Fuerzas y Leyes de la Física: Conceptos Básicos

La fuerza

La fuerza es una magnitud vectorial, se ejerce en una determinada dirección y con un sentido. Su actuación depende de su punto de aplicación y de su intensidad.

Las fuerzas a distancia

Las fuerzas a distancia son aquellas en las que los cuerpos que interactúan no se tocan.

Consecuencias

Un cuerpo que recibe una fuerza experimentará:

• Un cambio en su movimiento.
• Una deformación.

Los cambios en el movimiento pueden implicar que un cuerpo en reposo empiece a moverse, que un cuerpo moviéndose aumente o reduzca su velocidad o que cambie de dirección o sentido.

Fuerza resultante

Cuando dos o más fuerzas actúan simultáneamente sobre un cuerpo se pueden reemplazar por una única fuerza que tenga el mismo efecto sobre el cuerpo que el conjunto de fuerzas. Se trata de la fuerza resultante. Para fuerzas paralelas (= dirección):

• Si tienen el mismo sentido se suman sus módulos.
• Si tienen sentidos opuestos se restan sus módulos.

Se denomina cuerpo elástico al cuerpo que recupera su forma al dejar de actuar la fuerza. Un ejemplo de cuerpo elástico es un resorte o muelle.

Ley de Hooke

La deformación producida en un cuerpo elástico es directamente proporcional a la fuerza aplicada sobre él.

Primera ley de Newton

Ley de la inercia: “Si sobre un cuerpo no actúa ninguna fuerza o la resultante de las fuerzas es cero, el cuerpo se mantiene en reposo o se mueve con velocidad constante”.

Segunda ley de Newton

Ley fundamental de la dinámica: “Cuando sobre un cuerpo actúa una fuerza, le comunica una aceleración que es directamente proporcional a la fuerza aplicada. La constante de proporcionalidad es la masa del cuerpo”.

Tercera ley de Newton

Ley de acción y reacción: “Si un cuerpo ejerce una fuerza sobre un segundo cuerpo (acción), el segundo le responde con una fuerza de igual valor y dirección pero de sentido opuesto (reacción)”.

Fuerza normal

Se denomina fuerza normal (N) a la fuerza que ejerce una superficie sobre un cuerpo que está apoyado en ella.

La fuerza de rozamiento

Es la fuerza que existe entre un cuerpo que se desliza por encima de otro y se debe a la fricción entre ambas superficies. La fuerza de rozamiento se opone al movimiento de una superficie respecto a la otra.

Fuerza gravitatoria

La fuerza con la que se atraen dos cuerpos es directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa.

El peso

Es la fuerza con la que la Tierra atrae a un cuerpo. Esta fuerza está dirigida hacia el centro de la Tierra y aplicada en el centro de gravedad del cuerpo. Su unidad es el N y se calcula.

La masa

Es una magnitud escalar que mide la cantidad de materia que tiene un cuerpo. Su unidad es el kg.

Fuerza de atracción

Es la responsable del movimiento de los astros, de la aparición periódica de los cometas, de la caída de los cuerpos y de las mareas.

Ley de Coulomb

Se emplea en el área de la física para calcular la fuerza eléctrica que actúa entre dos cargas en reposo.

La carga eléctrica

Es una propiedad de la materia y es la causa de los fenómenos asociados a la electricidad.

La electrostática

Es la rama de la física que estudia los efectos que se generan en los cuerpos según sus cargas eléctricas en equilibrio.

La fuerza eléctrica

Es proporcional a las cargas que se juntan e inversamente proporcional a la distancia entre ellas. Actúa entre las cargas de forma radial, es decir, una línea entre las cargas, de allí que se trate de un vector radial entre las dos cargas.

Fuerza normal

Su dirección es perpendicular a la superficie de apoyo, su sentido es hacia el exterior de esa superficie y su valor es igual a la fuerza que el cuerpo hace sobre la superficie.

