Tipos de Fuerzas en la Naturaleza
Cualquiera que sea la naturaleza de la fuerza que actúe sobre un cuerpo, esta puede ser clasificada de acuerdo a la forma en que es aplicada sobre otro cuerpo. Según esto, las fuerzas se clasifican en dos tipos: fuerzas por contacto y fuerzas a distancia.
Conociendo Más
Cada vez que dos cuerpos interactúan de modo que parte de sus superficies están juntas, se dice que se ejercen fuerzas por contacto. Por ejemplo, cuando aplicas una fuerza con tu mano para poder abrir una puerta.
Si tomas una moneda con tu mano y la sueltas, esta caerá en línea recta verticalmente hacia el suelo. Pero ¿por qué cae si no hay ningún cuerpo en contacto directo sobre ella que la empuje hacia el suelo? La moneda caerá, es decir, cambiará su estado de reposo al de movimiento, debido a la acción de una fuerza denominada fuerza de gravedad.
Esta fuerza, al igual que la fuerza magnética y la fuerza eléctrica, pertenece a otro tipo de fuerzas denominadas fuerzas a distancia. Las fuerzas a distancia se producen cuando dos cuerpos interactúan el uno sobre el otro sin que exista ningún contacto entre ellos.
Interacciones Fundamentales
En la actualidad, las interacciones o fuerzas existentes en la naturaleza se clasifican en cuatro:
- Interacciones fuertes: Actúan al interior del núcleo de los átomos, uniendo protones y neutrones. Son las más intensas pero de muy corto alcance.
- Interacciones débiles: Responsables de ciertos tipos de desintegración radiactiva (como la desintegración beta). Son de muy corto alcance.
- Interacciones electromagnéticas: Afectan a los cuerpos eléctricamente cargados y a los imanes. Son responsables de la formación de átomos y moléculas, y de fenómenos como la luz y la electricidad. Tienen un alcance infinito.
- Interacciones gravitacionales: Es la atracción que una masa ejerce sobre otra, y afecta a todos los cuerpos con masa. Son las menos intensas de las cuatro, pero a la vez las de mayor alcance (infinito).
Las menos intensas de ellas y a la vez las de mayor alcance son las fuerzas gravitacionales, mientras que las interacciones nucleares fuertes son las de menor alcance pero las más intensas.
La Fuerza Peso
Cuando lanzas con tus manos una pelota hacia arriba, esta siempre vuelve a caer, sin importar cuán fuerte la lances. ¿A qué se debe esto? ¿Qué es lo que produce la caída de la pelota?
Como sabemos, una fuerza tiene como efecto cambiar el estado de movimiento de un cuerpo, por lo que la caída de la pelota se debe a una fuerza. Pero ¿cuál es el cuerpo que ejerce la fuerza?
En este caso, el cuerpo que ejerce la fuerza sobre la pelota haciéndola caer, es la Tierra. ¿Ocurrirá lo mismo con otros cuerpos al ser lanzados hacia arriba?
Nuestro planeta ejerce una fuerza sobre todos los cuerpos que están en su superficie, atrayéndolos. Esta fuerza se conoce con el nombre de fuerza de gravedad o peso.
El peso, al igual que todas las fuerzas, puede ser representado mediante un vector. Este vector tiene una dirección vertical al lugar donde se encuentra el cuerpo, y su sentido apunta siempre hacia el centro de la Tierra.
Conversemos
Todos los días cargas un gran peso trasladando tu mochila y, en ocasiones, lo haces usando un solo hombro, transformándose en una costumbre. De esta forma, sin darte cuenta, estás perjudicando los huesos y músculos de tu espalda, llegando incluso a deformar tu columna vertebral. ¿Qué acciones podrías realizar para mejorar este hábito?, ¿qué otras acciones podrías realizar para cuidar los músculos y huesos de tu espalda, por ejemplo, al estar sentado en clases?
¿De qué depende el peso de un cuerpo?
¿Qué crees que resulta más fácil, levantar una pelota de fútbol o una pelotita de plumavit?
Ciertamente es más fácil levantar una pelotita de plumavit, debido a que el peso de esta es menor que el peso de la pelota de fútbol. Esto quiere decir que la fuerza con que la Tierra atrae a la pelota de fútbol, es mayor que la fuerza con que atrae a la de plumavit.
¿Cuál es la diferencia entre peso y masa?
Si bien masa y peso son conceptos muy diferentes, se encuentran relacionados entre sí. El peso depende simultáneamente de la masa que posea el cuerpo y del lugar del universo en el que este se encuentre. De esta manera, masa y peso se vinculan a través de la relación:
Peso (N) = masa (kg) x gravedad (N/kg)
La masa de un cuerpo no cambiará aunque este sea llevado a otros lugares del universo. El peso, en cambio, corresponde a la fuerza con que la Tierra atrae a dicho cuerpo hacia su centro. Por ejemplo, si la masa de un cuaderno aquí en la Tierra es de 1 kilogramo; su peso es de unos 10 N. ¿Cómo será la masa y el peso del mismo cuaderno en la Luna?
Fuerza de Gravedad (Ley de Gravitación Universal)
En 1687, Isaac Newton enunció la ley de gravitación universal, que explica el movimiento de los astros en el universo y muchos otros fenómenos. Newton comprobó que la fuerza que atraía a una manzana hacia el suelo era la misma que mantenía a la Luna orbitando en torno a la Tierra.
