Las tres leyes del movimiento de Sir Isaac Newton describen el movimiento de los cuerpos masivos y cómo interactúan. Aunque las leyes de Newton pueden parecernos obvias hoy en día, hace más de tres siglos se consideraban revolucionarias.
Newton fue uno de los científicos más influyentes de todos los tiempos. Sus ideas se convirtieron en la base de la física moderna. Se basó en las ideas expuestas en los trabajos de científicos anteriores, como Galileo y Aristóteles, y fue capaz de demostrar algunas ideas que sólo habían sido teorías en el pasado. Estudió la óptica, la astronomía y las matemáticas: inventó el cálculo. (Al matemático alemán Gottfried Leibniz también se le atribuye el haberla desarrollado de forma independiente casi al mismo tiempo).
Newton es quizás más conocido por su trabajo en el estudio de la gravedad y el movimiento de los planetas. Instado por el astrónomo Edmond Halley tras admitir que había perdido su prueba de las órbitas elípticas unos años antes, Newton publicó sus leyes en 1687, en su obra seminal «Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica» (Principios matemáticos de la filosofía natural) en la que formalizó la descripción de cómo se mueven los cuerpos masivos bajo la influencia de fuerzas externas.
Al formular sus tres leyes, Newton simplificó su tratamiento de los cuerpos masivos considerándolos como puntos matemáticos sin tamaño ni rotación. Esto le permitió ignorar factores como la fricción, la resistencia del aire, la temperatura, las propiedades de los materiales, etc., y concentrarse en los fenómenos que pueden describirse únicamente en términos de masa, longitud y tiempo. En consecuencia, las tres leyes no pueden utilizarse para describir con precisión el comportamiento de grandes objetos rígidos o deformables; sin embargo, en muchos casos proporcionan aproximaciones convenientemente precisas.
Las leyes de Newton se refieren al movimiento de los cuerpos masivos en un sistema de referencia inercial, a veces llamado sistema de referencia newtoniano, aunque el propio Newton nunca describió dicho sistema de referencia. Un sistema de referencia inercial puede describirse como un sistema de coordenadas tridimensional que está inmóvil o en movimiento lineal uniforme, es decir, que no acelera ni gira. Encontró que el movimiento dentro de tal marco de referencia inercial podría ser descrito por tres leyes simples.
La Primera Ley del Movimiento dice: «Un cuerpo en reposo permanecerá en reposo, y un cuerpo en movimiento permanecerá en movimiento a menos que se actúe sobre él con una fuerza externa». Esto significa simplemente que las cosas no pueden arrancar, detenerse o cambiar de dirección por sí mismas. Hace falta alguna fuerza que actúe sobre ellas desde el exterior para provocar ese cambio. Esta propiedad de los cuerpos masivos de resistirse a los cambios en su estado de movimiento se llama a veces inercia.
La Segunda Ley del Movimiento describe lo que le ocurre a un cuerpo masivo cuando actúa sobre él una fuerza externa. Dice: «La fuerza que actúa sobre un objeto es igual a la masa de ese objeto por su aceleración». Esto se escribe en forma matemática como F = ma, donde F es la fuerza, m es la masa y a es la aceleración. Las letras en negrita indican que la fuerza y la aceleración son magnitudes vectoriales, lo que significa que tienen magnitud y dirección. La fuerza puede ser una sola fuerza, o puede ser la suma vectorial de más de una fuerza, que es la fuerza neta después de combinar todas las fuerzas.
Cuando una fuerza constante actúa sobre un cuerpo masivo, hace que éste se acelere, es decir, que cambie su velocidad, a un ritmo constante. En el caso más sencillo, una fuerza aplicada a un objeto en reposo hace que se acelere en la dirección de la fuerza. Sin embargo, si el objeto ya está en movimiento, o si esta situación se ve desde un marco de referencia en movimiento, ese cuerpo podría parecer que se acelera, se ralentiza o cambia de dirección dependiendo de la dirección de la fuerza y de las direcciones en las que el objeto y el marco de referencia se mueven entre sí.
La Tercera Ley del Movimiento dice: «Para cada acción, hay una reacción igual y opuesta». Esta ley describe lo que le ocurre a un cuerpo cuando ejerce una fuerza sobre otro cuerpo. Las fuerzas siempre se producen en pares, de modo que cuando un cuerpo empuja a otro, el segundo cuerpo le devuelve la misma fuerza. Por ejemplo, cuando empujas un carro, el carro empuja contra ti; cuando tiras de una cuerda, la cuerda tira contra ti; cuando la gravedad te empuja contra el suelo, el suelo empuja contra tus pies; y cuando un cohete enciende su combustible detrás de él, el gas de escape en expansión empuja al cohete haciendo que se acelere.
Si un objeto es mucho, mucho más masivo que el otro, particularmente en el caso de que el primer objeto esté anclado a la Tierra, prácticamente toda la aceleración es impartida al segundo objeto, y la aceleración del primer objeto puede ser ignorada con seguridad. Por ejemplo, si usted lanzara una pelota de béisbol hacia el oeste, no tendría que considerar que en realidad provocó que la rotación de la Tierra se acelerara ligeramente mientras la pelota estaba en el aire. Sin embargo, si estuvieras de pie sobre unos patines y lanzaras una bola de bolos hacia delante, empezarías a moverte hacia atrás a una velocidad notable.
Las tres leyes han sido verificadas por innumerables experimentos a lo largo de los últimos tres siglos, y siguen siendo ampliamente utilizadas en la actualidad para describir los tipos de objetos y velocidades que encontramos en la vida cotidiana. Forman la base de lo que ahora se conoce como mecánica clásica, que es el estudio de los objetos masivos que son más grandes que las escalas muy pequeñas abordadas por la mecánica cuántica y que se mueven más lentamente que las velocidades muy altas abordadas por la mecánica relativista.