Fuerza FÍS.

Categoria:

Física

Origen de la noción científica. Actualmente en Física la f. es una magnitud que no tiene nada en común, salvo el nombre, con la sensación subjetiva de esfuerzo corporal (f. física). Así pasa también con el trabajo de una f. en Física y el trabajo ("físico") corporal.

De dos hombres, se dice que uno es más "fuerte" que otro cuando es capaz de levantar una piedra más pesada o poner tenso un arco más duro. En esta evaluación radica el germen de la objetivación de la sensación, puramente subjetiva, del esfuerzo físico, o sea, de su abstracción y transformación en magnitud física, siendo el punto de partida de la Estática (v.). En cuanto al peso de los cuerpos, es la balanza (v.) el instrumento de comparación (sobre la superficie terrestre); dos cuerpos tienen el mismo peso cuando colocados sobre los dos platillos de una balanza en equilibrio no alteran este equilibrio. Si se colocan los dos cuerpos de igual peso sobre un mismo platillo y sobre el otro se coloca un tercer cuerpo que los equilibre se dice entonces que el tercer cuerpo pesa el doble que cada uno de los dos primeros. Éste es el fundamento de la medida (v.) en Física y de ahí el carácter relativo de los números, expresión de esa medida; dependen del cuerpo escogido como patrón al que se le asigna el número "uno".

Otras f. comparables al peso son las f. elásticas (v. ELASTICIDAD). De este tipo es la que se necesita aplicar para doblar un arco o para extender un muelle. Si se quisiera medir la f. capaz de dar a un muelle un cierto alargamiento bastaría con colgar del mismo un peso tal que, obtenido el alargamiento, el sistema muelle-peso se hallase en equilibrio. Se dice entonces que la f. de recuperación del muelle (que siempre tiende a volver a su posición libre primitiva) dirigida hacia arriba es igual en valor al peso del cuerpo dirigido hacia abajo (hacia el centro de la Tierra). Estableciendo una ley para los alargamientos y encogimientos de un muelle se puede, a su vez, medir pesos; es lo que se hace con un dinamómetro (fig. 1). Apoyándose, para pequeños desplazamientos, en la ley de Hooke, la f., F, que provoca el desplazamiento, r, del extremo del muelle es proporcional a dicho desplazamiento,

F=k r;

la constante k depende intrínsecamente del muelle. Fuera del dominio de la ley de Hooke es también posible medir pesos, pero la graduación de la escala deja de tener intervalos iguales. Por supuesto ha de admitirse, a fin de dar validez al uso repetido del muelle que éste se recupera íntegramente después de cada uno de los esfuerzos a que se le somete.

Se observa que si un sistema, tal como el muelle y el peso, se halla en equilibrio (v.), alterando una de las f., el sistema se pone en movimiento. Si un peso sostenido en equilibrio con la mano, se deja caer, el movimiento proviene de la eliminación de la sustentación de la mano, o sea, de la alteración de una de las f. Una flecha se dispara cuando la armadura del arco tenso deja de retenerla. Así, una f. suplementaria o la eliminación de una de las f. en un sistema que se halla en equilibrio determinan un movimiento (v.), que no es uniforme (inercial). Éste es el punto de partida de la Dinámica (v.). Este movimiento es acelerado, con una aceleración a=F/m, siendo F la fuerza y m la masa del cuerpo.

También es un hecho de experiencia elemental el que los objetos macroscópicos "interactúan", o sea, se perturban unos a otros, dependiendo ello a veces de la distancia que los separa. Desde 1. Newton (1643-1727) se postula que toda interacción entre dos objetos puede describirse mediante dos f. (principio de la acción y de la reacción) de valores iguales y dirigidas contrariamente, de uno a otro (v. MECÁNICA I).

Las fuerzas que aparecen en el cuadro n° 1 son:

A) Fuerzas responsables de la estabilidad del sistema solar y del movimiento de los objetos en el campo de la gravedad terrestre, pero que pueden ser despreciadas cuando se consideran objetos cuánticos. Son siempre atractivas.

