Hola Jay, esta pregunta apunta a una relación fundamental de movimiento y masa en física.
En primer lugar, debe tener en cuenta la primera ley del movimiento de Newton. Dice que si las cosas están a velocidad constante, continuarán teniendo esa velocidad en ausencia de una fuerza externa. Es decir, las cosas que se mueven en línea recta continuarán moviéndose de la misma manera hasta que algo que ejerza una fuerza lo cambie. Esto se aplica cuando la velocidad es igual a cero, lo que significa que las cosas en reposo permanecen en reposo hasta que una fuerza hace que se muevan.
(Recuerde, esto es en ausencia de fuerzas externas. En la vida real, un tren en movimiento tiene fuerzas que lo ralentizan, a saber, la fricción y la resistencia al aire, por lo que debe ser impulsado por una fuerza proporcionada por el motor. Pero en una situación ideal , las cosas que se mueven en línea recta tienden a seguir moviéndose de la misma manera. Especifico una línea recta, ya que de lo contrario se está acelerando).
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Ya conoces la segunda ley del movimiento de Newton, f = ma. Entonces, para un tren que se mueve a velocidad constante en un entorno ideal sin fricción, etc., no hay fuerza. Si la velocidad no cambia, no hay aceleración, ya que la aceleración es el cambio en la velocidad con el tiempo. Este cambio puede ser en magnitud (cambios de velocidad) o en dirección, incluso sin un cambio de velocidad. Por lo tanto, la aceleración es cero y no hay fuerza.
Sin embargo, hay una gran cantidad de impulso, es decir p = mv, el producto de la masa y la velocidad. La velocidad no es cero, eso se da en el enunciado del problema, por lo que el impulso, p, no es cero. De hecho, es grande, ya que la masa, m, es enorme para un tren y la velocidad, v, tiene una gran magnitud (velocidad). Entonces, si entiendes la Primera Ley de Newton, puedes ver por qué algo puede tener un gran impulso en ausencia de fuerza. Para detener el tren y hacer que su velocidad sea cero, la mosca debe tener un impulso opuesto.
Recuerde, la velocidad y, por lo tanto, el momento son cantidades vectoriales. Eso significa que, además de su magnitud, tienen dirección. Por lo tanto, la velocidad de la mosca debe ser tal que el producto de su velocidad y masa (pequeña) debe ser igual al producto de la velocidad y masa del tren. Y su velocidad (velocidad y dirección) debe tener una dirección exactamente opuesta al tren.
Por lo tanto, en una situación ideal, como una partícula en movimiento en el espacio exterior donde prácticamente no hay fricción, fuerzas gravitacionales, etc., no se requiere fuerza para ir a toda velocidad a toda velocidad. Tendrá un impulso igual al producto de su velocidad y masa. Una partícula con momento opuesto puede detenerlo, lo que en realidad resulta en una fuerza, ya que la velocidad cambia.
**** Entonces, aunque no hay fuerza mientras el tren se mueve sin ser molestado, existe una fuerza resultante de la colisión de la mosca y el tren. ****
La fuerza es, una vez más, descrita por la segunda ley, f = ma. En el proceso de detención, hay una aceleración ya que la velocidad cambia con el tiempo. De hecho, la aceleración, a, se describe a = dv / dt (a y v son vectores aquí). Es decir, dv / dt es el cambio en la velocidad a lo largo del tiempo en el límite en que dt (cambio en el tiempo) llega a cero. Si esto es demasiado cálculo minucioso, no se preocupe. Todo lo que tiene que darse cuenta es que el tren no se detiene instantáneamente, se detiene bastante rápido, pero a medida que el tren se derrumba en cuestión de unos cientos de milisegundos, su velocidad va de alto a cero. Por lo tanto, el cambio en la velocidad no se divide por el tiempo cero, por lo que la fuerza no es infinita, es solo una gran cantidad.