Interacciones fundamentales

Hemos clasificado las interacciones como por contacto o a distancia y por tanto las fuerzas como de contacto o a distancia. Actualmente los físicos consideran que todas las interacciones pueden reducirse a cuatro básicas o fundamentales: la gravitatoria, la electromagnética, la nuclear fuerte y la nuclear débil.

Imagen 13 del CERN de dominio publico

La interacción gravitatoria es muy débil, atractiva, de alcance infinito y actúa sobre los cuerpos por el hecho de tener masa. Para que sea observable es necesario que uno de los cuerpos tenga masa muy grande. Es la responsable de los movimientos de los astros y de la caída de los cuerpos.

La interacción electromagnética es mucho más intensa que la gravitatoria, atractiva o repulsiva, de alcance infinito y actúa entre cuerpos cargados eléctricamente. Es la responsable de la estructura de la materia.

La interacción nuclear fuerte es la más intensa, atractiva, de corto alcance y actúa en el interior de los núcleos. Es la responsable de la estabilidad del núcleo ya que mantiene unidos a los protones y los neutrones.

La interacción nuclear débil es la responsable de algunos fenómenos radiactivos (desintegración β). De muy corto alcance, actúa en el interior del núcleo.

¿Qué son las fuerzas a distancia?

Las fuerzas a distancia o fuerzas de acción a distancia, como también se las conoce, son aquellas que no necesitan que los objetos con los que interactúan estén en contacto físico. De allí deriva su nombre.

El peso es la fuerza a distancia más conocida y familiar de todas porque actúa en cada situación cotidiana imaginable, pero también están las fuerzas eléctricas y magnéticas.

Por ejemplo, una manzana caerá del árbol porque se encuentra cerca de la superficie de la Tierra y esta ejerce siempre una fuerza de atracción sobre ella, sea que esté suspendida del árbol a cierta altura, que se encuentre encima de una mesa o simplemente esté sobre el suelo. El peso de la manzana actúa siempre y hace que la manzana caiga en cuanto la oportunidad se presente.

En esto las fuerzas a distancia se diferencian de las fuerzas de contacto, porque estas sí requieren el contacto entre superficies para manifestar su acción. El rozamiento es una de las fuerzas de contacto más frecuente y no hay problema alguno en que las fuerzas de contacto actúen conjuntamente con las fuerzas de distancia sobre un mismo cuerpo.

El peso es la principal fuerza a distancia que se conoce, o por lo menos la más familiar para todos, pero hay otras, como la fuerza electrostática, la fuerza magnética y las fuerzas nucleares fuerte y débil, que actúan a nivel del átomo y el núcleo atómico.

Características de las fuerzas a distancia

Las principales características de las fuerzas a distancia son:

-No requieren que los objetos que interactúan se encuentren en contacto directo.

-Tienen asociado un campo de fuerza que sirve como mediador para la interacción.

Isaac Newton no tuvo problema en establecer la acción a distancia como la forma en que la gravedad actúa sobre la manzana que cae. Aunque Newton pensaba concretamente en la gravedad, y no en la interacción eléctrica o la interacción magnética que tampoco requieren contacto entre cuerpos.

Sin embargo, hay pequeño un inconveniente con esto, ya que la acción a distancia implica que la información entre los objetos fluye instantáneamente. Así, el cuerpo que ejerce la fuerza siempre detecta la posición del otro objeto en todo momento, pero la cuestión es que ninguna información puede viajar más rápido que la luz en el vacío.

El concepto de campo de fuerzas

El hecho de que nada viaja más deprisa que la luz en el vacío llevó a la creación del concepto de campo de fuerzas, a través del cual ocurre la interacción.

El físico inglés Michael Faraday fue el primero en definir un campo de fuerzas, esta vez pensando en la interacción electromagnética, aunque la idea se extiende a otras fuerzas que actúan sin necesidad de contacto directo.

