En física, una fuerza es una magnitud vectorial que expresa una acción que se imprime en un objeto en estado de movimiento o de reposo. Esta acción implica un cambio de velocidad, dirección o forma. Su nombre proviene del latin fortia.
Según la definición de fuerza, ésta actúa sobre un objeto que es capaz de modificar su aceleración, es decir, variar su velocidad y su trayectoria. Una fuerza también puede provocar la deformación de un objeto y un cambio en la presión.
Además de su magnitud y dirección, una fuerza está determinada por el punto de aplicación donde actúa sobre un cuerpo.
Si la suma de todas las fuerzas sobre un cuerpo es cero, entonces el centro de masa no sufre aceleración. El cuerpo puede deformarse bajo la influencia de estas fuerzas. Por ejemplo, el cuerpo puede estirarse debido a dos fuerzas opuestas.
Unidades de medida
La fuerza se mide en diferentes unidades de medida, siendo el newton (N) la unidad principal utilizada en el Sistema Internacional de Unidades (SI). El newton se define como la fuerza necesaria para proporcionar una aceleración de 1 metro por segundo al cuadrado a un objeto de masa de 1 kilogramo.
Además del newton, existen otras unidades de medida de fuerza que se utilizan en diferentes contextos, algunas de las cuales incluyen:
- Libra-fuerza (lbf): Es una unidad de fuerza comúnmente utilizada en los Estados Unidos y en países que siguen el sistema de unidades imperiales. Se define como la fuerza necesaria para acelerar una masa de una libra a 32.174 pies por segundo al cuadrado.
- Kilogramo-fuerza (kgf) o kilopondio (kp): Es una unidad utilizada en algunos países, especialmente en Asia. Se define como la fuerza ejercida por la gravedad sobre un objeto con una masa de un kilogramo.
- Dina (dyn): Es una unidad de fuerza en el sistema CGS (centímetro-gramo-segundo). Un dina es la fuerza necesaria para acelerar un gramo a un centímetro por segundo al cuadrado.
Leyes de Newton: la relación entre fuerza, masa y aceleración
Las leyes de Newton son tres leyes fundamentales de la mecánica clásica que describen cómo las fuerzas afectan el movimiento de los objetos.
Mediante las leyes de Newton se relacionan los conceptos de fuerza, masa y aceleración.
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La primera ley de Newton (Ley de la inercia): Esta ley establece que un objeto en reposo tiende a permanecer en reposo, y un objeto en movimiento tiende a mantener su movimiento rectilíneo uniforme, a menos que una fuerza externa actúe sobre él. En otras palabras, un objeto no cambiará su estado de movimiento a menos que una fuerza neta actúe sobre él.
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La segunda ley de Newton (Ley de la fuerza y la aceleración): Esta ley establece que la aceleración de un objeto es directamente proporcional a la fuerza neta que actúa sobre él e inversamente proporcional a su masa.
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La tercera ley de Newton (Ley de acción y reacción): Esta ley establece que por cada acción, hay una reacción de igual magnitud pero en sentido opuesto. Es decir, cuando un objeto A ejerce una fuerza sobre un objeto B, el objeto B ejerce una fuerza de igual magnitud pero en dirección opuesta sobre el objeto A.
Tipos de fuerzas
Existen varios tipos de fuerzas en física. A continuación, se presentan algunos de los principales tipos que se consideran en física:
- Fuerza gravitatoria: Es la fuerza de atracción mutua que existe entre dos objetos con masa. La fuerza de la gravedad es responsable de que los objetos caigan hacia la Tierra y de la órbita de los planetas alrededor del Sol.
- Fuerza centrípeta: Es la fuerza que actúa sobre un objeto en movimiento circular, dirigiéndolo hacia el centro de la trayectoria. Su presencia es esencial para mantener objetos en movimiento circular constante.
- Fuerza electromagnética: Es la fuerza que actúa entre partículas cargadas eléctricamente. Esta fuerza es responsable de la interacción entre electrones y protones en los átomos, así como de fenómenos electromagnéticos como el magnetismo y la electricidad.
- Fuerza nuclear fuerte: Es una fuerza extremadamente poderosa que actúa dentro del núcleo atómico. Esta fuerza es responsable de mantener unidos los protones y neutrones en el núcleo, contrarrestando la fuerza electromagnética de repulsión entre los protones cargados positivamente.
- Fuerza nuclear débil: Es una fuerza responsable de ciertos tipos de desintegraciones radioactivas. Está asociada con las interacciones entre partículas subatómicas y está involucrada en procesos como la desintegración beta.
- Fuerza de fricción: Es la que se opone al movimiento relativo de dos superficies en contacto. La fricción puede ser estática (cuando los objetos no se desplazan), cinética (cuando los objetos se desplazan) o fluida (cuando un objeto se mueve a través de un fluido, como el aire o el agua).
- Fuerza elástica: se produce cuando se estira o comprime un objeto elástico, como un resorte. Esta fuerza es proporcional a la deformación y está dirigida en sentido opuesto al desplazamiento y queda definida de acuerdo con la ley de Hooke.
- Fuerza de tensión: es una fuerza interna que actúa en el interior de un objeto cuando está siendo sometido a estiramiento o tracción. Esta fuerza se propaga a lo largo del objeto, manteniendo su integridad estructural y resistiendo el cambio de forma debido a las fuerzas externas que lo estiran.
Relación con el trabajo
La aplicación de una fuerza puede implicar la obtención de un trabajo: el trabajo se define como la transferencia de energía causada por la aplicación de una fuerza a lo largo de una distancia.
Matemáticamente, el trabajo (W) se calcula multiplicando la magnitud de la fuerza (F) por la distancia recorrida en la dirección de la fuerza (d), y luego multiplicándolo por el coseno del ángulo (θ) entre la fuerza y la dirección del desplazamiento. Esto se expresa como:
W = F * d * cos(θ)
El trabajo puede ser positivo, negativo o nulo, dependiendo de la relación entre la fuerza y el desplazamiento.
Diagramas de cuerpo libre
Los diagramas de cuerpo libre son herramientas utilizadas en física para analizar y visualizar las fuerzas que actúan sobre un objeto en particular. Estos diagramas representan un objeto aislado, mostrando todas las fuerzas que actúan sobre él y su dirección relativa.
Este diagrama permite visualizar claramente las fuerzas y analizar su influencia en el movimiento o el equilibrio del objeto. Además, son útiles en diversas ramas de la física, como la mecánica, para analizar el movimiento de objetos, el equilibrio de sistemas y la resolución de problemas de fuerzas.