La física define la fuerza como una influencia que cambia el movimiento de un cuerpo, ya sea el movimiento externo o el movimiento dentro del cuerpo, como cambiar su forma. Por ejemplo, cuando se libera una piedra, se cae porque es arrastrada por la fuerza de gravedad de la Tierra. Durante el impacto, dobla las hojas de hierba sobre las que cae: la fuerza del peso de la piedra hace que se muevan y cambien de forma.
La fuerza es un vector, lo que significa que tiene una dirección. Cuando varias fuerzas actúan sobre un objeto y lo tiran 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 eventualmente se detendrá. La fuerza de gravedad sigue tirando de ella 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 acelera un objeto con la masa de un kilogramo por un metro por segundo cuadrado.
Equilibrio
Uno de los primeros científicos en investigar las fuerzas y crear un modelo de su interacción con la materia en el universo fue Aristóteles. De acuerdo con su modelo, si la suma vectorial neta de las fuerzas que actúan sobre un objeto es cero, las fuerzas están en estado de equilibrio y el objeto es estacionario. Este modelo fue corregido posteriormente para incluir objetos que se movían a una velocidad constante cuando las fuerzas estaban en equilibrio. Este tipo de equilibrio se llama equilibrio dinámico, mientras que el que tiene el objeto en reposo se llama equilibrio estático.
Fuerzas fundamentales en el Universo
Fuerzas en la naturaleza hacen que los objetos se muevan o permanezcan en su lugar. Hay cuatro fuerzas fundamentales en la naturaleza: fuerte, electromagnética, débil y gravitacional. Todas las demás fuerzas son subconjuntos de estas cuatro. A diferencia de las fuerzas eléctricas y gravitacionales, las fuerzas fuertes y débiles afectan a la materia solo a nivel nuclear. No trabajan a grandes distancias.
Fuerza
fuerza Fuerte es la más fuerte de las cuatro fuerzas. Actúa sobre los elementos del núcleo del átomo, manteniendo neutrones y protones juntos. Esta fuerza es llevada por los gluones y une a 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 quarks como portadores de fuerza. El movimiento de los gluones crea una fuerza fuerte entre los quarks. Esta es la fuerza que compone la materia en el universo.
Fuerza electromagnética
La fuerza electromagnética es la segunda fuerza 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 entre sí. Si, por otro lado, tienen la carga opuesta, donde uno es positivo y otro es negativo, se sienten atraídos el uno al otro. Este movimiento de partículas, que son repelidas o atraídas por otras partículas, es electricidad, un fenómeno físico que usamos en nuestra vida diaria y en la mayoría de la tecnología.
La fuerza electromagnética puede explicar reacciones químicas, luz y electricidad, así como interacciones entre moléculas, átomos y electrones. Estas interacciones entre partículas son responsables de las formas que los objetos sólidos toman en el mundo. La fuerza electromagnética impide que dos objetos sólidos se impregnen entre sí porque los electrones de un objeto repelen los electrones de la misma carga del otro objeto. Históricamente, las fuerzas eléctricas y magnéticas fueron tratadas como influencias separadas, pero finalmente se descubrió que estaban relacionadas. La mayoría de los objetos tienen una carga neutra, pero es posible cambiar la carga de un objeto frotando dos objetos juntos. Los electrones viajarán entre los dos materiales, siendo atraídos por los electrones con carga opuesta en el otro material. Esto dejará más de los mismos electrones de carga en la superficie de cada objeto, cambiando así la carga dominante del objeto en general. Por ejemplo, si se frota el cabello con un suéter y luego se quita el suéter, el cabello se levantará y «seguirá» al suéter. Esto es debido a que los electrones en la superficie del cabello se atraen más a los átomos en la superficie del suéter de electrones en la superficie de los suéteres son atraídos por los átomos en la superficie del cabello. El cabello u otros objetos con carga similar también serán atraídos a las superficies con carga neutra.
Fuerza débil
La fuerza débil es más débil que la electromagnética. Al igual que los gluones llevan la fuerza fuerte, los bosones W y Z llevan la fuerza débil. Son partículas elementales que se emiten o absorben. Los bosones W facilitan el proceso de desintegración radiactiva, mientras que los bosones Z no afectan a las partículas con las que entran en contacto, aparte de transferir el momento. La datación por carbono, un proceso para determinar la edad de la materia orgánica, es posible debido a la fuerza débil. Se utiliza para establecer la edad de los artefactos históricos y se basa en la evaluación de la descomposición del carbono presente en esta materia orgánica.
