Fisica

Capítulo

3

Fuerzas

3.1.

Las Fuerzas

En mecánica, es generalmente suficiente clasificar las fuerzas que actúan sobre los cuerpos en dos tipos: de acción a distancia y de contacto. Del primer tipo las fuerzas se conocen generalmente como campos de fuerza. Así existen fuerzas de campos gravitacionales, de campos eléctricos, de campos magnéticos y otras. Es probable que usted se extrañeque un cuerpo pueda ejercer una acción sobre otro que está distante. Explicaciones formales existen, pero están fuera del alcance de estos apuntes. Si usted sabe algo de Física moderna se debería extrañar tambien que hablemos de fuerzas de contacto. En realidad un trozo de materia no puede tocar a otro. La materia está formada por átomos que contienen un nucleo positivo y están rodeados deelectrones que son da carga negativa. Ellos se repelen impidiendo que se toquen. Tampoco se puede tocar los núcleos, que son positivos. Sin embargo esas distancias son tan pequeñas que el efecto es como si los cuerpos se tocaran.

3.1.1.

Fuerza de acción a distancia

Del primer tipo, acción a distancia, la más importante para este curso es la fuerza gravitacional que se ejerce entre los cuerposconsecuencia de su masa. Ella es una fuerza atractiva, inversa al cuadrado de la distancia entre los cuerpos y proporcional al producto de las masas. Sin embargo entre cuerpos de masas no demasiado grandes, esa fuerza es normalmente despreciable en

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Fuerzas

magnitud. En la Tierra sin embargo no se puede despreciar esa fuerza debido a la enorme masa de la Tierra. Cerca de la superficieterrestre todos los cuerpos son atraídos hacia la superficie terrestre (en realidad hacia el centro de la Tierra) con una fuerza que es proporcional a la masa del cuerpo. La constante de proporcionalidad es la aceleración de gravedad que en el sistema internacional de unidades es g = 9,8 m s−2 de modo que la magnitud de la fuerza peso de un cuerpo es W = mg.

F

Fuerza gravitacional. Claramente esreconocible que la fuerza peso tiene además dirección, vertical y sentido, hacia abajo. Es decir esta fuerza parece tener las propiedades de un vector. Más adelante indicaremos qué es lo que falta para poder considerar a una fuerza un vector. La variación de la fuerza gravitacional peso puede despreciarse si los cuerpos permanecen cerca de la superficie terrestre. Nota 3.1 La fuerza peso en laTierra en realidad depende de la altura sobre la superficie terrestre y además, como consecuencia de la rotación terrestre, depende de la latitud, efectos que serán despreciados aquí, para situaciones cerca de la superficie terrestre. Nota 3.2 La fuerza gravitacional, el análisis de ella y su genio, permitieron a Albert Einstein formular la teoría general de la relatividad, cuestión que no podemosexplicar aquí pero, bien podría usted pensarlo. La cuestión es ¿cómo un cuerpo distante puede, sin mediar nada entre ellos, atraer a otro?

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La fuerza gravitacional entre partículas en posiciones distintas siempre está presente y de acuerdo a Newton ella está dada en magnitud por F =G m1 m2 . d2

A pesar de lo bien que ella aplica a la explicación del sistema Solar, temaque se presenta más adelante, su expresión deja de manifiesto un defecto que varios habían notado. Si la distancia cambia por mover uno de los dos cuerpos, el otro nota el cambio en esa fuerza instantáneamente. O sea la información del cambio viajó de una partícula a la otra con velocidad infinita. Albert Einstein con su formulación de su teoría de la relatividad especial establece que no hay cuerposo señales que puedan viajar a más velocidad que la luz, por lo que se propuso construir una nueva teoría de la gravitación que no tuviera ese problema. Después de algún tiempo lo logra al construir una de las más hermosas teorías de la Física, la teoría de la relatividad general.

3.1.2.

Fuerzas de contacto

Otra forma de ejercer una acción sobre un cuerpo, es haciendo contacto con él...