134 1 FÍSICAgeneral Las fuerzas y sus efectos Reflexione acerca de las siguientes situaciones: ¿Qué mueve a un barco de vela que navega por el mar? ¿Cómo logra una grúa mover y remolcar a un coche descompuesto para llevarlo al taller mecánico? ¿Qué tiene que hacer un jugador de futbol para tratar de meter con el pie una pelota en la portería del equipo contrario? ¿Qué ocasiona la caída de una manzana desde la rama de un árbol? Como sabemos, el barco navega en virtud de la fuerza que el viento ejerce sobre la vela; el coche descompuesto es remolcado gracias a que es jalado por una fuerza que recibe de la grúa; la pelota se mueve y puede entrar en la portería debido a que con el pie recibe una fuerza al ser pateada; la manzana cae al suelo en virtud de la fuerza gravitacional con que es atraída por la Tierra. En los cuatro ejemplos anteriores y en cualquier caso en que interviene una fuerza, existe como mínimo una interacción de dos cuerpos (figura 5.1). Tal fue el caso vientovela, coche-grúa, pie-pelota y manzana-Tierra. En los tres primeros casos existe un contacto físico entre el cuerpo que ejerce la fuerza y el que la recibe; por ello, reciben el nombre de fuerzas de contacto. En el caso de la fuerza de atracción que la Tierra ejerce sobre la manzana, los dos cuerpos interaccionan sin que exista contacto entre ellos; este tipo de fuerzas recibe el nombre de fuerzas de acción a distancia. 5.1 Grupo Editorial Patria® de los árboles caen sobre la superficie de la Tierra porque ésta ejerce una fuerza sobre ellas. Sin embargo, no todas las fuerzas producen un movimiento sobre los cuerpos. Pensemos en un cuerpo en movimiento, si recibe una fuerza en sentido contrario al de su movimiento puede disminuir su velocidad e incluso detenerse. Al pararnos sobre una llanta de automóvil, la fuerza provocada por nuestro peso deformará la llanta. Definir qué es una fuerza no resulta simple; no obstante, podemos decir que: una fuerza se manifiesta siempre que existe, cuando menos, una interacción entre dos cuerpos. El efecto que una fuerza produce sobre un cuerpo depende de su magnitud, así como de su punto de aplicación, dirección y sentido, por tanto, la fuerza es una magnitud vectorial. Para medir la intensidad de una fuerza se utiliza un aparato llamado dinamómetro, su funcionamiento se basa en la Ley de Hooke, la cual enuncia lo siguiente: dentro de los límites de elasticidad las deformaciones que sufre un cuerpo son directamente proporcionales a la fuerza que reciben. El dinamómetro consta de un resorte con un índice y una escala convenientemente graduada; la deformación producida en el resorte al colgarle un peso conocido se transforma, mediante la lectura del índice en la escala graduada, en un valor concreto de la fuerza aplicada (figura 5.2). Siempre que una fuerza se manifiesta se produce, cuando menos, una interacción entre dos cuerpos. El término de fuerza lo empleamos para decir: un avión se mueve por la fuerza producida por las turbinas; las nubes y los árboles se mueven por la fuerza del viento; las hojas 5.2 Para medir la magnitud de una fuerza, como es la producida por el peso de un cuerpo, se usa un dinamómetro. Uso de tic Con el propósito de que investigue acerca de las características de la fuerza, consulte la siguiente página de Internet: http://www.librosvivos.net/smtc/homeTC.asp?TemaClave=1184 Unidad 5 La unidad de fuerza usada en el Sistema Internacional es el newton (N), aunque en ingeniería se usa todavía el llama­ do kilogramo-fuerza (kgf ) aproximadamente diez veces mayor al newton: 1 kgf = 9.8 N. También se utiliza el gramo-fuerza (gf ) equivalente a la milésima parte del kilogramo-fuerza: 1 kgf = 1 000 gf. Resultante y equilibrante Cuando varias fuerzas actúan sobre un cuerpo es necesario calcular el efecto neto producido por ellas, o sea, la resultante del sistema de fuerzas, la cual tiene la propiedad de producir el mismo efecto que causan todas las fuerzas sobre el cuerpo. El cálculo de la resultante se puede hacer a través de un procedimiento gráfico, o bien, mediante el cálculo matemático llamado método analítico. La equilibrante de un sistema de fuerzas es aquella fuerza