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Física y Química 3.º ESO · Tercera ley de Newton: acción y reacción

Tercera ley de Newton: acción y reacción

Objetivo: Al terminar, sabrás identificar los pares de fuerzas de acción y reacción en situaciones cotidianas, explicar por qué no se anulan entre sí y usar la tercera ley (junto con la segunda) para explicar cómo caminamos, nadamos o se mueve un cohete.

Explicación

Las fuerzas siempre van por parejas

Una fuerza es una interacción entre dos cuerpos. Por eso, cuando un cuerpo A ejerce una fuerza sobre otro cuerpo B, B también ejerce una fuerza sobre A. Si empujas una pared, la pared te empuja a ti (por eso, con patines, sales hacia atrás).

Tercera ley de Newton (principio de acción y reacción):

Si un cuerpo A ejerce una fuerza sobre un cuerpo B (acción), el cuerpo B ejerce sobre A otra fuerza (reacción) del mismo módulo y la misma dirección, pero de sentido contrario.

$\vec{F}_{A \text{ sobre } B} = -\vec{F}_{B \text{ sobre } A}$

Características de un par acción-reacción

Tienen el mismo módulo y la misma dirección, y sentidos opuestos.
Actúan sobre cuerpos distintos: una sobre A y la otra sobre B. Por eso nunca se anulan entre sí (solo se pueden sumar o anular fuerzas que actúan sobre el mismo cuerpo).
Aparecen y desaparecen a la vez: da igual cuál llamemos acción y cuál reacción.
Son del mismo tipo: si una es gravitatoria, la otra también; si una es de contacto, la otra también.

Truco para encontrar la reacción: escribe la fuerza como «A sobre B» y da la vuelta a los cuerpos: la reacción es «B sobre A».

Igual fuerza no significa igual efecto

Las dos fuerzas del par son iguales, pero los cuerpos pueden tener masas muy diferentes. Por la segunda ley, $a = F/m$ : el cuerpo de menor masa acelera más. La Tierra atrae a una manzana y la manzana atrae a la Tierra con la misma fuerza, pero solo vemos moverse a la manzana.

La tercera ley en la vida diaria

Situación	Acción	Reacción (la que nos mueve)
Caminar	El pie empuja el suelo hacia atrás	El suelo empuja el pie hacia delante
Nadar o remar	La mano o el remo empujan el agua hacia atrás	El agua empuja al nadador o la barca hacia delante
Cohete	El cohete expulsa los gases hacia abajo	Los gases empujan el cohete hacia arriba
Globo que se suelta	El globo empuja el aire hacia fuera	El aire empuja el globo en sentido contrario
Disparo o manguera	El arma empuja la bala (o la manguera, el agua) hacia delante	La bala empuja el arma hacia atrás: el retroceso

Caminar sobre hielo cuesta mucho porque, sin rozamiento, el pie no puede empujar el suelo hacia atrás… y el suelo no nos empuja hacia delante.

Puntos clave

Si A ejerce una fuerza sobre B, B ejerce sobre A una fuerza de igual módulo y dirección y sentido contrario.
Las fuerzas de un par acción-reacción actúan sobre cuerpos distintos: nunca se anulan entre sí.
Para encontrar la reacción de «A sobre B», da la vuelta: «B sobre A».
Igual fuerza no es igual efecto: por la segunda ley, el cuerpo de menor masa acelera más.
Caminamos, nadamos y vuelan los cohetes gracias a la reacción: empujamos algo hacia atrás y nos empuja hacia delante.
El peso de un libro y la fuerza de la mesa sobre él no son un par acción-reacción: actúan sobre el mismo cuerpo.

