fuerzas - Educa-Text
Anuncio
FÍSICA Y QUÍMICA | Versión impresa FUERZAS FÍSICA Y QUÍMICA | FUERZAS | Versión impresa Fuerza La fuerza es toda causa o acción capaz de modificar el estado de movimiento de un cuerpo o de deformarlo. La fuerza es una magnitud física como la distancia, el tiempo o la velocidad, y en el Sis­ tema Internacional (SI) se mide con una unidad llamada newton (N). 10 newtons es, aproximadamente, la fuerza que hay que hacer para levantar un litro de agua. Magnitudes vectoriales y escalares Si para determinar una magnitud física necesitamos su valor y también su dirección y sentido, nos encontramos ante una magnitud vectorial. La fuerza, el desplazamiento, la velocidad y la aceleración, por ejemplo, son magnitudes vectoriales. En cambio, si para determinar una magnitud sólo necesitamos su valor, estamos hablan­ do de una magnitud escalar. La masa, la temperatura y el volumen, por ejemplo, son magnitudes escalares. Caracterización de la fuerza Para determinar completamente una fuerza, se necesita la siguiente información: • Su valor o intensidad (expresado en newtons en el SI), también llamado módulo. • La dirección del espacio sobre la que se encuentra la fuerza. • El sentido de la fuerza, es decir, una de las dos posibles orientaciones sobre la dirección. Representación gráfica de una fuerza La fuerza se representa con una flecha. • La longitud de la flecha nos indica el valor de la fuerza. • La misma flecha nos indica hacia dónde se dirige la fuerza, su dirección y sentido. Las flechas que se utilizan para representar la fuerza y el resto de magnitudes vectoriales se denominan vectores. FUERZAS | 1 FÍSICA Y QUÍMICA | FUERZAS | Versión impresa DinÁmica La rama de la física que estudia las fuerzas y los tipos de movimientos que pueden pro­ ducir se llama dinámica. Los ingredientes más importantes de la dinámica son las leyes de Newton y un con­ cepto que parece muy sencillo pero que en física tiene un significado muy profundo: la masa. Masa La masa es la magnitud que mide la cantidad de materia que contiene un cuerpo. En el Sistema Internacional se mide en kilogramos (kg). Inercia Todos los cuerpos tienen tendencia a no cambiar su estado de movimiento. Cuando un cuerpo se mueve, tiene tendencia a continuar con el mismo movimiento; y cuando un cuerpo está en reposo, a quedarse en reposo. Esta propiedad que consiste en no cambiar el estado de reposo o de movimiento se llama inercia. Esta inercia o tendencia a conservar el estado de movimiento es mayor cuanta más ma­ teria contenga un cuerpo. Es decir, la masa de un cuerpo es una medida de su inercia. Cuanta más masa tiene un cuerpo, más inercia tiene y más difícil es cambiar su movimiento, ya sea acelerándolo, frenándolo o, simplemente, cambiando su dirección. La masa de un cuerpo, es decir, su inercia, es un elemento determinante para saber cómo se moverá un cuerpo cuando se le aplique una fuerza. Naturalmente, también es necesario conocer el valor, dirección y sentido de la fuerza. Leyes de Newton 1.ª Ley de Newton o Ley de la inercia Cuando la fuerza total sobre un cuerpo es nula, si éste se estaba moviendo, lo con­ tinuará haciendo en línea recta y con velocidad constante; si el cuerpo estaba en reposo, seguirá en reposo. • Los cuerpos tienen tendencia a conservar su estado de movimiento a no ser que haya alguna fuerza que los obligue a cambiarlo. • Si un cuerpo está en reposo, tiene tendencia a quedarse en reposo. • Si un cuerpo se está moviendo, tiene tendencia a seguir moviéndose. • La causa que puede modificar el movimiento de un cuerpo es la fuerza. FUERZAS | 2 FÍSICA Y QUÍMICA | FUERZAS | Versión impresa Rozamiento Desde el punto de vista de la dinámica, estar en reposo o en movimiento rectilíneo y uniforme son situaciones equivalentes. • Cuando un cuerpo está en reposo, hace falta una fuerza para ponerlo en movi­ miento. • Una vez que se está moviendo, ya no hace falta ninguna fuerza