B) Fuerzas que se pueden superponer a las anteriores si los objetos poseen carga eléctrica y que pudieran ser las responsables de la estabilidad de los sistemas de objetos cuánticos. Aparecen incluso cuando los objetos son globalmente neutros, si éstos poseen en su estructura regiones en las que la densidad de carga existe, positiva o negativa, frente a otras regiones: tal es el caso de las moléculas, en particular en la molécula de agua. Pueden ser atractivas o repulsivas; ello depende del signo de las cargas: de igual signo se repelen y de signo contrario se atraen.

C) Fuerzas magnéticas que aparecen cuando dos corrientes eléctricas se ponen en presencia, incluso cuando se trata de corrientes a nivel cuántico. Aunque menos importantes en valor que las anteriores, son las responsables de la estabilidad de los "edificios" atómicos y moleculares. Pueden ser atractivas o repulsivas.

Al nivel puramente cuántico (v. FÍSICA NUCLEAR; PARTÍCULAS ELEMENTALES; CHOQUES) es preciso tener en cuenta otras fuerzas cuya comparación con las gravitaciones se hace a continuación:

Tipo

Valor(orden de magnitud relativo)

Alcance supuesto

Fuerzas de las "interacciones fuertes"

1

10-15 m.

Fuerzas electromagnéticas

10-2

Infinito

Fuerzas de las "interacciones débiles"

10-14

10-19 m.

Fuerzas gravitatorias (A)

10-40

infinito

Interpretación moderna de las fuerzas. Campos. Se suele distinguir, asimismo, entre f. externas e internas a un sistema de objetos macroscópicos o cuánticos. Las primeras corresponden a las interacciones de los objetos del sistema con otros objetos exteriores al mismo, mientras que las segundas corresponden a las interacciones entre objetos del propio sistema. Tanto unas como otras se suelen entender actualmente no como "acciones a distancia" engendradas por los objetos y que se trasmiten instantáneamente a los otros objetos, sino como manifestación de campos asociados a los objetos, y que se traducen en perturbaciones locales del espacio, cuya trasmisión se efectúa con velocidad finita, siempre inferior a la velocidad de la luz (v. CAMPOS, TEOxíA DE LOS). Así para las f. del cuadro n° 1,

A :masas --> acción gravitatoria --> campo de gravitación.

B :cargas --> acción eléctrica --> campo electrostático.

C: corrientes --> acción magnética --> campo de inducción magnética.

Carácter vectorial de las fuerzas en la descripción clásica. Siempre es preciso dar más de un número para caracterizar una f. En Mecánica clásica son necesarios al menos dos, a veces, tres, y, en general, seis (en el espacio euclídeo de tres dimensiones). Puesto que

F=ma

la f. siempre tiene la dirección de la aceleración a del punto móvil.

La velocidad y la aceleración asociadas al punto móvil han de ser descritas por más de un número, pues es preciso indicar la trayectoria de dicho móvil; por eso las f. han de ser descritas del mismo modo. Los vectores (v.) permiten tal descripción. Los ejemplos de experiencia elemental no faltan para mostrar esa exigencia.

Si en la fig. 5 el carro se mueve y su velocidad varía o de valor (módulo) o de dirección, hay una f. actuando sobre él que le hace cambiar su estado de reposo o de movimiento uniforme (a=0).

Si no hay movimiento de traslación es porque las f. actuantes se reducen a cero en valor (fig. 6), pero el cero no describe el sistema de f., pues puede haber movimiento de rotación (fig. 7, a y b).

Para que no haya movimiento ni de traslación ni de giro es preciso que las f. no se reduzcan a un par (dos f. cuya suma es cero, pero que se apoyan sobre dos rectas paralelas).

Para sumar las f. actuando sobre un sistema basta construir un paralelogramo sobre ellas y sacar la diagonal principal (fig. Sa). La diagonal secundaria corresponde precisamente a la diferencia entre las f. Si hubiera varias se opera dos a dos hasta acabar con todas; entonces la última diagonal principal es la suma de todas. El mismo resultado se obtiene poniendo unas detrás de otras y uniendo el primer origen con el último extremo (fig. 8b).

V. t.: DINÁMICA; INERCIA; ESTÁTICA.

M. G. VELARDE.

BIBL.: J. G. SANTESMASES, Física General, Madrid 1968; A. EINSTEIN y L. INFELD, La Física, aventura del pensamiento, 5 ed. Buenos Aires 1958; MAX BORN, La Théorie de la Relativité d’Einstein et ses bases physiques (exposé élémentaire), París 1923.