Errores frecuentes

ErrorDecir que la acción y la reacción se anulan porque son iguales y opuestas.
Cómo corregirloActúan sobre cuerpos distintos. Solo se anulan fuerzas que actúan sobre el mismo cuerpo.
ErrorConsiderar que el peso de un libro y la fuerza de la mesa sobre el libro son acción y reacción.
Cómo corregirloLas dos actúan sobre el libro. La reacción del peso (Tierra sobre libro) es la fuerza con que el libro atrae a la Tierra; la reacción de la fuerza de la mesa sobre el libro es la fuerza del libro sobre la mesa.
ErrorPensar que en un choque entre un coche y un camión el camión empuja más fuerte al coche.
Cómo corregirloLas dos fuerzas son iguales. El coche sufre más porque tiene menos masa y, por tanto, una aceleración mucho mayor.
ErrorCreer que la reacción aparece un poco después de la acción.
Cómo corregirloAparecen y desaparecen a la vez: son las dos caras de una misma interacción.

Ejemplos resueltos

Ejemplo 1. ¿Cómo caminamos? situación real
a) Cuando caminas, ¿qué fuerza te impulsa hacia delante? ¿Qué cuerpo la ejerce? b) ¿Por qué es tan difícil caminar sobre una pista de hielo? c) ¿Por qué, al saltar de una barca al muelle, la barca se aleja?

Resolución
a) Al dar un paso, tu pie empuja el suelo hacia atrás (acción: pie sobre suelo). El suelo empuja tu pie hacia delante con una fuerza igual (reacción: suelo sobre pie). Es el suelo el que te impulsa, gracias al rozamiento entre la suela y el suelo.

b) Sobre el hielo casi no hay rozamiento: el pie resbala y no puede empujar el suelo hacia atrás, así que el suelo tampoco puede empujarte hacia delante.

c) Al saltar, empujas la barca hacia atrás con los pies; la barca te empuja a ti hacia delante con la misma fuerza. Tú sales hacia el muelle y la barca, hacia el lado contrario. Como la barca flota, se mueve con facilidad (y si tiene poca masa, se aleja bastante: ¡puedes caer al agua!).
Ejemplo 2. Dos patinadores en la pista de hielo numérico (tercera y segunda ley)
En la pista de hielo, Ana (50 kg) y Luis (75 kg) están quietos, uno frente al otro. Ana empuja a Luis con una fuerza de 150 N.

a) ¿Qué fuerza actúa sobre Ana? ¿Quién la ejerce? b) Calcula la aceleración de cada uno mientras se empujan (sin rozamiento). c) ¿Quién sale más rápido?

Resolución
a) Por la tercera ley, Luis empuja a Ana con 150 N, en la misma dirección y sentido contrario. Aunque «solo empuja Ana», los dos reciben una fuerza.

b) Segunda ley a cada uno: $a_\text{Ana} = \frac{150\ \text{N}}{50\ \text{kg}} = 3\ \text{m/s}^2 \qquad a_\text{Luis} = \frac{150\ \text{N}}{75\ \text{kg}} = 2\ \text{m/s}^2$ en sentidos contrarios.

c) Ana, que tiene menos masa: recibe la misma fuerza pero acelera más (1,5 veces más que Luis).

Ejemplo 3. El libro sobre la mesa análisis de fuerzas

Un libro está en reposo sobre la mesa. Sobre él actúan dos fuerzas: su peso (la Tierra lo atrae hacia abajo) y la fuerza normal (la mesa lo empuja hacia arriba).

a) ¿Por qué el libro no se mueve? b) Un compañero dice: «El peso y la normal son acción y reacción, porque son iguales y opuestas». ¿Tiene razón? c) ¿Cuál es la reacción de cada una de esas dos fuerzas?

Resolución

a) El peso y la normal actúan sobre el mismo cuerpo (el libro), son iguales y opuestas: la resultante es nula y el libro sigue en reposo (primera ley).

b) No tiene razón. Las fuerzas de un par acción-reacción actúan sobre cuerpos distintos, y estas dos actúan sobre el libro. Además, son de tipo distinto: el peso es gravitatorio (a distancia) y la normal es de contacto.

c) Damos la vuelta a cada fuerza:

Fuerza	Sobre quién	Su reacción	Sobre quién
Peso: Tierra sobre libro, hacia abajo	Libro	Libro sobre Tierra, hacia arriba (el libro atrae a la Tierra)	Tierra
Normal: mesa sobre libro, hacia arriba	Libro	Libro sobre mesa, hacia abajo (el libro aprieta la mesa)	Mesa

Ejemplo 4. El globo-cohete experimental
Pasamos una cuerda por una pajita y la atamos tensa entre dos sillas. Inflamos un globo, lo sujetamos sin atarlo y lo pegamos con cinta a la pajita. Al soltarlo, el globo recorre la cuerda a toda velocidad. a) Explica el movimiento con la tercera ley. b) ¿Por qué funciona igual un cohete en el espacio, donde no hay aire contra el que empujar?

