La Fuerza

    Si escuchas alguien mencionar la palabra fuerza tal vez piensa en algo como esto.

    En cierto sentido cada una de estas imágenes es correcta ya que aplican la noción de fuerza. De forma general las personas asocian la idea de la fuerza con el empujar y/o jalar un objeto, pero la fuerza es algo más profundo y complejo que esto. El estudio de la dinámica se basa en explicar y entender por qué el movimiento de los objetos cambia. Este “por qué” es lo que conocemos como fuerza.

    El error que muchas veces cometemos es pensar que los objetos solo se pueden mover o dejar de mover si aplicamos una fuerza. Este es un punto de vista que data de la antigua Grecia, fue introducido por Aristóteles. Desde este punto de vista se explica cómo si usas una bicicleta y pedaleas, estás aplicando una fuerza y esta a su vez la bicicleta se mueve. Dejas de pedalear y eventualmente la bicicleta se detiene. Este tipo de intuición parece indicar que Aristóteles estaba en lo cierto. Muchas de las antiguas teorías fueron basadas en observaciones del día a día. Imaginar que el mundo era más grande y complejo de lo que nuestros ojos pueden ver era inconcebible, pero la verdad es que la noción de movimiento es más complicada que eso. Galileo Galilei hizo un experimento que le permitió determinar que todos los objetos tienen una propiedad intrínseca de movimiento y no necesitan de ninguna fuerza exterior para ello. Los objetos se mueven porque están compuestos de materia (átomos) y esta materia tiene propiedades de movimiento.  Esto permitió grandes avances en los campos de la física que hasta ese momento no fueron capaces de resolver.

    Usando la terminología de la física podemos definir la fuerza como “una magnitud vectorial que mide la razón de cambio de momento lineal entre dos partículas o sistemas de partículas”. Se mide en newtons (N) en honor a Isaac Newton y en SI 1 N = 1 kg*m/s². Esta definición contiene palabras claves que definiremos para dar a entender su significado. Para hacer esto debemos de hablar de un hombre específico que permitió formular lo que se conoce como las tres leyes de la dinámica, Sir Isaac Newton.

    Isaac Newton (1642 - 1726/27) físico, teólogo, alquimista, matemático de origen inglés. Se le atribuye junto con Leibniz la invención del cálculo diferencial e integral. Entre sus aportes a la física y la matemática están las leyes de la dinámica, ley de la gravitación universal, el descubrimiento del espectro de color en la luz blanca, desarrollo del teorema del binomio y la formulación de Newton-Cotes, entre otros más. En su Libro “Philosophiæ naturalis principia mathematica” (Principios matemáticos de la filosofía natural) Newton introdujo tres ideas que hoy en día se conocen como las tres leyes de la dinámica. Sus postulados son más o menos de la siguiente forma.

• Todos los cuerpos perseveran en su estado de reposo o de movimiento uniforme en línea recta, salvo que se vean forzados a cambiar ese estado por fuerzas impresas. Otra forma de presentarla es diciendo un cuerpo en reposo permanecerá en reposo y un cuerpo en movimiento uniforme permanecerá en movimiento uniforme salvo que una fuerza neta no-cero actúe sobre ella. Esta también es conocida como la ley de la inercia.
• El cambio de movimiento es proporcional a la fuerza motriz impresa, y se hace en la dirección de la línea recta en la que se imprime esa fuerza. Otra forma de presentarla es diciendo la fuerza es igual a la masa por la aceleración. Esta es la definición más usada de la fuerza.
• Para toda acción hay siempre una reacción opuesta e igual. Las acciones recíprocas de dos cuerpos entre sí son siempre iguales y dirigidas hacia partes contrarias. También es conocida popularmente con la frase cada acción tiene una reacción opuesta y de igual magnitud.

    Aquí presento en contraste la forma postulada y la forma popular que tal vez escucharas profesores y personas en la calle decir, pero es importante conocer la forma postulada para saber a qué se refiere. Antes de desglosar como estas tres leyes trabajan, cabe destacar que en el momento Newton trataba de explicar el mundo conocido sin saber que sus aportes tendrías aplicaciones más allá. Estas leyes hicieron posible el descubrimiento de fuerzas de contacto (Fricción y tensión) y fuerzas a distancia (gravitacional y eléctrica). Hoy gracias a estos, y otros aportes que estudiaremos más adelante, conocemos que el universo está compuesto de cuatro fuerzas fundamentales:

• Fuerza gravitacional que interactúa con la masa de un objeto. Su efecto es cumulativo y es considerada la más débiles de las fuerzas.
• Fuerza electromagnética es la más usada en nuestro día a día, con esta producimos electricidad y de esta provienen las fuerzas de contacto y muchas otras mas
• Fuerza débil es menos obvia ya que tiene sus interacciones en medios menos convencionales, pero es la que hace posible la fusión nuclear en el sol.  
• Fuerza fuerte explica cómo los quarks se unen para crear partículas como los protones y neutrones.

    El estudio de las fuerzas fundamentales ha ayudado a entender el origen del universo. Se postula que en el origen del universo todas estas fuerzas estaban unidas en una sola. La postulación de esta teoría es conocida como “la teoría de todo” pues es posible que si se logra hacer de ella se pueda derivar todos los misterios del universo. Hasta el momento se ha sido capaz de unificar la fuerza electromagnética y la fuerza débil creando la fuerza electrodébil. Esto ha sido confirmado experimentalmente en el acelerador de partículas. Otro paso en la unificación de las fuerzas es unificar la electrodébil y la fuerte, creando la teoría de “la gran fuerza unificada” pero no ha sido confirmada experimentalmente. Finalmente, uno de los atractivos más grande de la física está en la explicación y la unificación de la fuerza gravitacional. Aún hay mucho que no se conoce de ella y es un campo activo de investigación en la física.

    No estudio de la fuerza está completo sin mencionar la inercia. Como fue mencionado en la primera ley, se requiere de fuerza para cambiar el movimiento de un objeto. Los objetos resisten este cambio de forma natural, esta resistencia es lo que llamamos inercia. Un objeto que es difícil de mover o hacer que se detenga es considerado como tener mucha inercia. Esto indica que hay figuras geométricas que son preferidas sobre otras pues su inercia es menor. De la misma forma hay ángulos que facilitan el cambio de movimiento y hay otros que lo hacen más difícil (es más fácil mover un objeto en un plano inclinado que levantarlo 90 grados). Esto es parte integral de la primera ley.

    La cantidad de movimiento que posee un objeto es conocida como “Momentum”. El momentum de un objeto es determinado por la masa de un objeto por su velocidad. Mientras más grande el objeto más masa posee y por lo tanto más momentum. Mientras más velocidad experimenta un objeto más momentum debe tener. Esta es una de las cantidades que se conserva de forma universal y tiene su propia ley universal de conservación. Un cambio en el momentum es el objeto de estudio de la segunda ley. Como el momentum es definido por la velocidad y la velocidad es un vector, la segunda ley se define como el cambio de momentum y esto lo hace un vector. De ahí la definición de la fuerza como una magnitud vectorial.

    Con las leyes de la dinámica, la inercia y el momentum tenemos todos los bloques para construir nuestro entendimiento de la fuerza. En la próxima publicación cubriremos estos elementos desde el punto de vista matemático para ver cómo esto llegó a ser.  Por ahora es bueno que entendamos los puntos que hacen la teoría de lo que es la fuerza. Una vez entendido esto cuando presentemos la matemática de la fuerza tendrá más sentido.

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