para que se mantenga en movimiento. Este último punto ya no es tan fácil de entender a partir de la experiencia cotidiana, por­ que cuando impulsamos un cuerpo acostumbramos a ver que al cabo de poco tiempo se acaba deteniendo. Pero esto se debe precisamente a que hay una fuerza de rozamiento, con el suelo o con el aire, que hace que se detenga. Si no hubiera rozamiento, es decir, si no hubiera ninguna fuerza, el movimiento continuaría. Sistema de referencia Cuando se dice que un cuerpo se mueve o está en reposo queremos decir que se mueve respecto a otro cuerpo, o que no lo hace, respectivamente. Como ya sabes, este cuerpo o conjunto de cuerpos que utilizamos para referirnos al movimiento de un objeto se llama sistema de referencia. 2.ª Ley de Newton o Ley fundamental de la dinámica Esta ley establece cómo calcular matemáticamente el movimiento que una fuerza pro­ voca sobre un cuerpo. A este cambio lo conocemos con el nombre de aceleración. Cuando una fuerza actúa sobre un cuerpo, éste experimenta una aceleración en la misma dirección y sentido que la fuerza. El valor de la aceleración es directamente proporcional al valor de la fuerza e inversa­ mente proporcional a la masa del cuerpo: F=m·a En la expresión matemática de esta ley, la fuerza (F) se expresa en newtons (N), la masa (m) en kilogramos (kg) y la aceleración (a), en m/s2. • Cuanto mayor es la masa de un cuerpo, menor es la aceleración que le provoca una determinada fuerza. Esto sucede porque la masa es una medida de la inercia, que es la resistencia a cambiar el estado de movimiento. A medida que esta resistencia es mayor (más masa), se necesita más fuerza para conseguir el mismo cambio (aceleración). FUERZAS | 3 FÍSICA Y QUÍMICA | FUERZAS | Versión impresa 3.ª Ley de Newton o Ley de acción y reacción Cualquier fuerza genera siempre una fuerza de reacción, igual y opuesta. Si un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro, éste también ejerce otra sobre el primero, que tiene el mismo valor pero sentido contrario. Por eso podéis saltar. En realidad, lo que hacéis es una fuerza hacia abajo sobre el suelo, y, en consecuencia, el suelo hace una fuerza hacia arriba sobre vosotros, que es la que os permite elevaros. Accidentes de tráfico Como ya hemos visto, todos los cuerpos tienen una inercia; una resistencia a cambiar su estado de movimiento. Cuando un coche choca repentinamente contra un objeto y se detiene de golpe, los ocupantes del vehículo tienden a seguir adelante con el movimiento que llevaban, im­ pactando con el cristal y con todo lo que encuentran. Por esta razón es muy importante abrocharse el cinturón de seguridad nada más subir al coche. El cinturón hace una fuerza que contrarresta la inercia a seguir hacia delante, con el objetivo de evitar los impactos con el cristal en caso de accidente. La fuerza centrípeta Imaginaos que atáis una piedra al extremo de una cuerda y, cogiendo la cuerda con una mano, la hacéis girar. Si por alguna razón se rompe, la piedra saldrá disparada. Es lo mismo que sucede cuando, en una carrera, un coche o una moto no cogen bien una curva demasiado cerrada y se salen de la calzada. Seguro que habéis oído decir que esto se produce debido a la temible fuerza centrífuga, que empuja hacia fuera los objetos que se mueven circularmente. Nada más lejos de la realidad; la fuerza centrífuga no existe. Si queremos que un movimiento rectilíneo se convierta en circular, tenemos que apli­ car una fuerza que modifique la dirección del movimiento, pero tenemos que aplicarla continuamente porque, en el momento que dejemos de aplicarla, el cuerpo seguirá moviéndose en línea recta. Y, además, esta fuerza tiene que ir dirigida hacia el centro de giro para evitar que el cuerpo salga de la trayectoria circular. Para que un cuerpo siga un movimiento circular, tiene que recibir constantemente una fuerza dirigida hacia el centro de giro. Esta fuerza, que es la causa del