejerce sobre otro genera una fuerza de igual magnitud y dirección, pero de sentido opuesto, ejercida por el segundo cuerpo sobre el primero. La clave para comprenderla es recordar que estas dos fuerzas siempre actúan sobre cuerpos diferentes y, por lo tanto, nunca se cancelan entre sí.

Junto con la primera y la segunda ley, esta ley completa el marco conceptual de la mecánica clásica y te permite explicar fenómenos tan diversos como la propulsión de un cohete, el simple acto de caminar o el retroceso de un arma de fuego. Dominar las tres leyes de Newton en conjunto es esencial para avanzar hacia temas más complejos de la física, como la dinámica de sistemas y la conservación del momentum.

8. Actividades

1. Una persona empuja una pared con una fuerza de 150 N. Calcula la fuerza de reacción que la pared ejerce sobre la persona.

2. Un remero empuja el agua hacia atrás con 90 N. ¿Cuál es la fuerza que el agua ejerce sobre el remo?

3. Un cohete de masa 500 kg recibe una fuerza de reacción de 3000 N. Calcula su aceleración.

4. Dos patinadores se empujan con una fuerza de 200 N cada uno. Si uno tiene masa 40 kg, calcula su aceleración.

5. Si un objeto A ejerce sobre un objeto B una fuerza de 60 N hacia la derecha, ¿qué fuerza ejerce B sobre A?

6. Un astronauta de 90 kg empuja su nave con 180 N. Calcula la aceleración del astronauta.

7. Con los datos del ejercicio anterior, si la nave tiene masa 6000 kg, calcula su aceleración.

8. Dos bloques en contacto (2 kg y 4 kg) sobre superficie sin fricción reciben una fuerza de 30 N sobre el bloque de 2 kg. Calcula la aceleración del sistema.

9. Con los datos del ejercicio anterior, calcula la fuerza de contacto sobre el bloque de 4 kg.

10. Un jugador golpea una pelota con una fuerza de 250 N. ¿Qué fuerza ejerce la pelota sobre el bate?

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