Resolución
a) La goma del globo empuja el aire de dentro y lo expulsa hacia atrás por la boquilla (acción: globo sobre aire). El aire empuja el globo hacia delante con la misma fuerza (reacción: aire sobre globo). Por eso el globo avanza en sentido contrario a la salida del aire.

b) El cohete no necesita empujar el aire de fuera: empuja sus propios gases hacia atrás y los gases lo empujan hacia delante. La interacción es entre el cohete y los gases que expulsa, así que funciona igual en el espacio.

Ejercicios

De menos a más. Intenta cada uno antes de mirar la solución.

1. Fácil
Escribe la reacción de cada fuerza (qué cuerpo la ejerce, sobre qué cuerpo actúa y su sentido):

a) El pie de una jugadora empuja el balón hacia delante. b) La Tierra atrae a la Luna. c) El martillo golpea el clavo hacia abajo. d) Un imán atrae a un clip hacia la izquierda. e) Un nadador empuja el agua hacia atrás.

Ver solución
a) Balón sobre pie, hacia atrás. b) Luna sobre Tierra (la Luna atrae a la Tierra). c) Clavo sobre martillo, hacia arriba. d) Clip sobre imán, hacia la derecha. e) Agua sobre nadador, hacia delante.
Damos la vuelta a «A sobre B» → «B sobre A», con igual módulo y sentido contrario: a) Balón sobre pie, hacia atrás (por eso duele chutar un balón muy duro). b) Luna sobre Tierra: la Luna atrae a la Tierra hacia ella (y produce las mareas). c) Clavo sobre martillo, hacia arriba: el martillo rebota. d) Clip sobre imán, hacia la derecha: el clip también atrae al imán. e) Agua sobre nadador, hacia delante: es la fuerza que lo impulsa.
2. Fácil
Di si es verdadero o falso y corrige las falsas:

a) La acción y la reacción se anulan porque son iguales y de sentido contrario. b) Si empujas una pared con 50 N, la pared te empuja con 50 N. c) La Tierra atrae a una manzana con más fuerza que la manzana a la Tierra, porque es mucho más grande. d) Primero aparece la acción y, un instante después, la reacción.

Ver solución
a) F: actúan sobre cuerpos distintos. b) V. c) F: las dos fuerzas son iguales; la Tierra se mueve muchísimo menos porque su masa es enorme. d) F: aparecen a la vez.
a) Falso: actúan sobre cuerpos distintos, así que no se pueden sumar ni anular. b) Verdadero. c) Falso: las dos fuerzas tienen el mismo módulo. La diferencia está en el efecto: como la masa de la Tierra es enorme, su aceleración es inapreciable. d) Falso: aparecen y desaparecen a la vez.
3. Media
Un caballo tira de un carro. Un alumno razona: «Por la tercera ley, el carro tira del caballo hacia atrás con la misma fuerza; las dos fuerzas se anulan y el conjunto no puede moverse». ¿Dónde está el error? ¿Por qué se mueve el caballo hacia delante?
Ver solución
Las dos fuerzas actúan sobre cuerpos distintos (una sobre el carro y otra sobre el caballo) y no se anulan. El caballo avanza porque el suelo lo empuja hacia delante con más fuerza que la que el carro tira de él hacia atrás.
El error es sumar fuerzas que actúan sobre cuerpos distintos: «caballo sobre carro» actúa sobre el carro y «carro sobre caballo», sobre el caballo.
- Sobre el carro actúan la fuerza del caballo (hacia delante) y el rozamiento (hacia atrás). Si la del caballo es mayor, el carro acelera.
- Sobre el caballo actúan la fuerza del carro (hacia atrás) y la del suelo (hacia delante: el caballo empuja el suelo hacia atrás con sus cascos y el suelo lo empuja hacia delante). Si la del suelo es mayor, el caballo avanza.
4. Media
Un chico está sobre un monopatín (masa total 60 kg), parado junto a una pared. Empuja la pared con una fuerza de 120 N.

a) ¿Qué fuerza actúa sobre el chico? ¿Quién la ejerce y hacia dónde va? b) ¿Qué aceleración adquiere mientras empuja (sin rozamiento)? c) ¿Por qué la pared no se mueve?

