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Panorama

La física define la fuerza como una influencia que modifica el movimiento de un cuerpo, ya sea un movimiento externo o un movimiento —como el cambio de su forma— dentro de dicho cuerpo. Por ejemplo, cuando soltamos una piedra, esta cae porque es atraída por la fuerza de gravedad de la Tierra. Cuando se produce el impacto, la piedra dobla las briznas de hierba sobre las que cae: la fuerza del peso de la piedra hace que la hierba se mueva y cambie de forma.

La fuerza es un vector, es decir, tiene un sentido. Cuando varias fuerzas actúan sobre un objeto y tiran de él en diferentes direcciones, estas fuerzas pueden estar en equilibrio, lo que significa que su suma vectorial es cero. En este caso, el objeto estaría en reposo. La piedra del ejemplo anterior puede rodar después de tocar el suelo, pero finalmente se detendrá. La fuerza de gravedad sigue atrayéndola hacia abajo; pero al mismo tiempo la fuerza normal, o fuerza de reacción del suelo, empuja la piedra hacia arriba. La suma neta de estas fuerzas es cero: están en equilibrio y la piedra no se mueve.

La unidad de fuerza del SI es el newton. Un newton corresponde a la fuerza neta que imprime una aceleración de un metro por segundo al cuadrado a un objeto con una masa de un kilogramo.

Equilibrio

Uno de los primeros científicos que investigó las fuerzas y creó un modelo de su interacción con la materia del universo fue Aristóteles. Según este modelo, si la suma vectorial neta de las fuerzas que actúan sobre un objeto es cero, las fuerzas estarán en estado de equilibrio y el objeto permanecerá inmóvil. Este modelo fue corregido posteriormente para incluir los objetos que se mueven a velocidad constante cuando las fuerzas están en equilibrio. Este tipo de equilibrio se denomina equilibrio dinámico, mientras que el del objeto en reposo se llama equilibrio estático.

Fuerzas fundamentales del universo

Las fuerzas de la naturaleza hacen que los objetos se muevan o permanezcan en su sitio. Existen cuatro fuerzas fundamentales en la naturaleza: la interacción nuclear fuerte, la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear débil y la fuerza gravitatoria. Todas las demás fuerzas son subtipos de estas cuatro. A diferencia de las fuerzas eléctricas y gravitatorias, las interacciones fuertes y débiles sólo afectan a la materia a nivel nuclear. No actúan a grandes distancias.

Interacción nuclear fuerte

Esta es la más fuerte de la cuatro. Actúa sobre los elementos del núcleo del átomo, manteniendo unidos a los neutrones y protones. Esta fuerza es transportada por los gluones y une los quarks para formar partículas más grandes. Los quarks forman neutrones, protones y otras partículas más grandes. Los gluones son partículas elementales más pequeñas que no tienen subestructura y se mueven entre los quarks como portadores de fuerza. El movimiento de los gluones crea una interacción fuerte entre los quarks. Esta es la fuerza que compone la materia en el universo.

Fuerza electromagnética

La fuerza electromagnética es la segunda más fuerte. Es una interacción entre partículas con cargas eléctricas opuestas o iguales. Cuando dos partículas tienen la misma carga, es decir, ambas son positivas o ambas negativas, se repelen. Si, por el contrario, tienen cargas opuestas, —una positiva y otra negativa— se atraen. Este movimiento de partículas que se repelen o se atraen es lo que llamamos electricidad, un fenómeno físico que utilizamos en nuestra vida cotidiana y en la mayor parte de la tecnología.