movimiento circular, se llama fuerza centrípeta, y es la única que se necesita en un movimiento circular. Cuando un cuerpo que se mueve circularmente se sale de la trayectoria, como la piedra o los vehículos del ejemplo anterior, no es porque haya una fuerza que lo impulse hacia fuera. Esto se debe a que la fuerza centrípeta que va hacia el centro de giro no es bas­ tante alta para modificar el movimiento del cuerpo y evitar que siga con su tendencia a moverse en línea recta. FUERZAS | 4 FÍSICA Y QUÍMICA | FUERZAS | Versión impresa Composición de fuerzas Hasta ahora hemos hablado siempre de una sola fuerza, pero en la realidad suele haber diversas fuerzas actuando simultáneamente sobre un mismo cuerpo. Si hacéis fuerza para arrastrar un armario y no se mueve es porque hay una fuerza de rozamiento con el suelo que se opone a la vuestra y la contrarresta. Siempre que queramos saber cómo se moverá un cuerpo, debemos tener en cuenta todas las fuerzas que actúan sobre él. Esto lo haremos sumando todas estas fuerzas para obtener la llamada fuerza total o resultante que actúa sobre el cuerpo. Esta fuerza resultante es la que determina el movimiento del cuerpo, y es la que tene­ mos que introducir en las leyes de Newton para hacer los cálculos correspondientes. Fuerzas en la misma dirección Cuando dos fuerzas están en la misma dirección y tienen sentidos iguales, la resultante tendrá también la misma dirección y sentido que las fuerzas que hay que sumar, y su valor será la suma de sus valores. Si las fuerzas que queremos sumar están en la misma dirección pero tienen sentidos diferentes, la resultante seguirá estando en esta misma dirección. Su sentido será el de la fuerza con el valor mayor, y su valor se puede calcular restando los valores de las ini­ ciales. Fuerzas en direcciones diferentes Para aprender a sumar fuerzas que tienen direcciones diferentes comenzaremos estu­ diando la suma de vectores con el método gráfico, con el que podremos obtener la resultante a partir de la representación gráfica de las fuerzas que queremos sumar. • Para sumar gráficamente dos fuerzas, lo primero que tenemos que hacer es represen­ tarlas con el origen en el mismo punto. En la realidad, este origen o punto de aplica­ ción corresponde al cuerpo que recibe las fuerzas. • El siguiente paso consiste en trazar desde el extremo final de cada fuerza una línea paralela a la otra fuerza, hasta que estas dos líneas se crucen. • Y, para acabar, la fuerza resultante se obtiene dibujando el vector que va desde el ori­ gen de las fuerzas hasta el punto donde se han cruzado las líneas dibujadas. Equilibrio y fuerzas estáticas En algunos casos, cuando se suman todas las fuerzas que actúan sobre un cuerpo se puede obtener una fuerza resultante igual a cero. Esto significa que todas se contrarres­ tan y, por tanto, es como si no actuara ninguna fuerza sobre el cuerpo. En esta situación, decimos que el cuerpo está en equilibrio. FUERZAS | 5 FÍSICA Y QUÍMICA | FUERZAS | Versión impresa • El equilibrio se puede alcanzar porque realmente no actúa ninguna fuerza o, lo que es más habitual, porque todas las fuerzas que actúan se contrarrestan y suman cero. • Estas fuerzas que, aplicadas sobre un cuerpo, se contrarrestan y no dan lugar a ningún cambio en el movimiento, se llaman fuerzas estáticas. El concepto de equilibrio va ligado al estado de reposo o de movimiento rectilíneo uni­ forme, que, como ya hemos visto, son equivalentes. • En el momento en que un cuerpo sufre una aceleración, esto significa que la fuerza resultante es diferente de cero y, por lo tanto, el cuerpo deja de estar en equilibrio. Fuerzas por contacto y a distancia En la naturaleza existen dos tipos de fuerzas muy diferentes: las fuerzas por contacto y las fuerzas a distancia. • Las fuerzas por contacto únicamente pueden actuar si hay contacto entre el cuerpo que hace la fuerza y el que la recibe. • Las fuerzas a distancia, en