Definición y áreas de interés Proyecto
Salón Hogar
L a G r a n E n c i c l o p e d
i a I l u s t r a d a d e l P r o y e c t o S a l ó n H o
g a r
Fisíca
Los experimentos realizados desde 1980 en aceleradores de
partículas -en los que se desarrollan energías comparables a la
de los primeros segundos del Universo- sugieren que la
unificación es posible.
Clasificación de las Interacciones
En la naturaleza se conocen 3 formas básicas en que puede
interaccionar la materia. Estas interacciones son las
gravitatorias , las
electromagnéticas y las
nucleares . Esta clasificación
atiende a su origen, intensidad y distancia de la actuación de
la fuerza. Cada una de estas interacciones responde a la
existencia de determinadas propiedades
en la materia , tales como masa (o cantidad de materia
que tiene un cuerpo), carga eléctrica, entre otras .
Interacción Gravitatoria
Consiste en la fuerza de atracción mutua que se produce
entre dos objetos del Universo, debido a una propiedad común a
todos ellos denominada masa .
La interacción gravitatoria puede producirse a distancias muy
grandes (distancias astronómicas), pero el módulo o medida de la
fuerza de interacción es muy pequeña.
Esta es la interacción responsable de que se permanezca pegado
al suelo, o de que si, estando de pie y lanza un balón hacia
arriba, y éste vuelva a sus manos.
Cuantitativamente, la interacción gravitacional es despreciable
para cuerpos que poseen poca masa, por ejemplo, una taza y una
cuchara; pero cobra real importancia en el caso de la misma
cuchara y el planeta Tierra.
A esta fuerza también se le da el nombre de fuerza de
gravedad cuando se refiere a la atracción entre un planeta (u
otro astro) y un objeto colocado en su superficie. Debido a la
fuerza mutua de atracción gravitatoria, los satélites describen
órbitas elípticas alrededor de un planeta y los planetas
alrededor del Sol.
En efecto, la fuerza de interacción gravitatoria tiene en todo
momento una componente perpendicular a la velocidad tangencial
del satélite o del planeta, obligándolo a describir una
trayectoria curva. De no existir esta fuerza gravitatoria, los
satélites y los planetas se moverían en línea recta en el
espacio. La interacción gravitatoria que es la más débil de
todas, mantiene globalmente la Tierra. Enlaza al Sol y los
planetas dentro del sistema solar y agrupa las estrellas en las
galaxias.
Como instrumentos de observación y medición se utilizan
telescopios, radares, satélites artificiales, sondas espaciales.
Mientras que los físicos todavía hoy no han descubierto la
partícula portadora de la gravedad, predicen la existencia de
esta partícula y la llaman el "gravitón."
Interacción
Electromagnética
Constituyen la interacción más significativa para toda la
química y la biología.
Consiste en la fuerza de atracción o de repulsión mutua entre
dos objetos, debido a una propiedad denominada
carga eléctrica . Esta propiedad
no es más que el exceso o déficit de cargas negativas que posee
un cuerpo. Estas interacciones actúan a distancias más cortas
que las gravitacionales, pero con mucha más intensidad.
Las fuerzas actuantes son llamadas fuerzas
electrostáticas si las cargas están en reposo, pero cuando éstas
se ponen en movimiento se llaman fuerzas electromagnéticas.
La interacción electromagnética enlaza los electrones a los
átomos y los átomos entre sí para formar moléculas y cristales.
Actualmente se acepta que los átomos de cualquier sustancia
están constituidos por tres tipos de partículas subatómicas,
llamadas protones, neutrones y electrones. A los protones se les
atribuye carga positiva (+) y a
los electrones, carga negativa (-)
. Los neutrones no tienen carga eléctrica.
Los protones y neutrones constituyen el núcleo
del átomo, permaneciendo dentro de él. Los electrones se
encuentran alrededor del núcleo y gozan de gran movilidad,
pudiendo pasar de los átomos de un cuerpo a los átomos de otro,
dando origen a que un cuerpo se manifieste cargado negativamente
(-) o positivamente
(+) , según tenga exceso o
déficit de electrones.
