Fuerzas  de la naturaleza       

Todas las fuerzas observadas pueden explicarse en función de cuatro interacciones básicas, conocidas como fuerzas de la Naturaleza. Estas interacciones responden a leyes distintas, aunque a lo largo de la historia de la física se han hecho grandes esfuerzos, sin éxito, por encontrar una ley que las unificara, en lo que se conoce como “Teoría del Todo” , hasta ahora se han unificado tres de ellas (excepto la gravitatoria). 
Estas fuerzas se combinan entre sí a nivel microscópico para dar lugar a las fuerzas que detectamos en la vida cotidiana y que comentaremos en el apartado de Ejemplos de Fuerzas.

Las cuatro interacciones básicas son las siguientes:

• Fuerza gravitatoria: todos los cuerpos ejercen entre sí una fuerza de atracción por tener una masa distinta de cero. Newton encontró la manera de calcular esta fuerza, a través de la conocida como Ley de Gravitación Universal:
  G es la constante de Gravitación Universal, llamada así porque no depende del medio en el que se encuentren las masas que interaccionan. Su valor es 6.67 10^-11 Nm²/kg².


• Fuerza electromagnética: Aparece entre partículas con carga eléctrica. Inicialmente se pensó que las cargas eléctricas eran las fuentes de la fuerza eléctrica y que los imanes eran las fuentes de las fuerzas magnéticas, siendo interacciones totalmente independientes. Posteriormente, Maxwell unificó ambas teorías en las ecuaciones de Maxwell, demostrando que las cargas en movimiento son las fuentes de las fuerzas magnéticas, por lo que se pasó a hablar ya de una única fuerza, la fuerza electromagnética.
La fuerza que actúa entre cargas en reposo (fuerza electrostática) responde a la Ley de Coulomb:
k es la es la constante de Coulomb, que depende del medio. En el vacío vale 9 10⁹ Nm²/C², y , por ejemplo, en el vidrio vale 1.16 10⁹ Nm²/C². 

Observando la expresión de la Ley de Coulomb, se cumple que cuando las cargas eléctricas son de distinto signo la fuerza es atractiva, cuando las cargas son del mismo signo, la fuerza es repulsiva.



• Fuerza nuclear fuerte: Si cargas del mismo signo se repelen, ¿cómo es posible que los protones permanezcan en posiciones estables dentro del núcleo? Las distancias entre ellos son del orden de 10^-15 m, por lo que la fuerza de repulsión electrostática es muy grande (del orden de 230 N). La estabilidad de los núcleos atómicos se explica gracias a una nueva interacción (nuclear fuerte) de distinta naturaleza que la electrostática, que actúa de forma atractiva entre protones y neutrones. El estudio de esta fuerza (al igual que la débil) queda fuera del ámbito de este curso; su alcance es sólo del orden del tamaño del núcleo atómico, por lo que no forma parte de nuestra experiencia cotidiana.
• Fuerza nuclear débil: Esta fuerza es muy compleja, baste con indicar que es la responsable de la desintegración de los núcleos radiactivos y también de la producción de radiación y energía calorífica en el sol mediante procesos de fusión nuclear.
  Para más información sobre estas fuerzas, consultar el libro Física General, de Burbano Ercilla.

CARACTERÍSTICAS DE LAS FUERZAS

Las características de las fuerzas se dividen en las siguientes:

1. Cambios de movimiento: La fuerza la podemos relacionar con cualquier tipo acción que ejerce un cuerpo sobre otro. Sin embargo la fuerza no esta en los objetos en sí, si no en la capacidad que tienen estos de modificar el estado de reposo o de movimiento de un cuerpo.

Hay fuerzas que no son visibles pero los efectos que producen si los son, por ejemplo las fuerzas responsables del transporte de sustancias al interior del organismo de un ser vivo.  

2. Equilibrio de fuerzas: Todo lo que nos rodea es afectado por alguna fuerza. Sin embargo, identificar estas fuerzas que actúan sobre un cuerpo no es fácil, pues sus efectos a veces no son muy evidentes. En ocasiones, las fuerzas que actúan sobre un cuerpo se contrarrestan entre sí. En estos casos se dice que las fuerzas se anulan entre sí, originando el reposo del cuerpo.

