Fundamentos de las Fuerzas Físicas y sus Interacciones

1. Concepto de Fuerza

La fuerza es una acción capaz de modificar el estado de reposo o de movimiento de un cuerpo, o de producir en ellos una deformación. Las fuerzas pueden actuar:

• A distancia: como la fuerza gravitatoria, eléctrica o magnética.
• Por contacto: como la fuerza de rozamiento.

La unidad de fuerza en el Sistema Internacional (SI) es el Newton (N).

La fuerza es una magnitud vectorial y, por ello, se describe a partir de:

• Módulo: Valor numérico absoluto de la intensidad de la fuerza (siempre positivo).
• Dirección: Recta que contiene el vector fuerza.
• Sentido: Indicado por la punta de la flecha del vector.

2. Fuerzas Fundamentales de la Naturaleza

En la naturaleza se pueden identificar las siguientes fuerzas fundamentales:

• Fuerza gravitatoria: Atracción mutua entre masas.
• Fuerza electromagnética: Interacción entre cargas eléctricas y magnéticas.
• Fuerza nuclear débil y fuerza nuclear fuerte: Interacciones entre partículas subatómicas.

3. Fuerza Gravitatoria

Todos los cuerpos que se encuentran en la Tierra están sometidos a una fuerza de atracción que la Tierra ejerce sobre ellos. Se denomina peso (P) de un cuerpo a la fuerza gravitatoria que la Tierra ejerce sobre él.

4. Fuerza Eléctrica

4.1. Electricidad

La electricidad es un fenómeno físico debido a las fuerzas que aparecen entre las partículas cargadas eléctricamente de la materia. La materia es normalmente neutra porque tiene el mismo número de cargas positivas que negativas.

Procesos de Electrización

• Electrización por frotamiento: Al frotar dos cuerpos, parte de las cargas eléctricas pasan de uno a otro, quedando uno cargado positivamente y el otro negativamente.
• Electrización por inducción: Se produce al acercar un cuerpo previamente cargado a otro que no lo está. En este último se produce una redistribución de la carga que provoca la polarización del cuerpo.
• Electrización por contacto: Cuando un cuerpo cargado entra en contacto con otro que no lo está, las cargas sobrantes se distribuyen, quedando ambos cuerpos cargados con la misma carga.

4.2. Fuerzas Eléctricas y Ley de Coulomb

Coulomb anunció su ley, que sintetizaba todas sus investigaciones, y dice:

“La fuerza entre dos cargas eléctricas es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.”

Las fuerzas eléctricas serán de repulsión si las cargas tienen el mismo signo, o de atracción si las cargas tienen signos opuestos. La Ley de Coulomb puede expresarse matemáticamente como:

5. Fuerza Magnética

El magnetismo es un fenómeno por el que algunos objetos ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre determinados materiales. Los imanes son los materiales que poseen la propiedad de atraer al hierro, al níquel, al cobalto o a otro imán.

Características de los Imanes

• Tienen dos polos llamados norte y sur. Si un imán se parte, aparecerán dos nuevos polos en cada fragmento. Es decir, los polos no se pueden aislar el uno del otro (no existen monopolos magnéticos).
• Polos opuestos se atraen y los polos idénticos se repelen.
• Producen un campo magnético, es decir, una zona del espacio donde se percibe su atracción magnética. Esta atracción se representa por líneas de campo, que son las trayectorias que seguirían las partículas que resultaran atraídas por el campo magnético del imán.

6. Electromagnetismo

Durante el siglo XIX se descubrió que la electricidad y el magnetismo estaban intrínsecamente relacionados. Dos de los experimentos clave que demostraron esta relación fueron:

• Oersted comprobó que el paso de corriente eléctrica por un conductor produce un campo magnético. Los electroimanes se basan en esta particularidad.
• De la misma manera, Faraday demostró que un campo magnético en movimiento produce una corriente eléctrica inducida en un conductor que se encuentre próximo.