cambio, actúan sin que haya contacto físico entre los cuer­ pos. La fuerza centrípeta que acabamos de estudiar puede ser de contacto o a distancia en función de cada tipo de movimiento circular. La Tierra gira alrededor del Sol debido a la fuerza gravitatoria, que es una fuerza a distancia. En cambio, si hacemos girar una piedra atada a una cuerda, la piedra gira debido a la fuerza que le transmite la cuerda por contacto. Fuerza normal Siempre que dos cuerpos están en contacto aparece una fuerza entre ellos que corres­ ponde a la utilizada para apretar un cuerpo contra el otro. Esta fuerza se llama normal y es siempre perpendicular a la superficie de contacto entre los dos cuerpos. Sobre un cuerpo situado en el suelo actúan dos fuerzas: el peso y la normal, perpendicu­ lar al suelo (superficie de contacto) y del mismo valor pero sentido contrario al peso. Tensión Cuando se ata un objeto con una cuerda y se tira de ella, el objeto también se mueve. Esto es porque la fuerza se transmite desde la mano hasta el objeto a través de la cuerda. Esta fuerza que se transmite a través de cuerdas, cables, hilos, cadenas, etc., se conoce con el nombre de tensión. Cuando un objeto cuelga de una cuerda también encontramos una tensión en ella que compensa el peso del objeto y evita que caiga. En este caso, por tanto, la tensión tiene el mismo valor que el peso, pero es de sentido contrario. Fuerza de rozamiento Cuando un objeto se mueve y está en contacto con una superficie, aparece una fuerza que se debe a este contacto llamada fuerza de rozamiento. FUERZAS | 6 FÍSICA Y QUÍMICA | FUERZAS | Versión impresa Esta fuerza es siempre contraria a la velocidad del cuerpo, y aparece por dos motivos: • Las irregularidades de las superficies en contacto, que habitualmente no son visibles a simple vista. • La fuerza con la que se aprietan los dos cuerpos en contacto. Cuanto más lisas son las superficies en contacto, menor es la fuerza de rozamiento. • Aunque a simple vista algunas superficies pueden parecer completamente lisas, siem­ pre hay pequeñas irregularidades que hacen modificar una fuerza de rozamiento. • Este efecto de las irregularidades se cuantifica con el llamado coeficiente de rozamiento (m), que depende de los tipos de materiales que están en contacto. Cuanto más intensa es la fuerza con la que se aprietan dos cuerpos, más intensa es la fuerza de rozamiento. • Como ya hemos visto, esta fuerza con la que se aprietan es la llamada fuerza normal. • Por tanto, la fuerza de rozamiento se puede calcular haciendo el producto del coefi­ ciente de rozamiento por la fuerza normal: Ff = m · N Una de las fuerzas de rozamiento más habituales no se debe al contacto entre dos su­ perficies, sino a la presencia de aire. • Cuando un cuerpo se mueve, las moléculas de aire del ambiente impactan sobre él y hacen que su velocidad disminuya. • Por tanto, podemos decir que el aire ejerce una fuerza de rozamiento, también contra­ ria a la velocidad, sobre cualquier objeto que se mueva. Por esta razón, los cohetes que se envían al espacio consumen mucha energía para salir de la atmósfera. Una vez fuera, pueden circular cómodamente porque no tienen que vencer el rozamiento con el aire. Deformación de los cuerpos elásticos Todos los cuerpos se deforman, aunque sea muy poco, cuando se les aplica una fuerza. Sin embargo, algunos de ellos pueden recuperar su forma inicial cuando desaparece la fuerza que los estaba deformando. Estos cuerpos se llaman elásticos. Cuando se aplica una fuerza sobre un cuerpo elástico para estirarlo, o comprimirlo, éste genera una fuerza que le permite recuperar la forma inicial. Esta fuerza recuperadora, que siempre se opone a la fuerza de deformación, se llama fuerza elástica. Ley de Hooke Robert Hooke, científico inglés del siglo XVII, estudió los cuerpos elásticos y encontró una relación entre la fuerza elástica de recuperación y la deformación sufrida por el cuerpo. Esta