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Autora:María Cristina Chaler.

Ciencia Fácil Número 25

Fuerzas de la naturaleza (1581 veces)

Cuanto más conocemos, somos más conscientes de nuestra ignorancia.Con el progreso de la ciencia el modelo atómico cambió y el conocimiento de la composición de la materia también, lo simple se hizo complejo pero muchos misterios todavía no fueron develados.
Falta un largo camino por recorrer.


Como consecuencia del descubrimiento y el estudio de los fenómenos de radioactividad natural la ciencia descubrió partículas subatómicas que cambiaron notablemente el conocimiento del modelo del átomo y de la composición de la materia.
La mecánica quántica y el estudio de las distintas partículas introdujeron el concepto de materia fermiónica y bosónica, ambas coexistentes e interactuando a través de las fuerzas de la naturaleza que llamamos fuerzas fundamentales por no derivar de otras.

Antes de ampliar este concepto preguntémonos:

¿Qué entendemos por fuerza?

Intuitivamente todos poseemos desde niños la noción de fuerza ya que de algún modo tomamos contacto con ellas a lo largo de nuestras vidas.
¿Quién no levantó pesos?, ¿Quién no recibió alguna vez un empujón o arrojó alguna pelota? ¿A quién no se le rompió algo al caérsele de sus manos? Al analizar estos fenómenos nos daremos cuenta que las fuerzas son para todos nosotros sumamente conocidas desde hace mucho tiempo.

Toda fuerza se puede medir, es decir es una magnitud que tiene la característica de poseer una determinada intensidad (módulo), actuar sobre algún punto de un cuerpo o partícula (punto de aplicación), encontrarse sobre una recta de acción (dirección) y aplicarse hacia alguno de los extremos de dicha recta (sentido).

Veamos un ejemplo de fuerza en la vida cotidiana

Si levantamos un cuerpo que pesa 20 Kgf tomándolo de un sostén, para poder mantenerlo en el aire debemos realizar una fuerza que posea una intensidad de 20 Kgf aplicada en el dicho sostén con una dirección vertical y sentido hacia arriba.

Veamos un ejemplo de velocidad

Cuando marchamos en un auto (Punto de aplicación) lo hacemos con un determinado valor de velocidad, por ejemplo a 80 Km. /h (módulo o intensidad), en una ruta (dirección) y hacia un cierto destino (sentido).

Este tipo de magnitudes que poseen punto de aplicación, intensidad, sentido y dirección se llaman magnitudes vectoriales.
Son ejemplo de ellas las fuerzas, las velocidades, las aceleraciones, el campo eléctrico, el campo magnético y muchas otras más.

Existen otros tipos de magnitudes que no son vectoriales ya que no necesitan de dirección, sentido y punto de aplicación, éstas se denominan magnitudes escalares.

Ejemplos de ellas son la longitud de una cinta, la superficie de un lugar, el volumen que ocupa un cuerpo en el espacio o el tiempo. Ninguna de estas magnitudes posee los elementos mencionados en las vectoriales.


La fuerza por lo tanto es una magnitud vectorial cuyo efecto provoca cambios sobre los cuerpos en donde actúa. Se representa tanto en física como en matemática con una flecha que indica que se trata de un vector.

¿Cómo se transmiten las fuerzas?

Para mover un cuerpo debemos aplicar una fuerza en forma directa sobre el mismo o a través de una cuerda. Si este se encuentra en reposo, (sin movimiento) y la fuerza aplicada es lo suficientemente intensa, se moverá superando el roce que ejerce el piso sobre su base e ira adquiriendo cierta velocidad luego de un determinado tiempo. Podemos decir que el cuerpo se acelera. Esa aceleración será directamente proporcional a la fuerza aplicada, es decir a mayor fuerza mayor será la aceleración y a menor fuerza menor aceleración e inversamente proporcional a la masa del cuerpo, eso significa que si el cuerpo es muy masivo la fuerza aplicada lo acelerará poco y si su masa es pequeña se acelerará mucho.Pero no todas las fuerzas necesitan contacto para transmitirlas muchas como la fuerza gravitatoria, la magnética o la eléctrica están presentes  sin que haya contacto directo.

En símbolos

F = m. a segunda Ley de Newton (principio de masa)
Se lee:
Fuerza (F) igual a masa (m) por aceleración (a)

Cuando nos arrojan una pelota, ésta llega hacia nosotros con una cierta velocidad que dependerá del impulso que le otorgó la persona que la lanzó.
Cuando choca con nuestras manos percibimos, la fuerza de ese impulso inicial a través del golpe de la pelota.
Analizando estos fenómenos llegamos a la conclusión de que las fuerzas se trasmiten a través de la materia ya sea por contacto directo o indirecto.
Si la distancia a lo largo de la cual se transmite dicha fuerza es grande decimos que se trata de una fuerza de largo alcance contrariamente si es pequeña la clasificaremos como fuerza de corto alcance.

