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15/9/2015

Fuerza ­ Wikipedia, la enciclopedia libre

Fuerza De Wikipedia, la enciclopedia libre En física, la fuerza es una magnitud vectorial que mide la  intensidad  del  intercambio  de  momento  lineal  entre dos  partículas  o  sistemas  de  partículas.  Según  una definición  clásica,  fuerza  es  todo  agente  capaz  de modificar la cantidad de movimiento o la forma de los materiales.  No  debe  confundirse  con  los  conceptos  de esfuerzo o de energía. En el Sistema  Internacional  de  Unidades,  la  unidad  de medida de fuerza es el newton que se representa con el símbolo:  N  ,  nombrada  así  en  reconocimiento  a  Isaac Newton por su aportación a la física, especialmente a la mecánica clásica. El newton es una unidad derivada del SI  que  se  define  como  la  fuerza  necesaria  para proporcionar una aceleración  de  1  m/s²  a  un  objeto  de 1 kg de masa.

Descomposición de las fuerzas que actúan sobre un sólido situado en un plano inclinado.

Índice 1 Introducción 2 Historia 3 Fuerza en mecánica newtoniana 3.1 Fuerzas de o y fuerzas a distancia 3.2 Fuerzas internas y de o 3.3 Fricción 3.4 Fuerza gravitatoria 3.5 Fuerzas de campos estacionarios 3.6 Fuerza eléctrica 3.7 Unidades de fuerza 4 Fuerza en mecánica relativista 4.1 "Fuerza" gravitatoria 4.2 Fuerza electromagnética 5 Fuerza en física cuántica 5.1 Fuerza en mecánica cuántica 5.2 Fuerzas fundamentales en teoría cuántica de campos 6 Véase también 7 Referencias 8 Bibliografía 9 Enlaces externos

Introducción https://es.wikipedia.org/wiki/Fuerza

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La fuerza es un modelo matemático de intensidad de las interacciones, junto con la energía. Así por ejemplo la fuerza gravitacional es la atracción entre los cuerpos que tienen masa, el peso es la atracción que la Tierra ejerce sobre los objetos en las cercanías de su superficie, la fuerza elástica es el empuje o tirantez que ejerce un resorte comprimido o estirado respectivamente, etc. En física hay dos tipos de ecuaciones de fuerza: las ecuaciones  "causales"  donde  se  especifica  el  origen  de  la  atracción  o  repulsión:  por  ejemplo  la  ley de la gravitación  universal  de  Newton  o  la  ley  de  Coulomb  y  las  ecuaciones  de  los  efectos  (la  cual  es fundamentalmente la segunda ley de Newton). La  fuerza  es  una  magnitud  física  de  carácter  vectorial  capaz  de  deformar  los  cuerpos  (efecto  estático), modificar  su  velocidad  o  vencer  su  inercia  y  ponerlos  en  movimiento  si  estaban  inmóviles  (efecto dinámico). En este sentido la fuerza puede definirse como toda acción o influencia capaz de modificar el estado de movimiento o de reposo de un cuerpo (imprimiéndole una aceleración que modifica el módulo o la dirección de su velocidad). Comúnmente nos referimos a la fuerza aplicada sobre un objeto sin tener en cuenta al otro objeto u objetos con los que está interactuando y que experimentarán, a su vez, otras fuerzas. Actualmente, cabe definir la fuerza  como  un  ente  físico­matemático,  de  carácter  vectorial,  asociado  con  la  interacción  del  cuerpo  con otros cuerpos que constituyen su entorno.

Historia El  concepto  de  fuerza  fue  descrito  originalmente  por  Arquímedes,  si bien  únicamente  en  términos  estáticos.  Arquímedes  y  otros  creyeron que el "estado natural"  de  los  objetos  materiales  en  la  esfera  terrestre era el reposo y que los cuerpos tendían, por sí mismos, hacia ese estado si  no  se  actuaba  sobre  ellos  en  modo  alguno.  De  acuerdo  con Aristóteles la perseverancia del movimiento requería siempre una causa eficiente  (algo  que  parece  concordar  con  la  experiencia  cotidiana, donde las fuerzas de fricción pueden pasar desapercibidas). Galileo  Galilei  (1564­1642)  sería  el  primero  en  dar  una  definición dinámica  de  fuerza,  opuesta  a  la  de  Arquímedes,  estableciendo claramente la ley de la inercia,  afirmando  que  un  cuerpo  sobre  el  que no actúa ninguna fuerza permanece en movimiento inalterado. Esta ley, que refuta la tesis de Arquímedes, aún hoy día no resulta obvia para la mayoría de las personas sin formación científica. Se  considera  que  fue  Isaac  Newton  el  primero  que  formuló Busto de Arquímedes. matemáticamente la moderna definición de fuerza, aunque también usó el término latino vis impressa ('fuerza impresa') y vis motrix para otros conceptos diferentes. Además, Isaac Newton postuló que las fuerzas gravitatorias variaban según la ley de la inversa del cuadrado de la distancia. Charles  Coulomb  fue  el  primero  que  comprobó  que  la  interacción  entre  cargas  eléctricas  o  electrónicas puntuales también varía según la ley de la inversa del cuadrado de la distancia (1784).