relación se conoce como ley de Hooke. FUERZAS | 7 FÍSICA Y QUÍMICA | FUERZAS | Versión impresa La ley de Hooke establece que la fuerza elástica se opone siempre a la fuerza que provo­ ca la deformación, y que su valor es proporcional a la deformación. Matemáticamente, la ley se expresa así: F = – k · Δx F es la fuerza elástica expresada en newtons (N). Δx es el alargamiento o compresión del objeto elástico expresado en metros (m). k es la llamada constante de rigidez o constante de Hooke, que se expresa en newtons por metro (N/m) y es una propiedad del material elástico. F P = ––––– A El signo negativo solamente nos indica que la fuerza elástica siempre apunta en sentido contrario a la fuerza que causa la deformación. Es decir, si intentamos comprimir un muelle, la fuerza elástica tiene tendencia a descomprimirlo. Y si intentamos estirarlo, la fuerza elástica tiene tendencia a comprimirlo. Los cuerpos que se deforman con facilidad (k pequeña) se llaman elásticos, y aquellos que requieren grandes fuerzas para ser deformados (k grande) se llaman cuerpos rígidos. Presión La presión se define como la fuerza dividida por la superficie sobre la que se reparte. En el Sistema Internacional, la presión se expresa en newtons por metro cuadrado (N/m2), unidad que se conoce como pascal (Pa). Al aplicar una misma fuerza sobre una superficie pequeña, la presión aumenta, y al apli­ carla sobre una superficie grande, disminuye. Presión hidrostática Seguro que, alguna vez, al sumergiros en una piscina o en el mar, habéis notado una tirantez y quizá dolor en los oídos. Eso es porque, a medida que os sumergís, tenéis más agua encima. Y el agua pesa, claro. El dolor que notamos en los oídos se debe al peso de esta agua. Esta fuerza del agua se cuantifica a través de la presión, y a partir de ésta podemos cal­ cular cuál es el peso del agua por unidad de superficie. Si hacemos este cálculo cuando el agua no se mueve, hablamos de presión hidrostática. La presión hidrostática de un fluido depende de los siguientes factores: • Densidad del fluido (r): un fluido más denso dará lugar a una presión mayor, porque su peso es más grande. • Aceleración de la gravedad (g): este valor es prácticamente constante en toda la Tie­ rra, pero si fuese más grande, el peso del fluido también sería más grande y, por lo tanto, aumentaría la presión. FUERZAS | 8 FÍSICA Y QUÍMICA | FUERZAS | Versión impresa • Altura del fluido (h): cuanto más grande sea la altura del fluido, más cantidad de flui­ do habrá, más pesará, y, por lo tanto, más grande será la presión. La manera de calcular la presión hidrostática consiste en multiplicar los tres factores que acabamos de explicar: P=r·g·h Utilizamos las unidades del Sistema Internacional: kg/m3 para la densidad, m/s2 para la aceleración de la gravedad, m para la altura, y el resultado de la presión se obtiene en pascales (Pa). Presión atmosférica La atmósfera, como ya sabéis, es la capa de aire que envuelve la Tierra. Este aire tiene masa, y, por tanto, un peso que ejerce una fuerza sobre la superficie terrestre. La presión que ejercen los gases del aire sobre la superficie terrestre es lo que denominamos presión atmosférica. La presión atmosférica es bastante elevada, de unos 101.325 Pa (1.013 hPa ). Todos los organismos de la Tierra estamos sometidos a esta presión y estamos adaptados a ella. A menudo también se expresa la presión atmosférica en otra unidad de presión llamada atmósfera (atm). La equivalencia entre atmósferas y pascales es: 1 atm = 101.325 Pa La presión atmosférica puede variar en función de muchos factores, como por ejem­ plo la temperatura, el viento, la humedad ambiental, etc., y suele moverse entre 900 y 1.100 hPa. Experimento de Torricelli Torricelli llegó a comprender la presión atmosférica mediante un experimento muy sen­ cillo que lleva su nombre: Torricelli llenó de mercurio un tubo de vidrio de un metro de longitud abierto por uno de