Ver solución
a) 120 N, la ejerce la pared, alejándolo de ella. b) 2 m/s². c) Está unida al edificio y al suelo: la masa que habría que mover es enorme y otras fuerzas la sujetan.
a) Por la tercera ley, la pared empuja al chico con 120 N, en sentido contrario (alejándolo de la pared). b) $a = \dfrac{F}{m} = \dfrac{120}{60} = 2\ \text{m/s}^2$ . c) La pared también recibe 120 N, pero forma parte del edificio, unido al suelo: sobre ella actúan otras fuerzas que equilibran el empuje, y su masa es enorme.
5. Media
Seguridad vial. Un coche de 1000 kg choca de frente con un camión de 10 000 kg. Durante el choque, el camión ejerce sobre el coche una fuerza de 50 000 N.

a) ¿Qué fuerza ejerce el coche sobre el camión? b) Calcula la aceleración de cada vehículo durante el choque. c) ¿Qué ocupantes corren más peligro? ¿Por qué?

Ver solución
a) 50 000 N, en sentido contrario. b) Coche: 50 m/s²; camión: 5 m/s². c) Los del coche: su aceleración es 10 veces mayor.
a) Por la tercera ley, el coche ejerce sobre el camión una fuerza igual, 50 000 N, de sentido contrario. b) $a_\text{coche} = \dfrac{50\,000}{1000} = 50\ \text{m/s}^2$ ; $a_\text{camión} = \dfrac{50\,000}{10\,000} = 5\ \text{m/s}^2$ . c) Los del coche: aunque la fuerza es la misma, el coche (y sus ocupantes) cambia de velocidad 10 veces más deprisa. Una aceleración tan grande produce lesiones muy graves; por eso son tan importantes el cinturón y el airbag.
6. Difícil
Pedro (70 kg) está de pie en una barca (140 kg) parada junto al muelle del Retiro. Al saltar hacia el muelle empuja la barca con una fuerza de 280 N.

a) Calcula la aceleración de Pedro y la de la barca mientras empuja (sin rozamiento). b) ¿Hacia dónde se mueve cada uno? c) ¿Por qué es fácil caerse al agua al saltar de una barca ligera?

Ver solución
a) Pedro: 4 m/s²; barca: 2 m/s². b) Pedro hacia el muelle; la barca, en sentido contrario. c) La barca se aleja del muelle y Pedro no consigue toda la velocidad que espera.
a) Las dos fuerzas son de 280 N (tercera ley): $a_\text{Pedro} = \dfrac{280}{70} = 4\ \text{m/s}^2$ ; $a_\text{barca} = \dfrac{280}{140} = 2\ \text{m/s}^2$ . b) Pedro, hacia el muelle; la barca, en sentido contrario (se aleja del muelle). c) Parte del empujón se «gasta» en mover la barca hacia atrás, que además se aleja del muelle: el salto es más corto de lo que espera y puede caer al agua. Cuanto más ligera es la barca, más se aleja.

Para practicar más

1. Fácil
Explica con la tercera ley de Newton cómo despega un cohete. ¿Qué fuerza lo impulsa hacia arriba? ¿Qué cuerpo la ejerce?

Ver solución
El cohete expulsa los gases hacia abajo (cohete sobre gases); los gases empujan el cohete hacia arriba con la misma fuerza (gases sobre cohete).
El motor quema el combustible y expulsa los gases hacia abajo a gran velocidad: es la fuerza del cohete sobre los gases. Por la tercera ley, los gases empujan el cohete hacia arriba con una fuerza igual. Si esa fuerza es mayor que el peso del cohete, la resultante va hacia arriba y el cohete despega.
2. Media
Una lámpara cuelga del techo de un cable. Sobre la lámpara actúan su peso y la fuerza del cable.

a) ¿Son estas dos fuerzas un par acción-reacción? ¿Por qué? b) Escribe la reacción de cada una.
Ver solución
a) No: las dos actúan sobre la lámpara. b) Reacción del peso: la lámpara atrae a la Tierra hacia arriba. Reacción de la fuerza del cable: la lámpara tira del cable hacia abajo.
a) No: las dos actúan sobre el mismo cuerpo (la lámpara); son iguales y opuestas porque la lámpara está en equilibrio (primera ley), no por la tercera ley. b)
- Peso = Tierra sobre lámpara (hacia abajo) → reacción: lámpara sobre Tierra (hacia arriba).
- Cable sobre lámpara (hacia arriba) → reacción: lámpara sobre cable (hacia abajo).
3. Media
Los bomberos tienen que sujetar la manguera entre dos o tres personas cuando sale el agua con mucha presión. Explica por qué con la tercera ley. ¿Qué tiene que ver con el «retroceso» de un cañón?

Ver solución
La manguera empuja el agua hacia delante y el agua empuja la manguera hacia atrás con la misma fuerza. Es el mismo fenómeno que el retroceso: el cañón empuja el proyectil y el proyectil empuja el cañón hacia atrás.
La manguera expulsa el agua con fuerza hacia delante (manguera sobre agua). Por la tercera ley, el agua empuja la manguera hacia atrás (agua sobre manguera) con una fuerza igual y grande; hacen falta varias personas para equilibrarla. En un cañón ocurre lo mismo: el cañón empuja el proyectil hacia delante y el proyectil empuja el cañón hacia atrás (retroceso). El cañón retrocede mucho menos porque tiene mucha más masa.
4. Difícil
Una manzana de 0,2 kg cae de un árbol. La Tierra la atrae con una fuerza de 1,96 N.

a) ¿Con qué fuerza atrae la manzana a la Tierra? b) La masa de la Tierra es de unos $6 \cdot 10^{24}$ kg. Calcula la aceleración de la Tierra hacia la manzana y compárala con la de la manzana (9,8 m/s²). c) ¿Por qué decimos que «la manzana cae» y no que «la Tierra sube»?

Ver solución
a) 1,96 N, hacia la manzana. b) Unos 3,3 · 10⁻²⁵ m/s², inapreciable frente a 9,8 m/s². c) Porque la aceleración de la Tierra es tan pequeña que no se nota.
a) Tercera ley: 1,96 N, hacia arriba (hacia la manzana). b) $a_\text{Tierra} = \dfrac{F}{m} = \dfrac{1{,}96}{6 \cdot 10^{24}} \approx 3{,}3 \cdot 10^{-25}\ \text{m/s}^2$ . Comparada con 9,8 m/s², es prácticamente cero. c) Las dos se atraen con la misma fuerza, pero la Tierra tiene una masa tan enorme que su aceleración es inapreciable: solo vemos moverse la manzana.
5. Media
Dos carritos, A (0,5 kg) y B (1,5 kg), llevan imanes que se repelen. Los sujetamos juntos y los soltamos a la vez. Al principio, A se aleja con una aceleración de 0,6 m/s².

a) ¿Con qué fuerza repele B al carrito A? b) ¿Con qué fuerza repele A al carrito B? c) ¿Cuál es la aceleración de B?

Ver solución
a) 0,3 N. b) 0,3 N, en sentido contrario. c) 0,2 m/s².
a) Segunda ley sobre A: $F = m_A \cdot a_A = 0{,}5 \cdot 0{,}6 = 0{,}3$ N. b) Tercera ley: A repele a B con 0,3 N, en sentido contrario. c) $a_B = \dfrac{0{,}3}{1{,}5} = 0{,}2\ \text{m/s}^2$ : B tiene el triple de masa y acelera la tercera parte.