La fuerza electromagnética explica las reacciones químicas, la luz y la electricidad, así como las interacciones entre moléculas, átomos y electrones. Estas interacciones entre partículas son responsables de las formas que adoptan los objetos sólidos en el mundo. La fuerza electromagnética impide que dos objetos sólidos se penetren porque los electrones de un objeto repelen los electrones de igual carga en el otro objeto. Históricamente, las fuerzas eléctricas y magnéticas se habían tratado como influencias separadas, pero con el tiempo se descubrió que están relacionadas. La mayoría de los objetos poseen una carga neutra, pero es posible cambiar la carga de un objeto frotándolo. Cuando esto sucede, los electrones viajarán entre los dos materiales, siendo atraídos por los electrones de carga opuesta del otro material. Esto dejará más electrones de igual carga en la superficie de cada objeto, cambiando así la carga dominante del objeto en general. Por ejemplo, si uno se frota el pelo con un suéter y luego aleja este último, el pelo se levantará y «seguirá» al suéter. Esto se debe a que los electrones de la superficie del pelo son atraídos más por los átomos de la superficie del suéter que los electrones de la superficie del suéter por los átomos de la superficie del pelo. El pelo u otros objetos con carga similar también serán atraídos por las superficies con carga neutra.

Fuerza nuclear débil

La fuerza nuclear débil es más débil que la electromagnética. Al igual que los gluones transportan la interacción fuerte, los bosones W y Z llevan la fuerza débil. Los bosones son partículas elementales que se emiten o absorben. Los bosones W permiten el proceso de desintegración radiactiva, mientras que los bosones Z no afectan a las partículas con las que entran en contacto, salvo transferirles el impulso. La datación por carbono, un proceso para determinar la edad de la materia orgánica, es posible gracias a la fuerza débil. Se utiliza para determinar la edad de los artefactos históricos y se basa en la evaluación de la descomposición del carbono presente en esta materia orgánica.

Fuerza gravitatoria

La fuerza gravitatoria es la más débil de las cuatro. Mantiene los objetos astronómicos en su posición en el universo; es responsable de las mareas y hace que los objetos caigan al suelo cuando se sueltan. Es la fuerza que actúa sobre los objetos, atrayéndolos entre sí. La fuerza de esta atracción aumenta con la masa del objeto. Al igual que las demás fuerzas, se cree que está mediada por partículas —los gravitones—, pero estas partículas aún no se han detectado. La gravitación afecta al movimiento de los objetos astronómicos y este puede calcularse en función de la masa de los objetos circundantes. Esta relación permitió a los científicos predecir la existencia de Neptuno, antes que fuera visto con el telescopio, observando el movimiento de Urano. El movimiento de Urano era inconsistente con el que había sido predicho de acuerdo con los objetos astronómicos conocidos hasta ese momento; por lo que los científicos dedujeron que otro planeta, aún no visto, debía estar afectando sus patrones de movimiento.

Según la teoría de la relatividad, la gravedad también modifica el continuum espacio-tiempo —el espacio cuatridimensional en el que existe todo, incluido el ser humano—. Según esta teoría, la curvatura del espacio tiempo aumenta con la masa y, por ello, es más fácil de notar con objetos tan grandes como los planetas o de mayor masa. Esta curvatura se ha comprobado experimentalmente y puede observarse si se comparan dos relojes sincronizados, uno inmóvil y otro que se mueva una distancia considerable a través de un cuerpo de gran masa. Por ejemplo, si el reloj se mueve alrededor de la órbita de la Tierra, como en el experimento de Hafele-Keating, entonces el tiempo que marcará estará atrasado con respecto al reloj estacionario porque la curvatura del espacio tiempo hace que el tiempo transcurra más lentamente para el reloj en movimiento.

La fuerza de gravedad hace que los objetos aceleren al caer hacia otro objeto; esto se nota cuando la diferencia de masa entre ambos es grande. Esta aceleración puede calcularse en función de la masa de los objetos. Para los objetos que caen hacia la Tierra, la aceleración es de unos 9,8 metros por segundo al cuadrado.

