Fundamentos de la Fuerza y su Impacto en la Física

1. Concepto de Fuerza

Los cuerpos no tienen fuerza. La interacción entre dos o más cuerpos recibe el nombre de fuerza. Las interacciones pueden ser de dos tipos:

• Por contacto entre cuerpos, ejemplo: pelota y raqueta, goma que se estira, etc.
• A distancia: los cuerpos no están en contacto. Ejemplo: Luna y la Tierra, imán y clavo.

Las fuerzas son la causa de:

• Cambios de forma, es decir, deformaciones.
• La modificación del estado de reposo o movimiento.

1.1. Carácter Vectorial

Las fuerzas son magnitudes vectoriales. Sus efectos dependen de:

• Su intensidad o módulo: representa la longitud del vector.
• Dirección de la fuerza.
• Sentido u orientación del vector, indicada por la flecha.
• Punto de aplicación: punto donde se aplique.

Las fuerzas concurrentes son aquellas que tienen el mismo tipo de aplicación.

3. Algunos Tipos de Fuerzas

Algunas fuerzas reciben nombres especiales:

• Peso (P): Se conoce como peso a la fuerza con que la Tierra atrae a los cuerpos. P = m·g, donde g = 9.8 m/s² es la aceleración de la gravedad.

Diferencia entre masa y peso:

• Masa: cantidad de materia que tiene un cuerpo / magnitud escalar / se mide con balanza / valor constante / su unidad en SI es kg / sufre aceleraciones.
• Peso: fuerza que ocasiona la caída de los cuerpos / interacción entre Tierra y cuerpo / es vectorial / se mide con dinamómetro / varía según su posición / su unidad en SI es newton / produce aceleraciones.

• Tensión (T): La fuerza ejercida por cuerdas.
• Normal (N): La fuerza ejercida por el plano en que se apoya el cuerpo. Recibe este nombre porque se ejerce siempre perpendicularmente al plano.
• Fuerza de Rozamiento (FRoz): La fuerza de rozamiento es una fuerza que aparece cuando hay dos cuerpos en contacto. La experiencia nos muestra que:
  • La fuerza de rozamiento siempre se opone al movimiento.
  • La fuerza de rozamiento entre dos cuerpos no depende del tamaño de la superficie de contacto entre los dos cuerpos, pero sí depende de cuál sea la naturaleza de esa superficie de contacto, es decir, de qué materiales la formen y si es más o menos rugosa.
  • La magnitud de la fuerza de rozamiento entre dos cuerpos en contacto es proporcional a la normal entre los dos cuerpos, es decir: Fr = µ·N, donde µ es lo que conocemos como coeficiente de rozamiento.

4. Fuerzas y Deformaciones

Las fuerzas (interacción entre cuerpos) provocan deformaciones, cambios de forma. La deformación experimentada por un muelle es directamente proporcional a la fuerza aplicada. Esta expresión se conoce como ley de Hooke, tiene validez para deformaciones que no sobrepasen el límite de elasticidad del sistema. Esta relación de proporcionalidad directa permite medir fuerzas. Los instrumentos de medida se llaman dinamómetros.

5. Fuerzas y Movimientos

Las fuerzas causan modificación del estado de reposo y cambio del estado de movimiento. La parte de la física que estudia dichas causas es la dinámica. Sus principios fueron estudiados por Newton y se sintetizan en las leyes de Newton.

En sus tres principios aclara:

• Las fuerzas son causas de cambios en el movimiento y no son movimiento. La fuerza tiene que ver con aceleraciones y no con velocidades.
• Para que se manifiesten fuerzas se requieren al menos dos cuerpos. El concepto de fuerza está íntimamente ligado a la interacción entre dos o más cuerpos.

Interacciones fundamentales por orden de intensidad:

• Interacción nuclear fuerte: mantiene a los protones y neutrones juntos.
• Interacción electromagnética: más débiles, actúa sobre las partículas cargadas eléctricamente.
• Interacción nuclear débil: es de muy corto alcance, es la responsable de fenómenos radiactivos.
• Interacción gravitatoria: es la más débil. Responsable de la estructura general del Universo.

1ª Ley de Newton: Ley de la Inercia

La inercia es la tendencia de todos los cuerpos a mantener su estado de reposo o movimiento. Un cuerpo permanece en estado de reposo o MRU si no actúa ninguna fuerza sobre él.

2ª Ley de Newton: Ley Fundamental de la Dinámica

Si sobre un cuerpo actúa una fuerza resultante, éste adquiere una aceleración directamente proporcional a la fuerza aplicada, siendo la masa del cuerpo su constante proporcional. Existe una relación constante entre las fuerzas aplicadas a un cuerpo y las aceleraciones producidas en el mismo.

3ª Ley de Newton: Ley de Acción y Reacción

Si un cuerpo (1) ejerce una fuerza (acción) sobre un segundo (2), éste ejerce a su vez otra fuerza igual y de sentido contrario (reacción) sobre el primero. Si las fuerzas son iguales, si las masas son muy distintas, las aceleraciones también lo serán.

Ejemplos de la 3ª Ley de Newton:

• (Acción): El cohete empuja a los gases hacia abajo.
• (Reacción): Los gases ejercen una fuerza hacia arriba que es la que hace que suba.
• (Acción): La saltadora se impulsa ejerciendo una fuerza hacia abajo sobre el trampolín.
• (Reacción): El trampolín ejerce una fuerza hacia arriba sobre la saltadora.

6. La Interacción Gravitatoria

Ley de la Gravitación Universal: Dos cuerpos de masas M y m separados una distancia r, se atraen con una fuerza directamente proporcional al producto de las masas e inversamente proporcional a la distancia al cuadrado que las separa. La fuerza que se ejercen entre dos masas cualesquiera son iguales y de sentidos opuestos.

Características de la fuerza:

• Es una fuerza que se produce a distancia.
• Se dará entre cualquier masa, es siempre atractiva y a distancia.
• Las masas se consideran puntuales. Se aplica en el centro de gravedad.
• No es posible aislar un cuerpo de la influencia gravitatoria.
• La constante es muy pequeña.
• La interacción gravitatoria es muy débil; para que se aprecie, las masas deben ser muy grandes.