que equilibra al sistema, tiene la misma dirección y magnitud que la resultante, pero con sentido contrario. (ver la unidad 3 correspondiente a Vectores de este libro). Clasificación de las fuerzas En términos generales, las fuerzas pueden clasificarse según su origen y características en cuatro grupos: 1. Fuerzas gravitacionales, se producen debido a las fuerzas mutuas de atracción que se manifiestan entre dos cuerpos cualesquiera del universo, y cuya causa está en función de la masa de los cuerpos y de la distancia existente entre ellos. A estas fuerzas se debe que los planetas mantengan sus órbitas elípticas, el peso de los cuerpos y que todo cuerpo suspendido caiga a la superficie al cesar la fuerza que lo sostiene. Mientras mayor masa tenga un cuerpo, mayor será la fuerza gravitacional con la cual atraerá a los demás cuerpos. La magnitud de la fuerza gravitacional puede ser muy grande si se trata de cuerpos macroscópicos; sin embargo, es la más débil de todas las fuerzas fundamentales. 2. Fuerzas electromagnéticas, son las fuerzas que mantienen unidos a los átomos y móleculas de cualquier sustancia, su origen se debe a las cargas eléctricas. Cuando las cargas eléctricas se encuentran en reposo entre ellas se ejercen fuerzas electrostáticas, y cuando están en movimiento se producen fuerzas electromagnéticas. Son mucho más intensas que las fuerzas gravitacionales. Además, las fuerzas gravitacionales siempre son de atracción, mientras las fuerzas electromagnéticas pueden ser de atracción o de repulsión. 3. Fuerzas nucleares, aunque no se sabe con certeza cuál es su origen se supone que son engendradas por intermedio de mesones entre las partículas del núcleo, y son las encargadas de mantener unidas a las partículas del núcleo atómico. Es evidente la existencia de fuer- Dinámica 135 zas atractivas en el núcleo atómico, porque sin ellas sería inconcebible la cohesión de los protones en el núcleo, toda vez que estas partículas, por tener carga eléctrica positiva, deberían rechazarse. Sin embargo, las fuerzas nucleares son más intensas que las fuerzas eléctricas en el núcleo y opuestas a ellas. Las fuerzas nucleares manifiestan un alcance muy pequeño y su magnitud disminuye de manera muy rápida fuera del núcleo. Su magnitud se puede despreciar cuando las distancias de separación son mayores a 10-14 m. 4. Fuerzas débiles, se caracterizan por provocar inestabilidad en determinados núcleos atómicos. Fueron detectadas en sustancias radiactivas naturales y, posteriormente, los científicos comprobaron que son determinantes en casi todas las reacciones de decaimiento radiactivo. La magnitud de las fuerzas débiles es del orden de 1025 veces más fuerte que las fuerzas gravitacionales, pero es de aproximadamente 1012 veces más débil que las fuerzas electromagnéticas. Nuevas teorías acerca de las fuerzas fundamentales de la naturaleza Las semejanzas entre las fuerzas gravitacionales y las fuerzas eléctricas ha originado que los científicos busquen un modelo simplificado que reduzca el número de fuerzas fundamentales en la naturaleza. Es por ello que consideran que las fuerzas gravitacionales y eléctricas pueden ser aspectos diferentes de la misma cosa. Albert Einstein (1879-1955), pasó los últimos años de su vida investigando acerca de la teoría del campo unificado, sin lograr resultados significativos. En el siglo pasado, en el año de 1967, los físicos predijeron que la fuerza electromagnética y la fuerza nuclear débil, mismas que se consideraban independientes entre sí, en realidad eran manifestaciones de una misma fuerza. En 1984, se comprobó experimentalmente que su predicción era correcta, y a dicha fuerza se le denomina ahora electrodébil. También se sabe que el protón y el neutrón están constituidos por partículas más pequeñas llamadas quarks, por lo que se ha modificado el concepto de fuerza nuclear. Hoy día, se considera la existencia de una fuerza nuclear fuerte, que enlaza a los quarks entre sí dentro de un nucleón integrado por un protón y un neutrón. Es por ello que la fuerza nuclear que actúa entre las partículas del núcleo atómico, es interpretada como un efecto secundario de la fuerza