Las mareas

Las mareas son ejemplos de la fuerza gravitatoria en acción. Son causadas por las fuerzas gravitatorias de la Luna, el Sol y la Tierra. A diferencia de los objetos sólidos, el agua puede cambiar de forma fácilmente cuando actúan fuerzas sobre ella. Por eso, cuando las fuerzas gravitatorias de la Luna y el Sol actúan sobre la Tierra, la superficie del suelo no es atraída por estas fuerzas tanto como el agua. La Luna y el Sol se mueven por el cielo y el agua de la Tierra los sigue, provocando así las mareas. Las fuerzas que actúan sobre el agua se llaman fuerzas de marea y son una variante de las fuerzas gravitacionales. La Luna, al estar más cerca de la Tierra, ejerce una fuerza de marea mayor que la del Sol. Cuando las fuerzas de marea del Sol y de la Luna actúan en la misma dirección, la marea alcanza su valor más fuerte y se denomina marea viva. Cuando estas dos fuerzas se oponen, la marea es más débil y se denomina marea muerta.

Las mareas se producen con una frecuencia diferente según la zona geográfica. Como las fuerzas gravitatorias de la Luna y el Sol atraen tanto el agua como todo el planeta Tierra, en algunas zonas las mareas se producen tanto cuando las fuerzas gravitatorias atraen el agua y la Tierra en la misma dirección como cuando lo hacen en direcciones opuestas. En este caso, el par de mareas altas y bajas ocurrirá dos veces en el mismo día. En algunas zonas, esto ocurre sólo una vez al día. Los patrones de las mareas costeras dependen de la forma de la costa, de los patrones de las mareas profundas del océano y de la ubicación de la Luna y el Sol, así como de la interacción de sus fuerzas gravitatorias. En algunos lugares, el tiempo que transcurre entre mareas puede durar hasta varios años. Dependiendo de la línea de costa y de la profundidad del océano, las mareas pueden provocar corrientes, tormentas, cambios en los patrones de viento y fluctuaciones en la presión atmosférica. Algunos lugares utilizan relojes especiales para calcular cuándo se producirá la próxima marea. Estos relojes están configurados en función de las mareas que se producen en la zona y deben reconfigurarse cuando se trasladan a otro lugar. En algunas zonas, los relojes de marea no son eficaces porque allí las mareas no se pueden predecir fácilmente.

La fuerza de las mareas que mueve el agua hacia y desde la costa se utiliza a veces para generar energía. Los molinos de marea han empleado esta fuerza durante siglos. La estructura básica de estos molinos consta de un depósito de agua. El agua entra cuando la marea sube y sale cuando la marea baja. La energía cinética del agua que fluye mueve la rueda del molino y la energía generada se utiliza para realizar un trabajo, por ejemplo, para convertir los granos de trigo en harina. Aunque este sistema no está exento de problemas, como los peligros para el ecosistema donde se construye el molino, este método de generación de energía tiene potencial porque es una fuente de energía renovable y fiable.

Fuerzas no fundamentales

Las fuerzas que se derivan de las fundamentales se denominan fuerzas no fundamentales.

Fuerza normal

Una de las fuerzas no fundamentales es la fuerza normal, que actúa perpendicularmente a la superficie del objeto y empuja en sentido contrario, oponiendo resistencia a la presión de otros objetos. Cuando un objeto se coloca sobre una superficie, la magnitud de la fuerza normal es igual a la fuerza neta que presiona contra la superficie. En una superficie plana, cuando las fuerzas distintas de la gravedad están en equilibrio, la fuerza normal es igual a la fuerza de gravedad en magnitud, pero con sentido contrario. La suma vectorial de las dos fuerzas es entonces cero y el objeto está inmóvil o se mueve a velocidad constante. Cuando el objeto está en una pendiente y las demás fuerzas están en equilibrio, la sumatoria de las fuerzas gravitatoria y normal apunta hacia abajo (pero no directamente hacia abajo, perpendicular al horizonte) y el objeto se desliza a lo largo de la pendiente.