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En  1798,  Henry  Cavendish  logró  medir  experimentalmente  la  fuerza  de  atracción  gravitatoria  entre  dos masas  pequeñas  utilizando  una  balanza  de  torsión.  Gracias  a  lo  cual  pudo  determinar  el  valor  de  la constante de la gravitación universal y, por tanto, pudo calcular la masa de la Tierra. Con el desarrollo de la electrodinámica cuántica, a mediados del siglo XX, se constató que la "fuerza" era una  magnitud  puramente  macroscópica  surgida  de  la  conservación  del  momento  lineal  o  cantidad  de movimiento  para  partículas  elementales.  Por  esa  razón  las  llamadas  fuerzas  fundamentales  suelen denominarse "interacciones fundamentales".

Fuerza en mecánica newtoniana La fuerza se puede definir a partir de la derivada temporal del momento lineal:

Si la masa permanece constante, se puede escribir: (*)

donde m es la masa y a la aceleración, que es la expresión tradicional de la segunda ley de Newton. En el caso  de  la  estática,  donde  no  existen  aceleraciones,  las  fuerzas  actuantes  pueden  deducirse  de consideraciones de equilibrio. La ecuación (*) es útil sobre todo para describir el movimiento de partículas o cuerpos cuya forma no es relevante para el problema planteado. Pero incluso si se trata de estudiar la mecánica de sólidos rígidos se necesitan postulados adicionales para definir la velocidad angular del sólido, o su aceleración angular así como  su  relación  con  las  fuerzas  aplicadas.  Para  un  sistema  de  referencia  arbitrario  la  ecuación  (*) debe substituirse por:1

Donde:

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Fuerzas de o y fuerzas a distancia En un sentido estricto, todas las fuerzas naturales son fuerzas producidas a distancia como producto de la interacción entre cuerpos; sin embargo desde el punto de vista macroscópico, se acostumbra a dividir a las fuerzas en dos tipos generales: Fuerzas  de  o,  las  que  se  dan  como  producto  de  la  interacción  de  los  cuerpos  en  o directo; es decir, chocando sus superficies libres (como la fuerza normal). Fuerzas a distancia, como la fuerza gravitatoria o la coulómbica entre cargas, debido a la interacción entre  campos  (gravitatorio,  eléctrico,  etc.)  y  que  se  producen  cuando  los  cuerpos  están  separados cierta distancia unos de los otros, por ejemplo: el peso.

Fuerzas internas y de o En  los  sólidos,  el  principio  de  exclusión  de  Pauli  conduce  junto  con  la conservación de la energía a que los átomos tengan sus electrones distribuidos en  capas  y  tengan  impenetrabilidad  a  pesar  de  estar  vacíos  en  un  99%.  La impenetrabilidad  se  deriva  de  que  los  átomos  sean  "extensos"  y  que  los electrones  de  las  capas  exteriores  ejerzan  fuerzas  electrostáticas  de  repulsión que hacen que la materia sea macroscópicamente impenetrable. Lo  anterior  se  traduce  en  que  dos  cuerpos  puestos  en  "o" experimentarán  superficialmente  fuerzas  resultantes  normales  (o aproximadamente normales) a la superficie que impedirán el solapamiento de las nubes electrónicas de ambos cuerpos.

FN representa la fuerza normal ejercida por el plano inclinado sobre el objeto situado sobre él.

Las fuerzas internas son similares a las fuerzas de o entre ambos cuerpos y si bien tienen una forma más complicada, ya que no existe una superficie macroscópica a través de la cual se den la superficie. La complicación  se  traduce  por  ejemplo  en  que  las  fuerzas  internas  necesitan  ser  modelizadas  mediante  un tensor de tensiones en que la fuerza por unidad de superficie que experimenta un punto del interior depende de la dirección a lo largo de la cual se consideren las fuerzas. Lo anterior se refiere a sólidos, en los fluidos en reposo las fuerzas internas dependen esencialmente de la presión, y en los fluidos en movimiento también la viscosidad puede desempeñar un papel importante.

