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 macroscópico 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.
• A continuación comentaremos brevemente los tipos de fuerzas más comunes.
  • Peso: se llama peso de un cuerpo a la fuerza de atracción que la Tierra ejerce sobre él. En las proximidades de la superficie terrestre la distancia entre el cuerpo y la Tierra se puede aproximar al radio de la misma. Sustituyendo estas condiciones en la Ley de Gravitación Universal obtenemos que:
    Entonces el peso de un cuerpo se puede expresar vectorialmente como:
    
    
    puesto que está dirigido siempre hacia el centro de la Tierra.
    Recordemos también que el valor de la gravedad no es en realidad constante en toda la superficie terrestre, ya que nos encontramos en un sistema de referencia no inercial (ver Movimiento relativo a la Tierra).
  • Normal (N): aparece entre dos superficies en contacto y es siempre perpendicular a dichas superficies. El valor de esta fuerza depende de las condiciones de cada problema y su valor se determina aplicando la segunda ley de Newton en el eje correspondiente. No es la reacción al peso, ya que el peso está ejercido por la Tierra sobre el cuerpo y la normal es ejercida por la superficie sobre la que se apoya. Sólo bajo ciertas condiciones el módulo de ambas fuerzas coinciden.
  
  
  

  El valor de la normal viene determinado por la aplicación de la segunda ley de Newton.

  
  
  • Tensión (T): Cuando una cuerda está tensa, ejerce una fuerza sobre el cuerpo llamada tensión. Aquí trataremos con cuerdas inextensibles y sin masa, en las que el valor de la tensión es el mismo a lo largo de toda la cuerda.
  • Fuerza del muelle (F_m): un muelle que ha sufrido una deformación x ejerce una fuerza (fuerza recuperadora) que tiende siempre a llevar al muelle a su posición de equilibrio. El valor de la fuerza depende de las características del muelle a través de la constante k, llamada constante recuperadora.

  Fuerza del muelle, opuesta al desplazamiento

  Volveremos a tratar el tema de la fuerza del muelle en el apartado deMovimiento Armónico Simple.
  • Fuerza de rozamiento (F_r): Esta fuerza surge siempre como respuesta a un movimiento (o intento de movimiento) de un cuerpo sobre otro. Experimentalmente se observa que el valor de esta fuerza es proporcional a la fuerza normal que un cuerpo ejerce sobre el otro, la constante de proporcionalidad se llama coeficiente de rozamiento (μ) y sólo depende del tipo de superficies. Es decir, la fuerza de rozamiento tiene la dirección del movimiento, sentido opuesto a él y módulo proporcional a la normal.
    Experimentalmente se observa que cuesta más iniciar el movimiento relativo entre dos cuerpos que mantener dicho movimiento una vez iniciado. Esto da lugar a que hablemos de dos tipos de coeficientes de rozamiento:
  - Coeficiente de rozamiento estático (μ_s):al multiplicarlo por la normal nos da el valor máximo de la fuerza de rozamiento. Es necesario que la fuerza aplicada supere este valor para iniciar el movimiento relativo entre dos cuerpos que inicialmente se encuentran en reposo.
  
  - Coeficiente de rozamiento dinámico o cinético (μ_c): al multiplicarlo por la normal nos da el valor de la fuerza de rozamiento cuando los cuerpos ya se encuentran en movimiento relativo.
  Es importante destacar que hasta que no empiece el movimiento de un cuerpo sobre otro el valor de la fuerza de rozamiento viene determinado por la segunda ley de Newton, es decir, no tiene un valor fijo, pero siempre será menor que μ_sN. En el instante en el que se vence esa resistencia al movimiento, la fuerza de rozamiento toma su valor máximo (μ_sN) y cuando ya están en movimiento la fuerza de rozamiento vale μ_cN. En la siguiente ilustración se ilustra este hecho.
  
  
  

  Valor de la fuerza de rozamiento bajo la acción de una fuerza aplicada F

  Podemos representar el valor de la fuerza de rozamiento frente a la fuerza aplicada, obteniendo la siguiente gráfica: