Fuerza

Te explicamos qué es una fuerza para la física, sus características y sus tipos según cada teoría. Además, cómo se mide y diversos ejemplos.

¿Qué es una fuerza?

En términos técnicos, una fuerza es una magnitud capaz de modificar la cantidad de movimiento o la forma dada de un cuerpo o una partícula. No debe ser confundida con los conceptos de esfuerzo o de energía.

Comúnmente, el concepto de fuerza se explica en los términos de la mecánica clásica establecida por los principios de Isaac Newton (1642-1727), conocidos como las Leyes del Movimiento y publicadas en 1687 en sus Principia Mathematica.

Según la mecánica clásica, la fuerza que incide sobre un cuerpo es responsable de los cambios en su estado de movimiento, tales como su trayectoria rectilínea y su desplazamiento uniforme, y de imprimirle una aceleración (o desaceleración). Además, toda fuerza actuando sobre un cuerpo genera una fuerza idéntica, pero en sentido contrario.

Normalmente hablamos de fuerza en nuestra vida cotidiana, sin necesariamente emplear esta palabra como lo hace la física. La fuerza es estudiada por la física y según ella se reconocen cuatro fuerzas fundamentales a nivel cuántico: la fuerza gravitacional, la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil.

En cambio, en la mecánica newtoniana (o clásica), existen muchas otras fuerzas identificables, como la fuerza de roce, la fuerza gravitatoria, la fuerza centrípeta, etc.

Ver además: Potencia en física

Características de la fuerza

Una fuerza puede pensarse como un ente físico que describe la intensidad de las interacciones entre los objetos, estrechamente relacionado con la energía.

Para la mecánica clásica, toda fuerza está compuesta por una magnitud y una dirección, con lo cual se la denota con un vector. Esto significa que se trata de una magnitud vectorial, no escalar.

Tipos de fuerza

Existen varios tipos de fuerza, según su naturaleza y enfoque:

Según la mecánica newtoniana:

• Fuerza de fricción. Es la fuerza que se opone al cambio de movimiento de los cuerpos, ejerciendo una resistencia a abandonar el estado de reposo, o de movimiento, como podemos percibirlo a la hora de echar a andar un objeto pesado al empujarlo.
• Fuerza gravitatoria. Es la fuerza que ejerce la masa de los cuerpos sobre los objetos cercanos, atrayéndolos hacia sí. Esta fuerza se hace notable cuando todos o alguno de los objetos que interactúan son muy masivos. El ejemplo por excelencia es el planeta Tierra y los objetos y seres que vivimos sobre su superficie; existe una fuerza de atracción gravitatoria entre ellos.
• Fuerza electromagnética. Es la fuerza tanto atractiva como repulsiva que se genera por la interacción de los campos electromagnéticos.

También puede hablarse de:

• Fuerza de contacto. Es la fuerza que se ejerce a partir del contacto físico directo entre un cuerpo y otro.
• Fuerza a distancia. Es la fuerza que puede ejercerse sin contacto físico alguno entre los cuerpos.

Según la mecánica relativista o einsteiniana:

• Fuerza gravitatoria. Es la fuerza que parece existir cuando los objetos masivos curvan el espacio–tiempo a su alrededor, obligando a los objetos más pequeños a desviar sus trayectorias y aproximarse hacia ellos.
• Fuerza electromagnética. Es la fuerza que ejercen los campos electromagnéticos sobre las partículas cargadas de la materia, siguiendo la expresión de la fuerza de Lorenz.

Según la mecánica cuántica:

• Fuerza gravitacional. Es la fuerza que ejerce una masas sobre la otra, siendo una fuerza débil, en un solo sentido (atractiva), pero eficaz a lo largo de grandes distancias.
• Fuerza electromagnética. Es la fuerza que afecta a las partículas eléctricamente cargadas y a los campos electromagnéticos que generan, siendo la fuerza que permite la unión molecular. Es más fuerte que la gravitatoria y posee dos sentidos (atracción-repulsión).
• Fuerza nuclear fuerte. Es la fuerza que mantiene los núcleos de los átomos estables, conservando juntos a neutrones y protones. Es más intensa que la electromagnética, pero tiene mucho menor rango.
• Fuerza nuclear débil. Es la fuerza responsable de la desintegración radiactiva, capaz de ejecutar cambios en la materia subatómica, con un alcance menor todavía que las fuerzas nucleares fuertes.