Energía potencial gravitatoria

Es la que tienen los cuerpos por estar a cierta altura respecto a la superficie terrestre.

Energía cinética

Es la que tiene un cuerpo por el hecho de estar en movimiento. Depende de la masa del cuerpo y de su velocidad.

Principio de conservación de la energía mecánica

Si sobre un cuerpo no actúa ninguna fuerza, excepto su propio peso, su energía mecánica se mantiene constante.

La energía mecánica es la suma de la energía cinética y la energía potencial.

Esta energía mecánica se conserva si sobre el cuerpo no actúan fuerzas externas. Esto quiere decir que cuando un cuerpo pierde energía potencial, gana energía cinética y viceversa.

Energía térmica y temperatura

La energía térmica es la que poseen los cuerpos debido al movimiento de las partículas que lo forman. Por eso, este movimiento también se llama agitación térmica. La agitación térmica de las partículas que forman un cuerpo está relacionada con su temperatura.

Calor y temperatura

Al poner en contacto dos cuerpos con diferente temperatura, al cabo de un tiempo ambos cuerpos tendrán la misma temperatura. En ese momento los cuerpos han alcanzado el equilibrio térmico. Para llegar al equilibrio térmico, el cuerpo caliente transfiere calor al más frío.

Debes quedar claras algunas ideas:

• El calor no es algo que posean los cuerpos.
• El calor se transfiere de los cuerpos calientes a los fríos.
• El calor y la temperatura no son lo mismo.

Demócrito

Defiende que la materia se puede dividir sucesivamente hasta un límite. Estos trozos de materia indivisibles los denominó átomos.

Átomo es una palabra griega que significa no divisible. Empédocles, contemporáneo suyo, postula que la materia está constituida por cuatro elementos: tierra, agua, aire y fuego. (IV a. C.)

Aristóteles

Admite la teoría de los cuatro elementos, a la que añade un quinto, la quintaesencia. Rechaza la teoría atómica, y dado su prestigio como filósofo hizo perdurar su teoría en el pensamiento de la humanidad durante 2000 años.

La ciencia experimental se expresa en la Alquimia y se lleva a cabo en talleres y laboratorios desde la época romana hasta el Renacimiento. Los alquimistas en su búsqueda de la piedra filosofal (transmutación de cualquier metal en oro) y la fuente de la eterna juventud descubrieron muchas sustancias y elementos químicos (Edad Media).

Alberto Magno (Alejandría), Averroes (Granada), Paracelso (Alemania) fueron grandes alquimistas.

La era científica arranca en el siglo XVI, en pleno Renacimiento, donde poco a poco la Alquimia medieval va dejando paso al estudio de las reacciones químicas y de los gases, con experiencias diseñadas de modo que pudiera medirse todo cuanto se estudiaba. Se aplicaba el método científico: observación, experimentación y medida.

Robert Boyle

Publica El Químico escéptico donde rechaza la teoría de los cuatro elementos y defiende la constitución atómica de la materia. Esta teoría podía justificar los resultados de sus trabajos sobre reacciones químicas y los gases. (Año 1661)

Dalton

Publica Nuevo Sistema de Filosofía Química, donde retoma la teoría atomista. La teoría atómica de la materia de Dalton sugiere: (Año 1808)

1. Los elementos están formados por partículas discretas, diminutas e indivisibles llamadas átomos, que permanecen inalterables en cualquier proceso químico.

2. Los átomos de un mismo elemento son todos iguales entre sí en masa, tamaño y cualquier otra propiedad física o química. Estas propiedades cambian cuando comparamos dos elementos diferentes.

3. En las reacciones químicas, los átomos ni se crean ni se destruyen, solamente cambia su distribución.

La tabla periódica

Se distribuye horizontalmente en periodos. Hay 7 periodos. Todos los elementos del mismo periodo tienen sus últimos electrones en el mismo nivel energético.