Fricción La  fricción  en  sólidos  puede  darse  entre  sus  superficies  libres  en  o.  En  el  tratamiento  de  los problemas mediante mecánica newtoniana, la fricción entre sólidos frecuentemente se modeliza como una fuerza tangente sobre cualquiera de los planos del o entre sus superficies, de valor proporcional a la fuerza normal. El rozamiento entre sólido­líquido y en el interior de un líquido o un gas depende esencialmente de si el flujo se considera laminar o turbulento y de su ecuación constitutiva.

Fuerza gravitatoria https://es.wikipedia.org/wiki/Fuerza

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En  mecánica  newtoniana  la  fuerza  de  atracción  entre  dos  masas,  cuyos  centros  de  gravedad  están  lejos comparadas con las dimensiones del cuerpo,2 viene dada por la ley de la gravitación universal de Newton:

Donde:  es la fuerza que actúa sobre el cuerpo 2, ejercida por el cuerpo 1.  constante de la gravitación universal.  vector de posición relativo del cuerpo 2 respecto al cuerpo 1.  es el vector unitario dirigido desde 1 hacía 2.  masas de los cuerpos 1 y 2.

Fuerzas gravitatorias entre dos partículas.

Cuando la masa de uno de los cuerpos es muy grande en comparación con la del otro (por ejemplo, si tiene dimensiones planetarias), la expresión anterior se transforma en otra más simple:

Donde:  es la fuerza del cuerpo de gran masa ("planeta") sobre el cuerpo pequeño.  es un vector unitario dirigido desde el centro del "planeta" al cuerpo de pequeña masa.  es la distancia entre el centro del "planeta" y el del cuerpo pequeño. Véase también: Gravedad

Fuerzas de campos estacionarios En  mecánica  newtoniana  también  es  posible  modelizar  algunas  fuerzas  constantes  en  el  tiempo  como campos  de  fuerza.  Por  ejemplo  la  fuerza  entre  dos  cargas  eléctricas  inmóviles,  puede  representarse adecuadamente mediante la ley de Coulomb:

Donde: https://es.wikipedia.org/wiki/Fuerza

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 es la fuerza ejercida por la carga 1 sobre la carga 2.  una constante que dependerá del sistema de unidades para la carga.  vector de posición de la carga 2 respecto a la carga 1.  valor de las cargas. También los campos magnéticos estáticos y los debidos a cargas estáticas con distribuciones más complejas pueden resumirse en dos funciones vectoriales llamadas campo eléctrico y campo magnético tales que una partícula en movimiento respecto a las fuentes estáticas de dichos campos viene dada por la expresión  de Lorentz:

Donde:  es el campo eléctrico.  es el campo magnético.  es la velocidad de la partícula.  es la carga total de la partícula. Los  campos  de  fuerzas  no  constantes  sin  embargo  presentan  una  dificultad  especialmente  cuando  están creados por partículas en movimiento rápido, porque en esos casos los efectos relativistas de retardo pueden ser importantes, y la mecánica clásica, da lugar a un tratamiento de acción a distancia  que  puede  resultar inadecuado si las fuerzas cambian rápidamente con el tiempo.

Fuerza eléctrica La fuerza eléctrica también son de acción a distancia, pero a veces la interacción entre los cuerpos actúa como una fuerza atractiva mientras que, otras veces, tiene el efecto inverso, es decir puede actuar como una fuerza repulsiva.

Unidades de fuerza En el Sistema Internacional de Unidades (SI) y en el Cegesimal (cgs), el hecho de definir la fuerza a partir de la masa y la aceleración (magnitud en la que intervienen longitud y tiempo), conlleva a que la fuerza sea una magnitud derivada. Por en contrario, en el Sistema Técnico la fuerza es una Unidad Fundamental y a partir de ella se define la unidad de masa en este sistema, la unidad técnica de masa, abreviada u.t.m. (no tiene símbolo). Este hecho atiende a las evidencias que posee la física actual, expresado en el concepto de fuerzas fundamentales, y se ve reflejado en el Sistema Internacional de Unidades. Sistema Internacional de Unidades (SI) newton (N) Sistema Técnico de Unidades kilogramo­fuerza (kgf) o kilopondio (kp) Sistema Cegesimal de Unidades dina (dyn) Sistema anglosajón de unidades Poundal https://es.wikipedia.org/wiki/Fuerza