¿Qué pasa con las fuerzas eléctricas?

Si dos cargas eléctricas de igual signo son colocadas una al lado de la otra y se mantienen en reposo observaremos que se repelen, mientras que si hacemos lo mismo con las de las de signo contrario se atraerán.
Esa repulsión o atracción que se produce a través del espacio es provocada por la fuerza eléctrica y es directamente proporcional al valor de cada una de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.
En símbolos

F = K q1.q2/ (d)2 (Ley de Coulomb)

Se lee:
Fuerza igual a constante (K) por carga1 (q1) por carga2 (q2) dividido distancia al cuadrado ((d)2).


La materia que transmite la fuerza eléctrica es la bosónica y lo hace a través de los fotones (partículas bosónicas) (ver átomo II).

Las cargas eléctricas generan campo eléctrico.

El campo eléctrico, es una magnitud vectorial cuyo efecto se da en los puntos del espacio que rodean a una carga eléctrica y se caracteriza por tener una intensidad dada por el cociente de la Fuerza eléctrica y la carga que lo provoca.
En símbolos

E = F/q

Se lee:
Campo eléctrico (E) igual a fuerza (F) dividido carga (q) que lo genera.


Reemplazando el valor de la fuerza por la Ley de Coulomb, la ecuación se transforma en

E = K .q / (d)2.
Se lee:
Campo eléctrico igual a constante (K) por la carga (q) que lo provoca en un cierto punto del espacio, dividido la distancia al cuadrado ((d)2) desde esa carga hasta el punto en donde estamos calculando el valor del campo E.


El campo tendrá una cierta intensidad, una dirección determinada, tendrá algún sentido y su punto de aplicación estará en el espacio.
Su medición es indirecta ya que primero debemos calcular la fuerza que ejerce la carga en estudio sobre otra llamada exploradora en el punto del espacio en donde deseamos medir el campo eléctrico y luego hacer los cálculos.

¿Y el magnetismo?

Ya en el siglo IX los chinos inventaron un ingenioso instrumento conocido como brújula. Esta posee una aguja imantada que señala siempre hacia el polo norte es decir que pone en evidencia la existencia del campo magnético terrestre.
En la actualidad se sigue usando pero la tecnología de avanzada nos permite la ubicación de posiciones en forma precisa mediante el Global Position System (GPS) que calcula en forma satelital una determinada coordenada terrestre.

Cuando llenamos nuestro refrigerador de imanes estamos aprovechando la llamada fuerza magnética que la producen las cargas eléctricas en movimiento. La acción de esta fuerza es tanto atractiva (se pega el imán a la heladera) como repulsiva (no podemos acercar dos polos del mismo signo de un imán).

Esta fuerza es directamente proporcional al producto de las masas magnéticas e inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia que las separa.
En símbolos

F = K m1.m2/ (d)2

Se lee:

Fuerza (F) igual a constante (K) por masa magnética1 (m1) por masa magnética2 (m2) dividido la distancia que separa a dichas masas magnéticas al cuadrado ((d)2)
Esta fuerza también será trasmitida por la materia bosónica a través de los fotones.
Al igual que las cargas eléctricas las masas magnéticas generan en el espacio campos magnéticos.

Ambas fuerzas son semejantes

El electromagnetismo es la parte de la física que estudia los fenómenos eléctricos y magnéticos unificándolos entre si.
James Clerk Maxwell formuló a través de las ecuaciones de Maxwell la teoría que unifica ambos conceptos.
El campo magnético (B) como el campo eléctrico (E) son magnitudes vectoriales que poseen dirección, sentido, intensidad y punto de aplicación en el espacio y afectan a la materia visible. Si bien los campos magnéticos resultan invisibles al ojo humano existen múltiples experimentos para verificar su existencia.
Los fenómenos electromagnéticos se denominan de esa forma porque las cargas eléctricas influyen sobre los campos magnéticos y viceversa.
Electricidad y magnetismo son fenómenos semejantes y se dan simultáneamente como fenómenos electromagnéticos.

La fuerza electromagnética es otra fuerza fundamental que es transmitida por materia bosónica ( materia no visible ni contundente)mediante los fotones. Tiene alcance universal ya que se refiere a la materia cargada eléctrica mente que se encuentra en movimiento.

¿Qué pasa en el núcleo atómico?