Dos objetos con cargas eléctricas del mismo signo se repelen
mutuamente, y con cargas eléctricas del signo contrario, se
atraen. Muchas fuerzas de todos los días, tales como la que
ejerce el piso sobre nuestros pies, se deben en realidad a
fuerzas electromagnéticas dentro de los materiales, que se
oponen a que los átomos se desplacen de sus posiciones de
equilibrio dentro del material.
Como instrumentos de medición se utilizan cintas métricas,
calibradores, tornillos micrométricos, voltímetros, amperímetros,
etc, y como instrumentos de observación, el microscopio óptico,
microscopio electrónico, teodolito, etc. Las partículas
portadoras de la fuerza electromagnética son los
fotones . De acuerdo a cuál sea su energía, se les denomina
rayos gama, luz, microondas, ondas de radio, etc .
Interacciones Nucleares
Son aquellas que aparecen únicamente en el interior del
núcleo atómico, originando fuerzas de gran intensidad. Esta
interacción dominante de la Física Nuclear de alta energía,
aglutina los nucleones (neutrones y protones) para formar los
núcleos de todos los elementos. Como el núcleo del átomo tiene
un diámetro cuyo orden de magnitud es de 10-15 m,
ocurre que a esta distancia tan pequeña la fuerza de repulsión
entre los protones es muy grande, sin embargo los protones se
mantienen en el núcleo y el átomo goza de estabilidad.
Esto se debe a que entre dos protones, entre dos neutrones y
entre un protón y un neutrón, existe una fuerza de atracción
mutua, aproximadamente diez veces superior a la fuerza eléctrica
de repulsión, que recibe el nombre de fuerza nuclear. Las
interacciones nucleares pueden ser
débiles o fuertes .
Son importantes para la existencia de la materia de la que está
hecho el mundo, y para los procesos de decaimiento que hacen
inestable cierto tipo de materia. Tienen impacto sobre los
objetos más pequeños del universo pero también sobre los más
grandes.
Algunos de los instrumentos utilizados para la observación y
medición son la cámara de niebla, el contador Geiger y los
aceleradores de partículas como el
ciclotrón.
Ciclotrón
La intensidad de la interacción es la
fuerza. Es importante destacar que reconociendo el número de
interacciones que hay sobre un objeto, se puede saber cuantas
fuerzas hay sobre él, pero lo inverso no es verdad, es decir,
conociendo el número de fuerzas que actúan sobre un cuerpo no se
puede decir nada del número de interacciones.
Un mundo de
fuerzas
Una Interacción no es lo mismo que una fuerza, dado que a la
palabra "interacción" se le asigna un significado más amplio. A
pesar que los dos términos son usados a menudo como si fueran
intercambiables, los físicos prefieren la palabra "interacciones."
Una fuerza es la acción que un cuerpo ejerce sobre otro o
viceversa. Ejemplo: , indica la
fuerza que el cuerpo 1 ejerce sobre el cuerpo 2. Las
interacciones entre dos cuerpos son traducidas a través del
concepto de fuerza.
Las primeras ideas de fuerza se obtienen de las sensaciones de
esfuerzo muscular que se hacen para deformar cuerpos elásticos o
para acelerar un objeto. De esta manera se obtiene la noción de
los dos efectos que puede producir una fuerza aplicada a un
cuerpo. Uno de los efectos es el
dinámico o movimiento del cuerpo, y el otro es el
estático o su deformación.
Una fuerza es la causa que permite producir, impedir o modificar
el movimiento de los cuerpos, deformar, alterar o no las formas
de éstos y su existencia a consecuencia de las interacciones
entre cuerpos.
