¿Qué son las Fuerzas? (Física)

Si bien es probable que esté familiarizado con la palabra "fuerza" y la haya escuchado en conversaciones cotidianas ("No tuve otra opción, ¡me obligó a hacerlo!"), ¿Conoce la definición física de fuerza?

En este artículo aprenderá no solo qué es realmente una fuerza, sino de dónde vino la idea y cómo se usa en física.

Para tener la mentalidad física adecuada para comprender las fuerzas, recuerde lo que sabe sobre movimiento. Puede describir la posición de un objeto (ubicación en el espacio) y puede describir cómo cambia esa posición en el tiempo; la tasa de cambio de posición por unidad de tiempo es lavelocidad. También puede describir cómo cambia esa velocidad; la tasa de cambio de velocidad por unidad de tiempo se llamaaceleración​.

Estas cantidades físicas (posición, velocidad y aceleración) son todas cantidades vectoriales, lo que significa que tienen magnitud y dirección asociadas a ellos.

Si un objeto está en reposo, como una piedra en la acera, probablemente esté bastante seguro de que permanecerá allí hasta que algo lo haga moverse. O alguien que camina por la acera la patea, o quizás la roca es lo suficientemente liviana para ser empujada por un fuerte viento. Cuando esto ocurre, su movimiento cambia. La cantidad física que causa este cambio, como veremos, es una fuerza.

Probablemente también tenga la sensación de que ciertos objetos son más difíciles de mover que otros. Imagina un guijarro pequeño comparado con un peñasco pesado. Necesitarías patear la roca mucho más fuerte para que se mueva. De manera similar, si dos objetos, uno liviano y otro pesado, ya se estaban moviendo, es mucho más difícil detener al más pesado.

Esta resistencia de un objeto a cualquier cambio en su movimiento se llama su inercia. Cuánta fuerza se requiere para realizar un cierto cambio se relacionará con la masa, que es una medida de inercia.

La idea de una fuerza ha existido durante mucho tiempo, pero no se entendió bien en gran parte debido a malas interpretaciones de la fricción.

Aristóteles propuso que todos los objetos tienen un estado natural en el que quieren descansar y que lo harán a menos que actúe una fuerza. Usó esta noción para explicar por qué los objetos caen a la tierra o se detienen después de ser empujados.

Galileo, sin embargo, refutó esta idea y explicó la existencia de una fuerza de frenado llamada fricción. Determinó que los objetos seguirían moviéndose en líneas rectas si no había fricción que los frenara.

Sir Isaac Newton dio una formalización más amplia a las observaciones de Galileo con su famoso tres leyes del movimiento. Pudo describir qué hacen las fuerzas, cómo actúan e incluso atribuir números con unidades al concepto.

La primera ley del movimiento de Newton, a veces llamada ley de inercia, establece que un objeto en reposo permanece en un estado de reposo a menos que una fuerza desequilibrada actúe sobre él. Esta parte es bastante intuitiva cuando piensas en patear la piedra en la acera. Además, esta ley establece que cualquier objeto que experimente un movimiento de velocidad constante (movimiento a una velocidad constante en una trayectoria en línea recta) continuará haciéndolo a menos que actúe sobre él una fuerza externa neta.

Esa segunda parte de la primera ley es menos intuitiva porque en nuestras interacciones diarias, los objetos no tienden a moverse para siempre. Pero eso se debe a que actúan sobre ellos una fuerza resistiva llamada fricción.

La segunda ley del movimiento de Newton establece que la fuerza neta sobre un objeto (que es la suma vectorial de todas las fuerzas que actúan) es igual al producto de la fuerza del objeto masa y aceleración. En otras palabras:

La segunda ley del movimiento de Newton pudo explicar por qué hay que empujar más fuerte sobre objetos pesados ​​que sobre objetos más livianos para que cambien su movimiento. También relacionó formalmente la fuerza con la cantidad física de aceleración, que es el cambio en el movimiento del objeto.

La tercera ley del movimiento de Newton explicó con más detalle cómo las fuerzas vienen en pares. Establece que si el objeto A aplica fuerza al objeto B, entonces el objeto B aplica fuerza al objeto A que es igual en magnitud y en la dirección opuesta a la fuerza sobre el objeto B.

La tercera ley de Newton explica por qué las armas retroceden cuando se disparan y por qué, si te paras en una patineta y te empujas contra una pared, terminas rodando hacia atrás.

Se puede pensar en una fuerza como un empujón o un tirón. Si solo una fuerza actúa sobre un objeto, esa fuerza hará que el movimiento del objeto cambie en proporción inversa a su masa.

La fuerza es una cantidad vectorial, lo que significa que tiene magnitud y dirección. La dirección de una fuerza neta es siempre la misma que la dirección de la aceleración o cambio de movimiento (que puede ser opuesto a la dirección del movimiento en situaciones en las que un objeto se está desacelerando abajo.)

La unidad SI de fuerza es el newton donde 1 N = 1 kgm / s². La unidad CGS es la dina donde 1 dina = 1gcm / s².

Ya sabe que puede ejercer una fuerza sobre un objeto por sí mismo empujándolo o tirando de él. Esto se denomina fuerza de contacto porque requiere contacto. Pero también hay muchos otros tipos de fuerzas.