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Libra fuerza (lbf) KIP (= 1000 lbf) Equivalencias 1 newton = 100 000 dinas 1 kilogramo­fuerza = 9,806 65 newtons 1 libra fuerza ≡ 4,448 222 newtons

Fuerza en mecánica relativista En relatividad especial la fuerza se debe definir sólo como derivada del momento lineal, ya que en este caso la fuerza no resulta simplemente proporcional a la aceleración:

De  hecho  en  general  el  vector  de  aceleración  y  el  de  fuerza  ni  siquiera  serán  paralelos,  sólo  en  el movimiento circular uniforme  y  en  cualquier  movimiento rectilíneo  serán  paralelos  el  vector  de  fuerza  y aceleración  pero  en  general  se  el  módulo  de  la  fuerza  dependerá  tanto  de  la  velocidad  como  de  la aceleración.

"Fuerza" gravitatoria En la teoría de la relatividad general el campo gravitatorio no se trata como un campo de fuerzas real, sino como un efecto de la curvatura del espacio­tiempo. Una partícula másica que no sufre el efecto de ninguna otra  interacción  que  la  gravitatoria  seguirá  una  trayectoria  geodésica  de  mínima  curvatura  a  través  del espacio­tiempo, y por tanto su ecuación de movimiento será:

Donde:  son las coordenadas de posición de la partícula.  el parámetro de arco, que es proporcional al tiempo propio de la partícula.  son los símbolos de Christoffel correspondientes a la métrica del espacio­tiempo. La fuerza gravitatoria aparente procede del término asociado a los símbolos de Christoffel. Un observador en "caída libre" formará un sistema de referencia en movimiento en el que dichos símbolos de Christoffel son nulos, y por tanto no percibirá ninguna fuerza gravitatoria tal como sostiene el principio de equivalencia que ayudó a Einstein a formular sus ideas sobre el campo gravitatorio. https://es.wikipedia.org/wiki/Fuerza

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Fuerza electromagnética El efecto del campo electromagnético sobre una partícula relativista viene dado por la expresión covariante de la fuerza de Lorentz:

Donde:  son las componentes covariantes de la cuadrifuerza experimentada por la partícula.  son las componentes del tensor de campo electromagnético.  son las componentes de la cuadrivelocidad de la partícula. La ecuación de movimiento de una partícula en un espacio­tiempo curvo y sometida a la acción de la fuerza anterior viene dada por:

Donde la expresión anterior se ha aplicado el convenio de sumación de Einstein para índices repetidos, el miembro de la derecha representa la cuadriaceleración y siendo las otras magnitudes:   son  las  componentes  contravarianetes  de  la  cuadrifuerza  electromagnética  sobre  la partícula.  es la masa de la partícula.

Fuerza en física cuántica Fuerza en mecánica cuántica En mecánica cuántica no resulta fácil definir para muchos sistemas un equivalente claro de la fuerza. Esto sucede porque en mecánica cuántica un sistema mecánico queda descrito por una función de onda o vector de estado   que en general representa a todo el sistema en conjunto y no puede separarse en partes. Sólo para  sistemas  donde  el  estado  del  sistema  pueda  descomponerse  de  manera  no  ambigua  en  la  forma    donde  cada  una  de  esas  dos  partes  representa  una  parte  del  sistema  es  posible  definir  el concepto de fuerza. Sin embargo en la mayoría de sistemas interesanes no es posible esta descomposición. Por  ejemplo  si  consideramos  el  conjunto  de  electrones  de  un  átomo,  que  es  un  conjunto  de  partículas idénticas  no  es  posible  determinar  una  mangitud  que  represente  la  fuerza  entre  dos  electrones  concretos, porque no es posible escribir una función de onda que describa por separado los dos electrones.

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Sin embargo, en el caso de una partícula aislada sometida a la acción de una fuerza conservativa es posible describir la fuerza mediante un potencial externo e introducir la noción de fuerza. Esta situación es la que se da  por  ejemplo  en  el modelo atómico de Schrödinger  para  un  átomo hidrogenoide  donde  el  electrón  y  el núcleo  son  discernibles  uno  de  otro.  En  éste  y  otros  casos  de  una  partícula  aislada  en  un  potencial  el teorema de Ehrenfest lleva a una generalización de la segunda ley de Newton en la forma:

Donde:  es el valor esperado del momento lineal de la partícula.  es la función de onda de la partícula y su compleja conjugada.  es el potencial del que derivar las "fuerzas".  denota el operador nabla. En otros casos como los experimentos de colisión o dispersión de partículas elementales de energía positiva que son disparados contra otras partículas que hacen de blanco, como los experimentos típicos llevados a cabo en aceleradores de partículas a veces es posible definir un potencial que está relacionado con la fuerza típica  que  experimentará  una  partícula  en  colisión,  pero  aun  así  en  muchos  casos  no  puede  hablarse  de fuerza en el sentido clásico de la palabra.