los dos extremos y, a continuación, lo introdujo en un recipiente lleno de mercurio. El mercurio del tubo empezó a bajar pero, al contrario de lo que pudiese parecer a simple vista, el tubo no se vació completamente, sino que quedó una columna de mercurio en su interior que llegaba 76 cm más arriba que el mercurio del recipiente. La columna de mercurio del tubo hace una presión hidrostática debido a su peso. Si no baja más es porque el mercurio del recipiente se resiste a subir, y si este mercurio no sube es porque alguna fuerza lo mantiene quieto. Esta fuerza se debe a la presión atmosférica del aire sobre el mercurio del recipiente. FUERZAS | 9 FÍSICA Y QUÍMICA | FUERZAS | Versión impresa Fuerza de la gravedad Heliocentrismo Los sabios de la Antigüedad, como Aristóteles, creían que la Tierra era el centro del Uni­ verso y que a su alrededor giraban los planetas, el Sol y la Luna, siguiendo órbitas per­ fectamente circulares. Este modelo se llama geocentrismo. El primero en proponer que la Tierra y el resto de planetas giraban alrededor del Sol fue el astrónomo y matemático griego Aristarco de Samos. Su propuesta, llamada heliocentrismo, no fue muy tenida en cuenta y la visión geocéntrica de Aristóteles, defendida por la Iglesia cristiana, se impuso durante casi dieciocho siglos. Poco a poco las observaciones del cielo fueron aportando más datos sobre los movimientos de los astros. Cuantos más datos se obtenían, más claramente se veía que el modelo de Aristóteles no concordaba con las observaciones. Para salvarlo, los astrónomos fueron añadiendo correcciones que complicaban aún más el modelo. En el siglo XVI Nicolás Copérnico propuso de nuevo el modelo heliocéntrico. Este cam­ bio permitía explicar las observaciones astronómicas de una manera mucho más ele­ gante y sencilla. Tras la muerte de Copérnico, el astrónomo danés Tycho Brahe se dio cuenta, cuando sólo tenía 17 años, que las observaciones de planetas y estrellas realizadas por astróno­ mos diferentes no coincidían. A principios del siglo xvii las observaciones de Tycho Brahe fueron a parar a manos del astrónomo alemán Johaness Kepler. Al analizar los datos, Kepler se percató de que sólo un nuevo modelo podía explicarlos: el heliocentrismo. Además estudió a fondo los da­ tos correspondientes a los movimientos de los planetas y encontró una serie de regula­ ridades que se cumplían en todos ellos. Sintetizó estos hallazgos en tres leyes que llevan su nombre, las leyes de Kepler. • Los planetas siguen órbitas elípticas alrededor del Sol. • Los planetas se mueven más rápidamente cuando están más cerca del Sol. • El cuadrado del tiempo que tarda un planeta en dar una vuelta al Sol dividido entre el cubo de la distancia de este planeta al Sol es un valor constante. Por primera vez, Kepler propuso una descripción del movimiento de los planetas que concordaba con las observaciones. Además, sus resultados apoyaban la visión heliocén­ trica y no la geocéntrica. En aquella misma época, Galileo Galilei, un profesor de la Universidad de Padua, dedica­ do al estudio de la física y la astronomía y muy famoso por sus aportaciones al estudio del movimiento, defendió públicamente el modelo de Copérnico. Galileo inventó el te­ lescopio y vio por primera vez el cielo a través de una lente. En sus observaciones descu­ brió montañas en la Luna, manchas en el Sol y lunas que giraban alrededor de Júpiter. FUERZAS | 10 FÍSICA Y QUÍMICA | FUERZAS | Versión impresa Todo esto indicaba que el Sol no era un cuerpo perfecto, como se creía hasta entonces, y que había cuerpos que no giraban alrededor de la Tierra, como defendía el modelo geocéntrico. El heliocentrismo, como ya sabéis, finalmente acabó imponiéndose. Ley de la gravitación universal El Sol atrae a los planetas con una fuerza proporcional a su masa e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa. A partir de aquí se puede deducir que la trayectoria que siguen es