Ahora por ejemplo recárgate en una pared. ¿Sientes un apretón en
el hombro o en la mano con la que te recargas? Quién te está
dando ese apretón? Cuando te recargas en la pared estás
ejerciendo una fuerza sobre ella. La pared al mismo tiempo
ejerce una fuerza sobre ti (ese es el apretón que sientes en el
hombro o en la mano) Esto quiere decir que cuando se ejerce una
fuerza sobre un objeto, el objeto reacciona ejerciendo una
fuerza sobre ti. Las fuerzas suelen venir en parejas.
El peso
Es la fuerza con que un cuerpo es atraído por la tierra. Como el
peso es una fuerza luego es también una magnitud vectorial. La
aceleración adquirida por el cuerpo es la aceleración de la
gravedad g, que es una magnitud
vectorial dirigida verticalmente hacia abajo y como consecuencia
el peso es una magnitud
vectorial también dirigida verticalmente hacia abajo.
El peso es el producto de la masa gravitacional
del cuerpo por la aceleración de la gravedad terrestre.
= m.
El valor de varía de
unos puntos a otros de la superficie terrestre y en consecuencia,
el peso de un cuerpo es también variable. La masa permanece
constante en todo lugar.
Como las fuerzas son consecuencias de las interacciones básicas
que existen en la naturaleza, todas las fuerzas observadas en
ella pueden explicarse en función de las interacciones
mencionadas.
Para muchos fines, es conveniente dividir las diversas fuerzas
que pueden actuar sobre un cuerpo material en dos clases:
fuerzas de acción
a distancia y fuerzas de contacto.
Fuerzas de acción a distancia
Las fuerzas se producen sin que haya contacto entre los
cuerpos. En este tipo de fuerzas es importante tener presente el
concepto de campo de fuerzas . La Tierra crea en sus
inmediaciones un campo gravitatorio de fuerzas, una carga
eléctrica crea a su alrededor un campo eléctrico de fuerzas, un
imán origina un campo magnético de fuerzas. A ella pertenecen
las fuerzas gravitacionales, las eléctricas, que actúan entre
cuerpos cargados eléctricamente, y las nucleares que actúan
entre los núcleos de los átomos. Pueden ser:
Fuerza Eléctrica: Fuerza
debida a la atracción o repulsión de cuerpos electrizados.
Fuerza Nuclear: Fuerza desarrollada en el núcleo de un
átomo.
Fuerza Magnética: Fuerza debida a la atracción o
repulsión de objetos magnetizados
Fuerza Gravitacional: Fuerza ejercida por la acción entre
objetos debida a sus masas
Fuerzas de contacto:
Se precisa para su producción que ambos cuerpos estén en
contacto físico (sentido macroscópico). Esas fuerzas son:
Fuerza elástica:
Un objeto es elástico cuando se deforma por la acción de
una fuerza, pero que recobra su forma primitiva cuando la fuerza
deja de actuar.
La fuerza elástica es aquella que se origina en un objeto
elástico (banda de goma o resorte) al estirarlo o comprimirlo.
Es una fuerza de origen electromagnético, debida a las fuerzas
de interacción entre las moléculas del objeto elástico,
oponiéndose al estiramiento o comprensión. En particular, la
fuerza que opone un resorte al estiramiento o comprensión se
llama fuerza recuperadora o fuerza restauradora.
Dentro de ciertos límites el módulo F
de la fuerza recuperadora es directamente proporcional al
estiramiento o comprensión X del
resorte. Es decir: =
K.
, siendo
K una constante de proporcionalidad
que se denomina constante de elasticidad . Este resultado se
conoce con el nombre de
Ley de Hooke.
Fuerza de Tensión
Es la fuerza ejercida por una cuerda, considerada de masa
despreciable e inextensible, sobre un cuerpo que está ligado a
ella. Las fuerzas de tensión son aquéllas que se originan en
objetos tales como varillas, cables, alambres o cuerda,
equilibrando las fuerzas externas aplicadas en sus extremos,
oponiéndose al alargamiento o estiramiento de los mismos. Son
fuerzas de origen electromagnético que se producen debido a las
fuerzas de interacción entre las moléculas del objeto, las
cuales se oponen al alargamiento o estiramiento.