Se distribuye verticalmente en grupos. Hay 18 grupos. Todos los elementos del mismo grupo tienen la misma configuración electrónica en su último nivel.

Iones

Los electrones (e−) de la corteza son atraídos por los protones (p+) del núcleo. Cargas eléctricas de diferente signo se atraen. Suministrando energía suficiente se pueden ganar o perder electrones, formando una especie química con carga eléctrica, un ión. Cuando un átomo pierde electrones genera un ión positivo o catión. Cuando un átomo gana electrones genera un ión negativo o anión.

Isótopos

El número de neutrones presentes en el núcleo atómico puede cambiar en un mismo átomo, cambiando sus propiedades físicas, no propiedades químicas.

El número atómico (Z)

Describe al átomo y equivale al número de protones que hay en el núcleo atómico. El número atómico describe al átomo.

El número másico (A)

Indica la cantidad de partículas que constituyen el núcleo (nucleones).

Descripción del átomo

El átomo queda constituido por 3 partículas fundamentales: protones y neutrones, que constituyen el núcleo atómico; y electrones, que rodean los primeros formando la corteza atómica.

1. El átomo tiene un núcleo central en el que está concentrada prácticamente toda su masa, aportada por los neutrones y los neutrones.

2. La carga positiva de los protones se compensa con la carga negativa de los electrones, que se hallan fuera del núcleo, en la corteza atómica. Así, el átomo es eléctricamente neutro.

3. Un átomo neutro, por lo tanto, contiene el mismo número de neutrones y protones.

4. Los electrones giran a gran velocidad en torno al núcleo y separados de éste por una gran distancia, en la corteza atómica. El átomo está prácticamente vacío.

Experimentos en tubos de descarga (Thomson, 1897)

Cuando se aplica un elevado potencial eléctrico a un gas encerrado en un tubo a baja presión (vacío), se producen partículas cargadas eléctricamente.

Radiactividad (Becquerel, 1896)

Algunos átomos pesados como el Uranio, el Radio o el Plutonio se desintegran, de forma espontánea, emitiendo partículas y radiación de alta energía perniciosa para la materia viva.

Electrólisis

Determinados compuestos químicos se descomponen, mediante la utilización de electricidad, en sus elementos constituyentes.

El modelo atómico de Dalton (1808)

Establece que los átomos son partículas discretas, diminutas e indivisibles, que permanecen inalterables en cualquier proceso químico. Existen una serie de fenómenos que contradicen este modelo poniendo de manifiesto la divisibilidad del átomo. Estos fenómenos son:

Electrificación de la materia: los cuerpos, normalmente neutros, adquieren carga eléctrica al ser frotados entre sí: negativa, la que adquiere el ámbar o plástico, positiva, la que adquiere el vidrio.

Avogadro

Estudiando el comportamiento de los gases introduce el concepto de molécula, como la unión de 2 o más elementos iguales o diferentes (Año 1811)

Chadwick (1932)

Identifica una tercera partícula subatómica, el neutrón, de masa similar a la del protón y carente de carga eléctrica. Esta partícula se encuentra, junto a los protones, en el núcleo atómico, al cual proporciona estabilidad.

Calor intercambiado y variación de temperatura

Cuando dos cuerpos se ponen en contacto un tiempo suficiente, terminan por tener la misma temperatura. Lo que un cuerpo se caliente o enfríe no solo depende del calor que gane o pierda, sino también de la masa que tenga. Por otro lado, no todos los cuerpos se calientan o enfrían a la misma velocidad, aunque tengan la misma masa. Los cuerpos tienen una propiedad que se llama calor específico: El calor específico de una sustancia nos indica cuánto calor debe perder o ganar 1 kg de dicha sustancia para que su temperatura varíe 1 K (o 1 oC). Cuanto mayor sea el calor específico de una sustancia, más calor debe ganar o perder para que su temperatura cambie una cantidad concreta.