nuclear fuerte que está presente entre los quarks. Los físicos continúan sus investigaciones, con la expectativa de encontrar las relaciones entre las fuerzas fundamentales de la naturaleza. Dichas relaciones mostrarían que los distintos tipos de fuerzas son manifestaciones diferentes de una única superfuerza. Este razonamiento se basa en la teoría del Big Bang, que señala que el origen del universo se debió a una gran explosión ocurrida hace unos 14 mil millones de años, y que en los primeros instantes después 136 FÍSICAgeneral de dicha explosión, se produjeron energías tan grandes que todas las fuerzas fundamentales se unificaron en una 2 Grupo Editorial Patria® sola fuerza. En la actualidad, ésta es una de las líneas de investigación más importantes que tiene la Física. Leyes de la dinámica Isaac Newton (1643-1727) nació en Inglaterra y ha sido una de las inteligencias más brillantes del mundo, sus conceptos aún siguen vigentes. Estudioso de las leyes naturales que rigen el movimiento de los cuerpos, observó la caída de una manzana al suelo y a partir de ahí estableció relaciones entre la fuerza que provocaba la caída de la manzana y la fuerza que sostenía a la Luna en su órbita alrededor de la Tierra. En 1679 ya había determinado con precisión el radio terrestre: 6 371.45 km. En 1687 publicó su Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, en este libro Newton expuso tres leyes conocidas como Leyes de Newton o Leyes de la Dinámica, así como la Ley de la Gravitación universal. Primera ley de Newton o ley de la inercia Fue muchos siglos después que Galileo Galilei (15641642), con base en sus experimentos, concluyó lo que ahora sabemos, y es que la mesa se detiene porque existe una fuerza de fricción entre la mesa y el piso que se opone a su movimiento. Sin embargo, si la fuerza de fricción dejara de existir, al tenerse una superficie totalmente lisa y sin la resistencia del aire (que recibe el nombre de fuerza viscosa), al darle un empujón a la mesa, ésta continuaría de manera indefinida en movimiento a velocidad constante (figura 5.4). Galileo enunció su principio de la inercia en los siguientes términos: En ausencia de la acción de fuerzas, un cuerpo en reposo continuaría en reposo y uno en movimiento se moverá en línea recta a velocidad constante. ¿Se ha puesto a reflexionar por qué los cuerpos en movimiento se detienen? Desde que el hombre tuvo la posibilidad de reflexionar acerca del porqué del movimiento de los cuerpos, se obtuvieron conclusiones, algunas equivocadas, como las del filósofo griego Aristóteles (384-322 a.C.), quien de acuerdo con lo que podía observar señalaba que un cuerpo sólo se puede mover de manera constante si existe una fuerza actuando sobre él (figura 5.3). Aún en nuestros días, para muchas personas esta afirmación es correcta, pues observan que un cuerpo cualquiera como lo es un sillón, una piedra, una mesa, etc., para seguir en movimiento se le debe aplicar una fuerza y en el momento en que se deja de aplicar se detiene. Empujón a la mesa lo e hie d rficie Supe 5.4 Galileo demostró que si se reduce la fuerza de fricción, al darle un solo empujón a un cuerpo, éste continúa en movimiento. El físico inglés Isaac Newton (1643-1727) aprovechó los estudios previos realizados por Galileo y enunció su Primera Ley de la Mecánica o Ley de la Inercia en los siguientes términos: Todo cuerpo se mantiene en su estado de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme, si la resultante de las fuerzas que actúan sobre él es cero. Existen muchos ejemplos en donde se puede apreciar de manera práctica la Primera Ley de Newton o Ley de la Inercia. Veamos algunos: 5.3 Aristóteles reflexionaba erróneamente que para que un cuerpo se moviera de manera constante, debería estar recibiendo permanentemente una fuerza aplicada. Cuando viajamos en un automóvil, al frenar bruscamente el conductor, los pasajeros se van hacia adelante, tratando de seguir en movimiento, lo que puede resultar fatal en el caso de un choque, pues es posible que se estrellen contra el parabrisas, asientos o puertas y salgan seriamente heridos si no llevan puesto el cinturón de seguridad (figura 5.5).