Fuerza Normal
Es la fuerza ejercida por una superficie sobre un cuerpo que se
encuentra apoyado en ella y actúa en dirección perpendicular al
plano. Así por ejemplo al representar un bloque que descansa
sobre una mesa. Debido a la atracción gravitatoria el bloque
ejerce una fuerza sobre la superficie de la mesa.
= m.
, siendo m la masa del
bloque y la aceleración
de la gravedad. Esta fuerza
presiona sobre la
superficie de la mesa y como las moléculas de ésta ofrecen
resistencia a la compresión, la mesa ejerce sobre el bloque una
fuerza que se designa por
, del mismo módulo que
, pero de sentido
opuesto.
Fuerza de Roce
Aparece como consecuencia de la interacción de contacto
entre cuerpos.
La fuerza de roce, fricción o rozamiento (Fr)
es aquélla que se origina tangencialmente a la superficie de
contacto de dos objetos, oponiéndose al movimiento de uno de
ellos respecto al otro. Esta fuerza es de origen
electromagnético, debido a las fuerzas de interacción entre las
moléculas de las superficies en contacto.
La fuerza de roce aparece en la superficie de contacto entre dos
cuerpos cuando uno de ellas se desliza sobre el otro.
Si no existiera el roce, el cuerpo que se desliza por un plano
lo haría con movimiento rectilíneo y uniforme. De existir el
roce, su movimiento sería retardado, lo cual significa que su
velocidad irá disminuyendo hasta quedar finalmente en reposo
Leyes de la
fuerza de Roce
- Siempre tendrá sentido opuesto al sentido de movimiento
del cuerpo.
- La dirección de la fuerza de roce es paralela a la superficie
de contacto.
- Es independiente del área de contacto entre las superficies.
- Depende de la naturaleza de las superficies de contacto.
- La magnitud es directamente proporcional a la magnitud de la
Normal a la superficie de contacto.
Matemáticamente se expresa Fr =
µ .
Donde m es el coeficiente de rozamiento
Coeficientes de rozamiento
Es la constante de proporcionalidad m entre la fuerza de
roce y la fuerza normal.
Existen dos tipos de coeficientes que son:
Coeficiente de rozamiento estático (µe)
Cuando el cuerpo está
en reposo
Coeficiente de rozamiento cinético (µc)
Aparece en el momento en que el
cuerpo está en movimiento.
Se sabe de forma experimental que la fuerza necesaria para
mantener un objeto deslizándose a velocidad constante es menor
que la necesaria para ponerlo en movimiento. Es decir, que la
fuerza de rozamiento cinético es sensiblemente menor que la
fuerza de rozamiento estático. En consecuencia, comparando las
expresiones anteriores, se deduce que
µc<µe
Diagrama de cuerpo libre
Para los efectos de la resolución de problemas, y con el
fin de reconocer el número de fuerzas que actúan sobre un cuerpo
se recomienda hacer el diagrama de cuerpo libre (DCL) , el cual
es un dibujo donde aparece el cuerpo, o partícula aislada en
estudio, en igual posición que en el problema, y en el que se
indican todas las fuerzas aplicadas sobre cuerpo como
consecuencia de interacciones con otros cuerpos.
Por lo tanto, para realizar el DCL de una partícula son
imprescindibles tres cosas: Elección del
cuerpo problema, reconocer el número de interacciones a que está
sometido el cuerpo y un sistema de referencia.
Para mayor facilidad en el tratamiento de los problemas es de
uso frecuente ubicar el DCL en sistema de coordenadas (X-Y), de
tal manera que por lo menos una fuerza coincida con los ejes.
, indica la
fuerza que el cuerpo 1 ejerce sobre el cuerpo 2. Las
interacciones entre dos cuerpos son traducidas a través del
concepto de fuerza. 
es una magnitud
vectorial también dirigida verticalmente hacia abajo. 
=
, siendo
, del mismo módulo que