Fuerzas fundamentales en teoría cuántica de campos En  teoría  cuántica  de  campos,  el  término  "fuerza"  tiene  un  sentido  ligeramente  diferente  al  que  tiene  en mecánica clásica debido a la dificultad específica señalada en la sección anterior de definir un equivalente cuántico de las fuerzas clásicas. Por esa razón el término "fuerza fundamental" en teoría cuántica de campos se refiere al modo de interacción entre partículas o campos cuánticos, más que a una medida concreta de la interacción de dos partículas o campos. La teoría cuántica de campos trata de dar una descripción de las formas de interacción existentes entre las diferentes  formas  de  materia  o  campos  cuánticos  existentes  en  el  Universo.  Así  el  término  "fuerzas fundamentales" se refiere actualmente a los modos claramente diferenciados de interacción que conocemos. Cada  fuerza  fundamental  quedará  descrita  por  una  teoría  diferente  y  postulará  diferentes  lagrangianos  de interacción que describan como es ese modo peculiar de interacción. Cuando se formuló la idea de fuerza fundamental se consideró que existían cuatro "fuerzas fundamentales": la  gravitatoria,  la  electromagnética,  la  nuclear  fuerte  y  la  nuclear  débil.  La  descripción  de  las  "fuerzas fundamentales" tradicionales es la siguiente: 1.  La gravitatoria es la fuerza de atracción que una masa ejerce sobre otra, y afecta a todos los cuerpos. La gravedad es una fuerza muy débil y de un sólo sentido, pero de alcance infinito. 2.  La fuerza electromagnética afecta a los cuerpos eléctricamente cargados, y es la fuerza involucrada en  las  transformaciones  físicas  y  químicas  de  átomos  y  moléculas.  Es  mucho  más  intensa  que  la https://es.wikipedia.org/wiki/Fuerza

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fuerza gravitatoria, puede tener dos sentidos (atractivo y repulsivo) y su alcance es infinito. 3.  La fuerza o interacción nuclear fuerte es la que mantiene unidos los componentes de los núcleos atómicos, y actúa indistintamente  entre  dos  nucleones  cualesquiera, protones  o  neutrones.  Su  alcance  es  del  orden  de  las dimensiones nucleares, pero es más intensa que la fuerza electromagnética. 4.  La fuerza o interacción nuclear débil es la responsable de la desintegración beta de los neutrones; los neutrinos son sensibles únicamente a este tipo de interacción (aparte de la  gravitatoria)  electromagnética  y  su  alcance  es  aún menor que el de la interacción nuclear fuerte. Sin  embargo,  cabe  señalar  que  el  número  de  fuerzas fundamentales en el sentido anteriormente expuesto depende de nuestro  estado  de  conocimiento,  así  hasta  finales  de  los  años 1960  la  interacción  débil  y  la  interacción  electromagnética  se consideraban  fuerzas  fundamentales  diferentes,  pero  los Cuadro explicativo de las 4 fuerzas avances teóricos permitieron establecer que en realidad ambos fundamentales. tipos de interacción eran manifestaciones fenomenológicamente diferentes  de  la  misma  "fuerza  fundamental",  la  interacción electrodébil.  Se  tiene  la  sospecha  de  que  en  última  instancia  todas  las  "fuerzas  fundamentales"  son manifestaciones fenomenológicas de una única "fuerza" que sería descrita por algún tipo de teoría unificada o teoría del todo.

Véase también Interacciones fundamentales Fuerza conservativa Fuerza ficticia Dinamómetro Sistema Internacional de Unidades Fuerza de empuje horizontal en superficies planas Superfuerza Fuerza G

Referencias 1.  W. Noll (2007): "On the concept of Force" (http://www.math.cmu.edu/~wn0g/Force.pdf) 2.  Si  esta  condición  no  se  cumple  la  expresión  resultante  es  diferente  debido  a  que  las  zonas  más  cercanas  entre cuerpos tienen una influencia mayor que las zonas más alejadas

Bibliografía Landau & Lifshitz: Mecánica, Ed. Reverté, Barcelona, 1991. ISBN 84­291­4081­6.

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masa.

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