Una lista de algunas fuerzas comunes que encuentra al estudiar física incluye lo siguiente:

• ​Fuerza gravitacional:La fuerza de gravedad sobre un objeto se puede observar durante el movimiento de caída libre, en el que un objeto acelera hacia el suelo. Pero la fuerza gravitacional es también lo que mantiene a los planetas en órbita y lo que te impide volar hacia el espacio.
• ​Fuerza normal:Esta es una fuerza de apoyo que actúa perpendicularmente a una superficie y es la que evita que los objetos caigan por el suelo o la superficie de una mesa.
• ​Fuerza electromagnetica:Esto se refiere colectivamente a fuerzas magnéticas y fuerzas electrostáticas. Este tipo de fuerzas son el resultado de cargas o cargas en movimiento. Es la razón por la que los electrones se repelen y los imanes se pegan.
• ​Fuerzas de fricción:La fuerza de fricción es una fuerza que se opone al movimiento de un objeto. Es la razón por la que es más difícil deslizar un libro sobre la mesa que deslizar un libro sobre una capa de hielo. La fuerza de fricción varía según las superficies que están en contacto entre sí.
• ​Resistencia del aire:Esta fuerza es similar a la fricción. Es el resultado de que el aire mismo se opone al movimiento de los objetos que caen a través de él. Si un objeto cae lo suficiente, la fuerza de la resistencia del aire hará que alcance su velocidad terminal.
• ​Fuerza de tensión:Este es un tipo de fuerza que se transfiere a lo largo de una cuerda, cable o algo similar.
• ​Otras fuerzas fundamentales:Hay cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. Dos son la gravedad y el electromagnetismo, que ya se enumeraron, y los otros dos son la fuerza nuclear débil y la fuerza nuclear fuerte. Estos dos últimos normalmente solo afectan a las cosas en una escala subatómica, por lo que es posible que nunca hayas oído hablar de ellos.

La segunda ley de Newton mencionó un fuerza neta. La fuerza neta sobre un objeto es la suma vectorial de todas las fuerzas que actúan sobre un objeto.

Por ejemplo, puede tener dos personas empujando un bloque en direcciones opuestas con fuerzas iguales. Pero la fuerza neta termina siendo 0, lo que significa que el bloque no se mueve porque esas dos fuerzas se anulan entre sí.

Los diagramas de cuerpo libre son bocetos que puede dibujar indicando la magnitud y dirección de cada vector de fuerza en un objeto con una flecha de longitud proporcional apuntando en la dirección de la fuerza. Al resolver problemas de física que involucran fuerzas, es probable que dibuje muchos de estos diagramas porque ayuda a visualizar qué fuerzas están actuando y deja más claro cómo sumar las fuerzas para obtener la red fuerza.

Si no hay fuerza neta sobre un objeto, esto significa, a través de la segunda ley de Newton, que la aceleración del objeto es 0. En otras palabras, el objeto debe tener una velocidad constante.

• Tenga en cuenta que la velocidad constante no es lo mismo que la velocidad 0. Un objeto que se mueve a una constante de 2 m / s, por ejemplo, no tiene necesariamente una fuerza neta que actúe sobre él.

Es posible que haya oído hablar de una fuerza llamada fuerza centrípeta. Esto no se enumeró con las otras fuerzas en la sección anterior porque en realidad es un tipo de fuerza neta. Es la fuerza neta en la dirección radial para cualquier objeto en movimiento circular.

El movimiento circular, incluso a una velocidad constante, no es un movimiento de velocidad constante porque no mantiene una trayectoria en línea recta. Debe actuar alguna combinación de fuerzas para provocar un movimiento circular. La fuerza centrípeta es la fuerza neta radial que causa este tipo de movimiento.

• No confunda la fuerza centrípeta con la fuerza centrífuga. Este último en realidad se considera una pseudo-fuerza. Es la fuerza que parece actuar sobre un objeto en movimiento circular. Por ejemplo, cuando está en un automóvil que dobla una esquina, puede sentir que lo presionan contra el costado del automóvil, pero lo que en realidad está sucediendo es que una fuerza lo empuja hacia un camino curvo.

Ciertas fuerzas parecen actuar misteriosamente sin contacto. Un ejemplo con el que está familiarizado es la fuerza gravitacional. Cuando se cae un objeto, la tierra tira de ese objeto hacia él sin siquiera tocarlo.

Una herramienta matemática que los físicos desarrollaron para describir este fenómeno es la noción de campo. (Sí, un "campo de fuerza", ¡pero no del tipo que te protege de los torpedos de fotones!)

Un campo gravitacional es la asignación, a cada punto en el espacio, de un vector que indica la magnitud relativa y dirección de la fuerza gravitacional en ese lugar independientemente de qué objeto pueda experimentar una fuerza en ese lugar. localización. El valor del campo gravitacional en cualquier punto dado sería simplemente la fuerza gravitacional que sentiría una masa.metroen esa ubicación, pero dividido pormetro​.

Esta noción de campo de fuerza permite una explicación de estas fuerzas "misteriosas" que parecen actuar sin tocar nada, describiendo la fuerza como resultado de un objeto que interactúa con el campo.

Al igual que los campos gravitacionales, también puede tener un campo eléctrico o un campo magnético que describa la fuerza relativa por unidad de carga o (fuerza por unidad de momento magnético) que un objeto sentiría en cualquier localización.