Así por ejemplo, el campo gravitatorio terrestre es el que actúa como mediador entre la Tierra y la manzana, y es a través del campo que esta última percibe la masa de la Tierra y es atraída hacia ella.

Por eso algunos autores prefieren llamar a las fuerzas de distancia como fuerzas de campo (field force en inglés), siendo el campo una entidad vectorial relacionada con la fuerza y a cargo de establecer la interacción entre los objetos en cada punto del espacio. Gracias al campo de fuerza, el objeto que lo produce no tiene necesidad de enterarse siquiera de que está afectando a otro.

Ejemplos de fuerzas a distancia

Las fuerzas que se describen brevemente a continuación forman parte de las interacciones fundamentales de la naturaleza. Las más familiares, como se dijo, son la gravedad y las fuerzas electromagnéticas.

Sin embargo, el papel de las fuerzas nucleares fuerte y débil es fundamental en la estabilidad de la materia, sin ellas no existiría el universo como lo conocemos.

La gravedad

La fuerza de gravedad surge entre dos objetos que posean masa y siempre es de atracción. Se llama peso, cuando el objeto que la ejerce es la Tierra y el que la recibe está cerca de la superficie, pero existe entre  cualquier par de objetos con masa, aunque si la masa de los objetos es muy pequeña, la fuerza de atracción entre ambos no sea evidente.

Es de largo alcance, por eso la fuerza de gravedad se manifiesta poderosamente a escala cósmica: gracias a ella el Sol mantiene a los planetas y demás objetos del Sistema Solar en sus respectivas órbitas.

Asimismo es la fuerza primordial gracias a la cual se forman los cuerpos celestes como las estrellas y los planetas, el Sol y la Tierra incluidos.

La fuerza electrostática

Esta fuerza hace su aparición entre objetos que tienen carga eléctrica y puede ser de atracción o de repulsión. Hay dos tipos de carga: positiva y negativa. En el átomo, los protones en el núcleo poseen carga positiva, mientras que los electrones la tienen negativa.

Por lo general el átomo es neutro, lo cual significa que el número de protones iguala al de los electrones, pero a veces la materia se ioniza, es decir, adquiere exceso de electrones o los pierde. En tal caso existe una carga neta, la cual puede interactuar con otras cargas.

La existencia de la fuerza electrostática es fácil de comprobar: basta con peinarse con un peine de plástico y acercarlo a pedacitos de papel o de confeti. De inmediato se ve que el peine atrae los trocitos de papel.

La fuerza magnética

Los antiguos griegos conocían, a través del testimonio de Tales de Mileto, un mineral abundante en las colinas de la ciudad de Magnesia en Asia Menor, capaz de atraer trozos de minerales a base de hierro o níquel. Este mineral es un óxido de hierro llamado magnetita, el cual a su vez puede magnetizar a otros minerales susceptibles y transformarlos en un imán.

Los imanes desvían la brújula y también un alambre por el que circula una corriente eléctrica se comporta como un imán. De hecho, el magnetismo está asociado a las cargas eléctricas en movimiento.

La polaridad es una característica de los imanes, hay de dos tipos: polo norte y polo sur. Los polos opuestos se atraen y los polos iguales se repelen, pero a diferencia de las cargas eléctricas, en la naturaleza nunca se encuentran separados, los imanes siempre son dipolos.

Las fuerzas nucleares fuerte y débil

Estas fuerzas no son observables fácilmente, pero tienen la importante misión de mantener cohesionado el núcleo atómico, muy necesaria si se considera que el núcleo está conformado por protones, que al ser todos de carga positiva experimentan repulsión eléctrica.

Son fuerzas de corto alcance, ya que solamente actúan a distancias semejantes al tamaño del núcleo atómico, aproximadamente del orden de 10-15 m, una distancia sumamente pequeña.

Todas las fuerzas a distancia son muy importantes, porque en su acción se compaginan para darle forma al universo conocido.

Te explicamos qué es una fuerza, sus unidades y cómo se clasifica esta magnitud. Además, sus características generales, propiedades y más.

¿Qué es la fuerza?

La fuerza es todo agente con capacidad para modificar la cantidad de movimiento o la forma de los materiales. Lo que mide la fuerza, en tanto magnitud vectorial, es la intensidad de las interacciones entre dos partículas o sistemas de partículas.

Se distingue de los conceptos de trabajo (que existe cuando una fuerza actúa sobre un cuerpo generando su desplazamiento) y de energía (que es una medida de la capacidad que tiene una partícula o cuerpo de generar trabajo).

Isaac Newton inventó el primer instrumento para medir fuerzas, denominado dinamómetro. Dado que el peso es una forma de fuerza, también es utilizado para pesar objetos.

Ver además: Leyes de Newton

Unidades de fuerza

Existen diferentes formas de medir la fuerza, según los diversos sistemas:

• Sistema Internacional de Unidades. En este sistema, la masa se mide en kilogramos y la aceleración en metros sobre segundos al cuadrado. Así, la fuerza se mide en Newtons (N), siendo un Newton igual a un kilogramo por metro sobre segundos al cuadrado (kg.m/s2).
• Sistema Técnico. Este sistema mide la fuerza según unidades técnicas de masa (u.t.m.), sin depender de otras magnitudes. Por eso es una unidad fundamental. La medida de fuerza en este sistema es el kilogramo-fuerza (kgf).
• Sistema Cegesimal de Unidades. Su medida de fuerza es el dina (dyn).
• Sistema anglosajón de unidades. Su medida de fuerza es la libra fuerza (lbf).

Tipos de fuerza

Entre los diversos tipos de fuerza, los principales son:

• Fuerza gravitatoria. Es la fuerza de atracción entre dos cuerpos. Depende de la distancia entre ambos y de sus masas.
• Fuerza electromagnética. Repercute sobre los cuerpos que están cargados eléctricamente. Entre los cuerpos cargados con cargas opuestas existe una fuerza que los atrae, mientras que entre los cuerpos cargados con cargas iguales existe una fuerza que los repele. La fuerza electromagnética interviene en transformaciones físicas y químicas de átomos y moléculas.
• Fuerza nuclear fuerte. Mantiene unidos los componentes de los núcleos atómicos: los neutrones y los protones.
• Fuerza nuclear débil. Es la responsable, entre otras cosas, de los decaimientos beta del núcleo atómico.
• Fuerza de rozamiento estática. Es la resistencia que ofrece un cuerpo para ser movido, es igual (pero en sentido contrario) a la fuerza mínima necesaria para moverlo.
• Fuerza elástica. Es la capacidad que tienen determinados objetos para recuperar su forma original al ser deformados. Por ejemplo, los resortes. La fuerza elástica depende de ciertas propiedades físicas de los objetos.
• Fuerza de rozamiento. Cuando un objeto se mueve sobre otro, la resistencia que el segundo ofrece al movimiento del primero se denomina fuerza de rozamiento.
• Fuerza normal. Es la fuerza que la superficie sobre la que se apoya un cuerpo ejerce sobre él. Su dirección es perpendicular a la superficie.
• Fuerza de empuje. Los fluidos (líquidos o gases) ejercen una fuerza de empuje a los cuerpo que están sumergidos en ellos. Esta fuerza tiene dirección vertical y sentido hacia arriba.

Propiedades de la fuerza

Debido a que es una magnitud vectorial, toda fuerza tiene cuatro propiedades:

• Intensidad. Es la cantidad de fuerza ejercida.
• Dirección. Toda fuerza se ejerce en el espacio, con algún ángulo o inclinación con respecto a un sistema de referencia.
• Sentido. Cuando dos objetos ejercen fuerzas uno sobre el otro, la dirección de ambas fuerzas puede ser igual, pero su sentido opuesto (por ejemplo, una fuerza se ejerce de arriba hacia abajo mientras que la otra fuerza se ejerce desde abajo hacia arriba).
• Punto de aplicación. Es la superficie o punto donde se aplica la fuerza.