Existe una fuerza que no permite que los protones (+) se rechacen ya que es una fuerza atractiva, si ésta no estuviese presente la materia colapsaría y no existiría como tal. Esta fuerza que genera la coherencia material es la fuerza nuclear fuerte y está transmitida por materia bosónica a través de los gluones, que como dijimos poseen carga color que genera la fuerza color (ver átomo II).
Esta fuerza es de corto alcance ya que actúa en pequeñas distancias pero es la fuerza fundamental más fuerte de la naturaleza.

¿Posee el núcleo otra fuerza?

Hay en el núcleo otra fuerza que es la fuerza nuclear débil capaz de generar fenómenos radioactivos donde las partículas nucleares se transforman unas en otras (Ver átomo II), es la fuerza que retiene a los leptones (entre ellos los electrones) (Ver átomo II) está transmitida también a través de materia bosónica por los mesones. (Ver átomo II). Su alcance es pequeño ya que actúa en cortas distancias.

El gran misterio

Estamos adheridos a la tierra por la atracción que provoca la fuerza gravitatoria, ésta es la más conocida en la vida cotidiana y se supone que al igual que las otras fuerzas fundamentales se transmite a través de materia bosónica, Hay una partícula que actúa de intermediaria a la cual se la bautizó gravitón pero hasta el momento es sólo teórica ya que no se ha descubierto aún.
Esta fuerza es sólo atractiva y es la más débil de todas las fuerzas fundamentales que hemos descrito, ya que no resulta tan difícil vencerla, pensemos que al lanzar una pelota estamos superando la atracción gravitatoria y todos lo podemos hacer muy fácilmente.
Su alcance es Universal ya que todos los componentes del universo se encuentran afectados por la fuerza gravitatoria.
En símbolos

F = G M1.M2/ (d)2 Ley de gravitación Universal

Se lee:
Fuerza gravitatoria (F) igual a constante de gravitación universal (G) por masa 1(M1) por masa2 (M)2 dividido la distancia que separa a dichas masas al cuadrado ((d)2).


Esto significa que la fuerza de atracción entre dos masas aumenta al aumentar las mismas y disminuye cuando la distancia entre ellas aumenta.

La gravedad ha sido objeto de una gran discusión y según la teoría de la relatividad general seria provocada por la curvatura del espacio-tiempo que provoca un cuerpo de gran masa de modo que todo otro cuerpo menor que se acerque al mismo caerá hacia el cuerpo masivo a través de deformación del espacio.
Todo el universo y sus diferentes componentes se encuentran afectados por ella por lo tanto su alcance es largo y hasta el momento sigue siendo un misterio el gravitón ya que si existiera poseería tan poca energía que sería muy difícil de detectar.

Concluimos que las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza son:

· Fuerza gravitatoria. De largo alcance transmitida por el gravitón

· Fuerza electromagnética. De largo alcance transmitida por fotones.

· Fuerza nuclear fuerte. De corto alcance transmitida por gluones.

· Fuerza nuclear débil. De corto alcance transmitida por mesones.

Finalmente al estudiar la materia que nos rodea llegamos a la conclusión que es una manifestación energética. Según las fuerzas de interacción entre las partículas que la conforman se presentan de diferentes maneras y posee distintas cualidades que si bien para los ojos humanos resultan ser enormemente diferentes, para la ciencia no es tan así ya que sólo se trata de interacciones energéticas. Toda la materia se encuentra afectada por estas cuatro fuerzas fundamentales que el hombre de ciencia fue estudiando y que todavía no puede unificar en una única teoría pero que posiblemente esté en el camino para hacerlo.

No nos olvidemos que los sentidos del hombre son limitados pues son tridimensionales. Si consideramos el sentido de la vista, el hombre capta del espectro energético de la luz solar sólo una ínfima porción y la parte más amplia no la percibe.
La inteligencia del hombre es muy grande y con el transcurrir del tiempo fue haciendo descubrimientos cada vez más importantes pero los misterios universales son muy amplios y hay muchísimo más por descubrir y “crear”.

Existen en la ciencia una serie de interrogantes que posiblemente se puedan llegar a responder, pero aún hay mucho camino por recorrer y posiblemente siempre lo haya. Nuevos modelos van surgiendo y otros van cayendo y de ese modo la ciencia avanza.

Hay un punto en donde ciencia y filosofía se unifican. Muchas veces los interrogantes científicos se asemejan a los interrogantes filosóficos.

El filósofo se pregunta hacia dónde vamos, cuál es la finalidad de la vida, qué fuerza o energía moviliza al hombre o cuáles podrían ser las consecuencias de ello.

El científico investiga el origen del Universo, la materia que lo compone, el comportamiento de la misma y todos los fenómenos que en ella se generan.