Rozamiento

El rozamiento es una fuerza paralela a la superficie de un objeto y opuesta a su movimiento. Se produce cuando dos objetos se deslizan el uno contra el otro (rozamiento cinético) o cuando un objeto inmóvil se coloca sobre una superficie inclinada (rozamiento estático). Esta fuerza se emplea cuando se ponen en movimiento los objetos, por ejemplo, las ruedas se agarran al suelo debido al rozamiento. Sin rozamiento las ruedas no podrían propulsar los vehículos. El rozamiento entre el caucho de los neumáticos y el suelo es lo suficientemente fuerte como para garantizar que los neumáticos no se deslicen por el terreno y permite el movimiento de rodadura y un mejor control de la dirección del mismo. El rozamiento de un objeto rodante —rozamiento de rodadura o resistencia a la rodadura— no es tan fuerte como el rozamiento seco entre dos objetos que se deslizan uno contra otro. El rozamiento se emplea en la detención por medio de los frenos: las ruedas de un vehículo frenan gracias al rozamiento seco en los frenos de disco o de tambor. En algunos casos el rozamiento es indeseable porque ralentiza el movimiento y desgasta los componentes mecánicos. Para minimizar el rozamiento se utilizan líquidos o superficies lisas.

Cosas interesantes sobre las fuerzas

Las fuerzas pueden deformar objetos sólidos o modificar el volumen y la presión en líquidos y gases. Esto ocurre cuando las fuerzas se aplican de forma desigual a diferentes partes del objeto o sustancia. En algunos casos, cuando se aplica una fuerza suficiente a un objeto pesado, este puede comprimirse hasta convertirse en una esfera muy pequeña. Si esta esfera es lo suficientemente pequeña, menor que un determinado radio, entonces se puede formar un agujero negro. Este radio se denomina radio de Schwarzschild. Varía en función de la masa del objeto y puede calcularse mediante una fórmula. El volumen de esta esfera es tan pequeño que, comparado con la masa del objeto, es casi cero. Como la masa de los agujeros negros está tan condensada, ejercen una atracción gravitatoria extremadamente alta, de modo que los demás objetos —incluida la luz— no pueden escapar de ellos. Los agujeros negros no reflejan ninguna luz, por lo que parecen completamente negros. Por eso se llaman agujeros negros. Los científicos consideran que las grandes estrellas, al final de su vida, se convierten en agujeros negros y pueden aumentar su masa absorbiendo otros objetos que se encuentren dentro de un radio determinado.

Referencias

Este artículo fue escrito por Kateryna Yuri.

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Fuerza

En física, una fuerza es cualquier influencia que hace que un objeto experimente un cambio determinado, ya sea en cuanto a movimiento, dirección o construcción geométrica. Se mide en newtons, una unidad del sistema internacional. En otras palabras, una fuerza es aquello que provoca que un cuerpo con masa cambie su velocidad —que acelere— o que un objeto flexible se deforme.

La unidad de fuerza en el SI es el newton (N), que es la fuerza requerida para imprimir a un cuerpo con una masa de un kilogramo una aceleración de un metro por segundo cuadrado: kg·m·s⁻². La unidad correspondiente del sistema cegesimal es la dina —fuerza requerida para imprimir una aceleración de un centímetro por segundo cuadrado a un objeto de un gramo de masa: g·cm·s⁻²—.

Utilización del Fuerza Conversor

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Nota: Los enteros (números sin punto decimal ni exponente de notación) se consideran precisos hasta de 15 dígitos y el número máximo de dígitos después del punto decimal es 10.

En esta calculadora, la notación E se utiliza para representar los números que son demasiado pequeños o demasiado grandes. La notación E es un formato alternativo de la notación científica a · 10^x.Por ejemplo: 1.103.000 = 1.103 · 10⁶ = 1.103E+6. Aquí la E (de exponente) representa "· 10^ ", que es" elevado diez veces a la potencia de". La notación E se utiliza comúnmente en calculadoras y por científicos, ingenieros y matemáticos.

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