Unidades de fuerza

De acuerdo al Sistema Internacional, la fuerza se mide en unidades llamadas Newtons (N), en honor al gran físico británico. Dichas unidades corresponden a 100.000 dinas y se entienden como la cantidad de fuerza aplicada durante un segundo a una masa de un kilogramo, para que adquiera la velocidad de un metro por segundo. O sea, que:

1 N = (1kg x 1m) / 1 s²

Existen otras unidades para otros sistemas métricos, que equivalen, en Newtons, a:

• 1 kilogramo-fuerza o kilopondio es igual a 9.81 N
• 1 libra-fuerza es igual a 4,448222 N

¿Cómo se mide la fuerza?

El dinamómetro es el aparato idóneo para la medición de la fuerza. Sirve también para calcular el peso de los objetos. Fue inventado por el propio Isaac Newton, valiéndose del estiramiento de un resorte y la Ley de la elasticidad de Hooke, de un modo semejante a una balanza de resorte.

Las versiones modernas del dinamómetro siguen el mismo principio y poseen ganchos o anillas en los extremos de su cuerpo cilíndrico, dentro del cual hay un muelle o espiral que hace las veces de resorte. En alguno de sus extremos estará marcada la medición de fuerza (en algunos casos incluso puede aparecer en una pantalla digital).

Ejemplos de fuerza

Constantemente hay ejemplos de fuerza a nuestro alrededor. Al ejercer nuestra fuerza muscular sobre un objeto para levantarlo estamos venciendo la fuerza de gravedad. Si empujamos un cuerpo masivo con el hombro, como un refrigerador, no solo deberemos vencer la gravedad, sino también la fuerza de roce que se opone al movimiento.

Lo mismo ocurre cuando pegamos un imán del refrigerador, ya que la fuerza magnética lo sujeta en su sitio, pero si lo aproximamos a otro imán por el mismo polo, en cambio, notaremos una tenue fuerza repulsiva, que es otro carácter de la misma fuerza magnética.

Fuerza y movimiento

La fuerza y el movimiento se encuentran fuertemente involucradas la una con el otro. En primer lugar, porque la fuerza es aquello capaz de iniciar, detener o modificar un movimiento.

Por ejemplo, cuando una pelota de béisbol se estrella contra el bate, la fuerza del bateador se imprime sobre la segunda para desviar su trayectoria (la misma que inicialmente le imprimiera la fuerza del lanzador, ya que la bola normalmente se encuentra en reposo) y arrojarla lejos en el campo.

Siempre que exista una fuerza sobre un cuerpo en la misma dirección al desplazamiento, existirá un trabajo realizado por esa fuerza. El trabajo necesario para que ese movimiento ocurra es igual a la energía necesaria para desplazar al cuerpo. Dependiendo del tipo de fuerza y del tipo de movimiento, diversas fórmulas matemáticas estarán disponibles para calcularlos.

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Fuerza de gravedad

La fuerza de gravedad es aquella fuerza atractiva que las masas ejercen sobre la materia a su alrededor, con una intensidad proporcional a su masa e inversamente proporcional a la distancia que las separa.

De hecho, el Sol atrae a nuestro planeta a la distancia, con el mismo tipo de fuerza con que éste nos atrae a nosotros, que vivimos sobre su superficie. La gravedad puede vencerse momentáneamente, como lo hacemos al dar un salto, pero eventualmente sucumbiremos a ella. Todo lo que sube libremente, tiene que bajar.

Fuerzas intermoleculares

Son aquellas que mantienen a las moléculas juntas, formando estructuras más complejas y de mayor masa, dependiendo directamente de la naturaleza de los átomos involucrados. Por eso también se las conoce como uniones intermoleculares o uniones atómicas. Dichas fuerzas pueden ser de dos tipos: las Fuerzas de Van der Waals o bien los Puentes de Hidrógeno.

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Referencias

• “Fuerza” en Wikipedia.
• “Fuerza” en Consellería de Educación, Universidade e Formación Profesional de la Xunta de Galicia.
• “Fuerzas en sistemas dinámicos” en Sociedad Andaluza de Educación Matemática «Thales».
• “Fuerza” en Dirección de Metrología de Fuerza y Presión de México.
• “Fuerzas y movimiento” en PHET Interactive Simulations de la University of Colorado Boulder.
• “Force (physics)” en The Encyclopaedia Britannica.