una elipse. La ley de la gravitación universal establece que dos objetos con masa, por el simple he­ cho de tenerla, se atraen con una fuerza que es directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa. Es decir: m ⋅m F =G ⋅ 1 2 2 r m1 y m2 son las masas de los dos objetos, expresadas en kilogramos (kg). r es la distancia entre los dos objetos, expresada en metros (m). F es la fuerza de atracción, expresada en newtons (N). G es la llamada constante de la gravitación universal. Su valor es 6,67·10-11 Nm2/kg2. Esta ley permite calcular el movimiento de los planetas, pero también nos dice que cual­ quier objeto con masa hace fuerza sobre cualquier otro objeto con masa. Combinando esta ley con las de la dinámica se pueden explicar muchos otros fenóme­ nos, como el movimiento de las mareas, la forma ligeramente achatada de la Tierra y las leyes de Kepler. Aceleración sobre la superficie terrestre Con esta ley podemos encontrar con qué fuerza la Tierra atrae a una persona cualquiera de 70 kg. Teniendo en cuenta que el radio de la Tierra es de 6.370 km (ésta sería la dis­ tancia entre el centro de la Tierra y una persona situada en su superficie) y su masa, de 6·1024 kg, esta fuerza es de 690 N. Según la segunda ley de Newton, la aceleración que sufre un cuerpo cuando recibe una fuerza se puede calcular como: F 690 N m = = 9,86 2 m 70 k g s Y ésta es, aproximadamente, la aceleración de la gravedad (g) que ya conocemos. a= FUERZAS | 11 FÍSICA Y QUÍMICA | FUERZAS | Versión impresa Órbitas La Luna y la Tierra, por ejemplo, no acaban chocando porque la Luna se mueve con una velocidad y la fuerza gravitatoria de la Tierra, actuando como fuerza centrípeta, hace que describa un movimiento circular. • Sin esta fuerza, la Luna seguiría una línea recta y se alejaría de la Tierra. • En cambio, si la Luna no tuviera velocidad, entonces sí que acabaría cayendo sobre la Tierra. Cosmología El astrónomo americano Edwin Hubble descubrió hacia 1929 que todas las galaxias del Universo se alejaban las unas de las otras. Este hecho indicó que el Universo, en su con­ junto, se estaba expandiendo, lo que significaba que se hacía cada vez más grande y que las distancias entre todos los objetos que contenía no paraban de aumentar. Si la situación actual es de expansión, significa que hace unos años los objetos del Uni­ verso estaban más cerca los unos de los otros. Siguiendo este razonamiento, podemos retroceder en el tiempo hasta que toda la materia del Universo estaba concentrada en un punto, en la llamada teoría del Big Bang (Gran Explosión). Según la teoría del Big Bang, toda la materia y energía del Universo, así como el espacio y el tiempo, se encontraban concentrados en un solo punto hace unos 13.000 millones de años. Este punto explotó y, poco a poco, se fue formando todo el Universo que cono­ cemos. Ésta es la teoría más aceptada actualmente sobre el origen del Universo. Pero ¿y el futuro? ¿Qué pasará con el Universo? ¿Seguirá expandiéndose por siempre ja­ más? ¿Llegará a ser estático en algún momento? ¿O dejará de expandirse y se contraerá hasta una Gran Implosión llamada Big Crunch? Según las últimas observaciones, las galaxias se alejan cada vez más rápidamente; lo hacen con una cierta aceleración. Por tanto, todo parece indicar que la expansión del Universo continuará indefinidamente. Tal como hemos estudiado, una aceleración es la consecuencia de una fuerza y esto in­ dica que las galaxias experimentan una fuerza repulsiva, contraria a la gravedad. Aún no sabemos a qué se debe esta fuerza repulsiva, pero sabemos que lo que la causa representa un 73% de la energía de todo el Universo. Los cosmólogos la llaman energía oscura. El resto de energía (27%) corresponde a lo que causa la fuerza de la gravedad. Sin em­ bargo, de todo este 27% solamente hemos observado un 4%. El resto corresponde a la llamada materia oscura, un tipo de materia que ignoramos qué es. FUERZAS | 12