Fuerza Gravitacional
La fuerza gravitacional es la más débil de las cuatro. Mantiene a los objetos astronómicos en sus posiciones en el universo, es responsable de las mareas y hace que los objetos caigan al suelo cuando se liberan. Es la fuerza que actúa sobre los objetos, atrayéndolos unos a otros. La fuerza de esta atracción aumenta con la masa del objeto. Al igual que las otras fuerzas, se cree que está mediada por partículas, gravitones, pero estas partículas aún no se han detectado. La gravitación afecta la forma en que se mueven los objetos astronómicos, y el movimiento se puede calcular, en función de la masa de los objetos circundantes. Esta dependencia permitió a los científicos predecir la existencia de Neptuno observando el movimiento de Urano antes de que Neptuno fuera visto en el telescopio. Esto se debió a que el movimiento de Urano era inconsistente con su movimiento predicho, basado en los objetos astronómicos conocidos en ese momento, por lo que los científicos dedujeron que otro planeta, aún invisible, debe estar afectando sus patrones de movimiento.
De acuerdo con la teoría de la relatividad, la gravedad también cambia el continuo espacio-tiempo, el espacio de cuatro dimensiones, en el que todo, incluidos los humanos, existe. Según esta teoría, la curvatura del espacio-tiempo aumenta con la masa, y debido a eso, es más fácil de notar con objetos tan grandes como planetas o de mayor masa. Esta curvatura se demostró experimentalmente y se puede ver cuando se comparan dos relojes sincronizados, donde uno está estacionario y otro se mueve a una distancia considerable a lo largo de un cuerpo con una 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 muestra estará detrás del reloj estacionario, porque la curvatura del espacio-tiempo hace que el tiempo corra más lento para el reloj en movimiento.
La fuerza de gravedad hace que los objetos se aceleren al caer hacia otro objeto, y esto se nota cuando la diferencia de masa entre los dos es grande. Esta aceleración se puede calcular en función de la masa de los objetos. Para los objetos que caen hacia la Tierra, es de aproximadamente 9,8 metros por segundo al cuadrado.
Mareas
Las mareas son ejemplos de fuerza gravitacional en acción. Son causadas por las fuerzas gravitacionales de la Luna, el Sol y la Tierra. A diferencia de los objetos sólidos, el agua puede cambiar de forma fácilmente cuando las fuerzas actúan sobre ella. Por lo tanto, cuando las fuerzas gravitacionales de la Luna y el Sol actúan sobre la Tierra, la superficie del suelo no es atraída por estas fuerzas tanto como lo hace el agua. La Luna y el Sol se mueven a través del cielo, y el agua de la Tierra los sigue, causando mareas. Las fuerzas que actúan sobre el agua se llaman fuerzas de marea; son una variedad de fuerzas gravitacionales. La Luna, al estar más cerca de la Tierra, tiene una fuerza de marea más fuerte en comparación con el Sol. Cuando las fuerzas de marea del Sol y la Luna actúan en la misma dirección, la marea es la más fuerte y se llama marea de primavera. Cuando estas dos fuerzas están en oposición, la marea es la más débil y se llama marea neap.
Las mareas ocurren con una frecuencia diferente dependiendo del área geográfica. Debido a que la gravedad de la Luna y el Sol atrae tanto al agua como a todo el planeta Tierra, en algunas áreas las mareas ocurren tanto cuando la fuerza gravitacional atrae al agua y a la Tierra en la misma dirección o en direcciones diferentes. En este caso, el par de marea alta y baja ocurre dos veces en un día. En algunas áreas, esto sucede solo una vez al día. Los patrones de marea en la costa dependen de la forma de la costa, los patrones de marea del océano profundo y la ubicación de la Luna y el Sol, así como la interacción de sus fuerzas gravitacionales. En algunos lugares, la duración del tiempo entre mareas puede durar hasta varios años. Dependiendo de la costa y la profundidad del océano, las mareas pueden causar corrientes, tormentas, cambios en los patrones de viento y fluctuaciones en la presión del aire. Algunos lugares usan relojes especiales para calcular cuándo ocurrirá la próxima marea. Se configuran en función de las ocurrencias de marea en el área y deben reconfigurarse cuando se trasladan a otra ubicación. En algunas áreas, los relojes de marea no son efectivos porque las mareas no se pueden predecir fácilmente allí.