Sistemas de fuerza

Existe un sistema de fuerzas cuando varias fuerzas actúan al mismo tiempo sobre un mismo cuerpo. De la interacción de cada una de estas fuerzas (componentes) resulta una única fuerza que se denomina Fuerza Resultante. Estos sistemas pueden ser de:

• Fuerzas colineales. Las fuerzas se aplican sobre la misma recta, es decir, tienen la misma dirección, pero pueden tener el mismo sentido o no.
• Fuerzas paralelas. Las fuerzas no se aplican sobre la misma recta pero sobre rectas paralelas. Si tienen el mismo sentido, la fuerza resultante será la sumatoria de todas ellas. Si tienen el sentido contrario deberán restarse.
• Congruentes angulares. Las fuerzas tienen direcciones distintas pero se cruzan en un punto.

Fuerza a distancia y de contacto

Las fuerzas que los cuerpos ejercen unos sobre otros se distinguen en:

• Fuerzas de contacto. Son todas las fuerzas que se ejercen a través del contacto entre dos objetos. Por ejemplo, la fuerza de rozamiento.
• Fuerzas a distancia. Son aquellas que se ejercen incluso cuando los objetos están distanciados entre sí. Por ejemplo, la fuerza gravitatoria y la fuerza electromagnética.

Momento lineal de la fuerza

La fuerza mide la intensidad de las interacciones entre dos partículas o sistemas de partículas y se calcula como la masa de un cuerpo por su aceleración. El momento lineal es el producto de la masa por la velocidad. También se lo denomina cantidad de movimiento.

Efectos estáticos y dinámicos de la fuerza

Los efectos de una fuerza pueden ser:

• Efectos estáticos. Se dan cuando una fuerza deforma los cuerpos.
• Efectos dinámicos. Se dan cuando una fuerza modifica la velocidad de un cuerpo.

Efectos de la fuerza sobre diferentes tipos de cuerpo

Cada objeto tiene características físicas que los hacen reaccionar de formas diferentes ante determinadas fuerzas:

• Cuerpos elásticos. Se deforman al aplicarles una fuerza, pero vuelven a su estado inicial al dejar de aplicarla.
• Cuerpos plásticos. Se deforman al aplicarles una fuerza y no pueden recuperar su estado inicial.
• Cuerpo sólidos. No se deforman o modifican por las fuerzas aplicadas, a menos que la fuerza sea lo bastante intensa como para romperlos.

Las interacciones entre estos diversos objetos dependen de las propiedades (intensidad, dirección, sentido y punto de aplicación) del par de fuerzas involucradas. Por ejemplo, una pelota de goma (elástico) que choca contra una pared (sólido) es momentáneamente deformada en el instante en que choca con la pared y luego la fuerza de reacción de la pared sobre la pelota cambiará su dirección.

Duración de la fuerza

Dependiendo de la duración de la aplicación de las fuerzas, se clasifican en:

• Fuerzas instantáneas. Actúan por un breve instante y, por lo tanto, originan movimientos uniformes.
• Fuerzas constantes. Actúan de forma continuada sobre los cuerpos, por eso los cuerpos son acelerados continuamente mientras la fuerza es aplicada. Un ejemplo es la fuerza de gravedad.

Exterioridad o interioridad de la fuerza

Si bien hablamos principalmente de las fuerzas que un cuerpo ejerce sobre otro(fuerza externa), también existen fuerzas internas en los cuerpos. Las fuerzas atómicas, por ejemplo, son fuerzas internas de un objeto.

Por otra parte, si consideramos como sistema físico a dos cuerpos, por ejemplo, las fuerzas que uno ejerza sobre el otro serán internas al sistema.

Sigue con: Fuerzas intermoleculares