Según esta ley, todos los cuerpos con masa en el universo se atraen unos a otros mediante la fuerza de gravedad. La intensidad de esta fuerza depende de dos factores: la masa de los objetos y la distancia entre ellos.
La ley de gravitación universal se expresa a través de la siguiente fórmula matemática:
F = G * (m₁ * m₂) / d²
Donde:
- F es la fuerza de gravedad entre los dos cuerpos.
- G es la constante de gravitación universal, un valor que no cambia en ninguna parte del Universo.
- m₁ y m₂ son las masas de los dos cuerpos.
- d es la distancia que separa los centros de los dos cuerpos.
Por lo tanto, la fuerza de gravedad (F) es mayor cuando el producto de las masas de los cuerpos que interactúan aumenta y disminuye cuando la distancia que separa ambos cuerpos es mayor.
La masa de dos cuerpos cualesquiera del Universo se atraen con una fuerza que disminuye con la distancia. Mientras mayor sea la masa de los cuerpos y más cerca se encuentren el uno del otro, más intensa será la fuerza gravitacional entre ellos.
En el caso de nuestro planeta, la fuerza de gravedad apunta hacia el centro de la Tierra, por lo cual atrae los cuerpos hacia la superficie terrestre y actúa a distancia; por esta razón, es experimentada no solo en cualquier lugar de nuestro planeta, sino que también lejos de él.
Gravedad en el Espacio
Las millones de estrellas contenidas en nuestra galaxia interactúan entre sí mediante fuerzas gravitacionales. Si bien las estrellas y galaxias se encuentran muy alejadas unas de otras, la fuerza de gravedad que se ejerce es grande ya que sus masas también lo son.
La fuerza de gravedad es responsable de los movimientos que se observan en el universo, como el movimiento de los planetas alrededor del Sol y la órbita de la Luna alrededor de la Tierra. También permite que cientos de satélites artificiales estén, en este mismo momento, orbitando nuestro planeta.
La Luna gira alrededor de nuestro planeta empleando aproximadamente 28 días en cada vuelta.
Si atas una pelota a una cuerda y comienzas a hacerla girar circularmente sobre tu cabeza, sentirás en tu mano la acción de una fuerza que actúa hacia el centro del círculo descrito por la pelota. Si imaginas que tu mano es la Tierra y la pelota es la Luna, la fuerza que ejerce tu mano, sería como la fuerza de gravedad que determina la órbita lunar.
Conversemos
La fuerza de gravedad tiene gran influencia en la formación de estrellas a partir de las nubes interestelares y también es responsable de los agujeros negros. Estos son cuerpos pequeños pero dotados de una masa extraordinariamente grande, por lo que ejercen una fuerza de gravedad muy intensa sobre cualquier objeto colocado en su vecindad, atrayéndolo hacia sí e impidiendo que este pueda escapar. De la gravedad de un agujero negro no puede escapar ni siquiera la luz.
La Fuerza de Roce
Observa la siguiente fotografía.
¿Por qué crees que es necesario hacer un esfuerzo para mover las cajas?
En las zonas de contacto entre la caja y el suelo, aparece una fuerza que se opone al movimiento, por eso se debe hacer un esfuerzo para vencerla. Esa fuerza se llama fuerza de roce o fricción.
La fuerza de roce es responsable de que los cuerpos reduzcan la rapidez con que se mueven y lleguen incluso a detenerse.
Tipos de Fuerza de Roce
Fuerza de roce deslizante
Este tipo de roce se presenta cuando dos superficies sólidas se deslizan una sobre la otra. Depende de las sustancias de las que están hechos los objetos que se ponen en contacto; mientras más rugosas sean las superficies, mayor será la intensidad de la fuerza de roce.
Fuerza de roce rodante
Esta fuerza de roce se presenta cuando un cuerpo, como la rueda de un auto o de una bicicleta, gira sobre el suelo sin resbalar. En general, esta fuerza es menor que la de roce deslizante.
Fuerza de roce viscoso
Esta es la fuerza de roce existente cuando un cuerpo sólido se mueve dentro de un fluido, como el agua o el aire. La fuerza de roce viscoso aumenta al crecer la velocidad del movimiento del cuerpo.
La Fuerza Normal
Cuando te encuentras de pie, tu peso es una fuerza que se ejerce sobre el suelo, pero, ¿por qué no te mueves en la dirección de esta fuerza? Esto se debe a que tu peso se encuentra en equilibrio con otra fuerza de igual magnitud y dirección, pero de sentido contrario, esta se llama fuerza normal. Esta fuerza aparece cada vez que un cuerpo se apoya sobre una superficie. Por ejemplo, un televisor apoyado sobre una mesa o un esquiador que desciende por la ladera de una montaña experimentan la acción de la fuerza normal.
La intensidad de la fuerza normal alcanza su máximo valor cuando la superficie de apoyo es horizontal y disminuye a medida que la superficie se inclina, como en el caso de la ladera de un cerro. La fuerza normal es cero si el cuerpo no se encuentra apoyado sobre la superficie.
Acción Muscular
Una de las principales características de los animales es su capacidad de moverse y desplazarse. Pero ¿qué es lo que permite el movimiento? El desplazamiento de los seres vivos es posible debido a la presencia de estructuras que les permiten caminar, saltar, correr y aplicar fuerzas sobre otros cuerpos.
En nuestro cuerpo, el sistema locomotor es el que permite que podamos movernos. Los músculos que forman parte del sistema locomotor, al contraerse y relajarse son capaces de producir una fuerza, lo que se traduce en movimiento o en la deformación de algún cuerpo.