La fuerza de marea que mueve el agua hacia y desde la costa a veces se usa para generar energía. Los molinos de marea han utilizado esta fuerza durante siglos. La construcción básica tiene un depósito de agua, y el agua se deja entrar con marea alta y salir con marea baja. La energía cinética del agua que fluye mueve la rueda del molino, y la energía generada se utiliza para realizar trabajos, por ejemplo, moler granos en harina. Si bien hay una serie de problemas con este sistema, incluidos los peligros para el ecosistema donde se construye este molino, este método de generación de energía tiene potencial, porque es una fuente de energía renovable y confiable.
Fuerzas no fundamentales
Las fuerzas que son derivadas de las fuerzas 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 hacia afuera, resistiendo la presión de otros objetos. Cuando se coloca un objeto en una superficie, la magnitud de la fuerza normal es igual a la fuerza neta que presiona contra la superficie. En una superficie plana, cuando fuerzas distintas de la gravedad están en equilibrio, la fuerza normal es igual a la fuerza gravitacional en magnitud y opuesta en dirección. La suma vectorial de las dos fuerzas es entonces cero y el objeto está estacionario o en movimiento a una velocidad constante. Cuando el objeto está en una pendiente y otras fuerzas están en equilibrio, la suma de las fuerzas gravitacionales y normales apunta hacia abajo (pero no directamente hacia abajo, perpendicular al horizonte), y el objeto se desliza hacia abajo, a lo largo de la pendiente.
Fricción
La fricción es una fuerza paralela a la superficie de un objeto y opuesta a su movimiento. Ocurre cuando dos objetos se deslizan uno contra el otro (fricción cinética), o cuando un objeto estacionario se coloca sobre una superficie inclinada (fricción estática). Esta fuerza se emplea al poner objetos en movimiento, por ejemplo, el agarre de las ruedas al suelo debido a la fricción. Sin él, no habrían sido capaces de propulsar vehículos. La fricción entre la goma de los neumáticos y el suelo es lo suficientemente fuerte como para garantizar que los neumáticos no se deslicen a lo largo del suelo y permite el movimiento de rodadura y un mejor control de la dirección del movimiento. La fricción de un objeto rodante, la fricción de rodadura o la resistencia a la rodadura, no es tan fuerte como la fricción seca de dos objetos que se deslizan entre sí. La fricción se utiliza para detener con el uso de frenos: las ruedas de un vehículo se ralentizan por la fricción seca en los frenos de disco o de tambor. En algunos casos, la fricción no es deseable porque ralentiza el movimiento y desgasta los componentes mecánicos. Se utilizan líquidos o superficies lisas para minimizar la fricción.
Datos interesantes sobre las fuerzas
Las fuerzas pueden deformar objetos sólidos o cambiar el volumen y la presión en líquidos y gases. Esto sucede cuando las fuerzas se aplican de manera desigual a diferentes partes del objeto o sustancia. En algunos casos, cuando se aplica suficiente fuerza a un objeto pesado, se puede comprimir en una esfera muy pequeña. Si esta esfera es lo suficientemente pequeña, más pequeña que un radio determinado, entonces se puede formar un agujero negro. Este radio se llama radio Schwarzschild. Varía en función de la masa del objeto y se puede calcular utilizando una fórmula. El volumen de esta esfera es tan pequeño, que en comparación con la masa del objeto, es casi cero. Debido a que la masa de los agujeros negros está tan condensada, tienen una atracción gravitacional extremadamente alta, de modo que otros objetos no pueden escapar de ella, ni tampoco la luz. Los agujeros negros no reflejan ninguna luz, por lo que parecen ser completamente negros. Por eso se les llama agujeros negros. Los científicos creen que las estrellas grandes al final de su vida se convierten en agujeros negros y pueden crecer en masa absorbiendo otros objetos que están dentro de un radio dado.