Para que un cuerpo pierda el reposo solo se necesita que una de las fuerzas que actuan sobre los cuerpos sea mayor para que no haya equilibrio.

Al igual que el desplazamiento, la velocidad y la aceleración las fuerzas son vectores. Es decir, cuando los vectores tienen la misma dirección pueden ser sumados directamente.Cuando no, es necesario calcular la norma de la fuerza resultante.

3. Efectos de las fuerzas: Las fuerzas pueden ocasionar también deformaciones. Por ejemplo, al aplicar una fuerza a un resorte.

                              

La deformación depende del punto en el  cual se aplica la fuerza.

Sobre todo cuerpo u objeto, actúan simultáneamente varias fuerzas. las sumas de todas estas fuerzas recibe el nombre de fuerza neta, y corresponde a una única fuerza equivalente a todas las demás. 

Cuando la fuerza neta es cero o nula el objeto se encuentra en equilibrio. Si la fuerza neta es distinta de cero no existe equilibrio y por consiguiente, el objeto adquiere un movimiento.

4. Las unidades de la fuerza: la fuerza se mide en Newton (N). Un Newton es igual a la fuerza necesaria para sostener un cuerpo de 102 gramos en la Tierra. Un Newton también es igual a la medida de la fuerza que se debe ejercer sobre un kilogramo de alguna sustancia, para ocasionar una aceleración de 1 m/s² en la Tierra.    

5. Fuerzas de Contacto y a distancia: cuando se empuja una silla, cuando se patea una pelota, cuando se deforma un objeto, cuando se impulsa una bola de tenis por medio de una raqueta, existe un contacto directo entre el cuerpo que ejerce la fuerza y el cuerpo al cual se le aplica dicha fuerza. Estas fuerzas de denominan fuerzas de contacto.

Una fuerza de acción a distancia, ocurre cuando no existe contacto directo entre los cuerpos como por ejemplo, la atracción producida por la Tierra sobre cualquier cuerpo.

COMPOSICIÓN Y DESCOMPOSICIÓN DE LAS FUERZAS 

La composición y la descomposición de fuerzas son los procedimientos que consisten en transformar una fuerza en dos componentes rectangulares (descomposición) o sus dos componentes rectangulares en una fuerza  (composición). 

DESCOMPOSICIÓN  

La descomposición de fuerza en componentes rectangulares consiste en hallar las proyecciones de la fuerza sobre sus dos ejes cartesianos. Es decir que se transforma una fuerza en otras dos que se encuentran sobre sus ejes y que sumados dan la fuerza original.

COMPOSICIÓN DE FUERZAS

Para hallar la resultante total hay que realizar el procedimiento inverso, es decir componer las dos fuerzas.

El módulo se calcula como la raíz cuadrada de cada componente el cuadrado:

El ángulo se puede calcular con la tangente:

Ejercicios de descomposición :

Ejercicios de composición de vectores :

 

1° LEY DE NEWTON 


Ley de inercia, nos dice que si sobre un cuerpo no actua ningún otro, este permanecerá indefinidamente moviéndose en línea recta con velocidad constante (incluido el estado de reposo, que equivale a velocidad cero).

No hay fórmula; sólo F=0

2° LEY DE NEWTON 

La Segunda Ley de Newton, también conocida como Ley Fundamental de la Dinámica,es la que determina una relación proporcional entre fuerza y variación de la cantidad de movimiento o memento lineal de un cuerpo. Dicho de otra forma la fuerza es directamente proporcional a la masa y a la aceleración de un cuerpo.

Fórmula 
F=m.a        P=m.g

3° LEY DE NEWTON

La tercera ley, también conocida como Principio de acción y reacción nos dice que si un cuerpo A ejerce una acción sobre otro cuerpo B, éste realiza sobre A otra acción igual y de sentido contrario.