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La fuerza gravitatoria
Sir Isaac Newton describió la gravedad y formuló la hipótesis de que la fuerza que hace que los objetos caigan al suelo es la misma que mantiene a la Tierra orbitando alrededor del sol. Este descubrimiento se ha considerado una de las mayores contribuciones a la ciencia de toda la historia de la humanidad.
La fuerza gravitatoria de la naturaleza es unafuerzasin contacto de atracción entre dos cuerpos con masa.
Como la gravedad es una fuerza sin contacto puede actuar sobre dos objetos que no se tocan físicamente, ¡incluso a grandes distancias! Veamos cómo funciona con un poco más de detalle. Para entender cómo funciona la gravedad es útil introducir el concepto de centro de masa.
Podemos suponer que toda la masa de un objeto está situada en un único punto. Este punto se conoce como centro de masa y su ubicación depende de cómo esté distribuida la masa en el objeto.
Intenta manipular un objeto en tu mano y comprueba si puedes determinar su centro de masa. Esto te ayudará a intuir el concepto.
El centro de masa de una esfera está situado en su centro geométrico. En una persona normal, está ligeramente por debajo del ombligo.
La teoría de la gravedad afirma que toda masa del universo atrae a cualquier otro objeto mediante una fuerza invisible que actúa en la dirección de la línea que une los centros de masa de ambos objetos. La fuerza entre los dos objetos depende de sus masas y de la distancia entre sus centros de masa.
Cuanto más masivo es un objeto, mayor es la fuerza de atracción que ejerce sobre otros objetos masivos. No vemos un montón de lápices sobre una mesa saltando unos hacia otros porque su gravedad es demasiado pequeña para notarse, ya que su masa es muy pequeña. En cambio, este efecto se hace perceptible en objetos muy masivos, como los planetas de nuestro sistema solar. Por ejemplo, la Luna se mantiene en su órbita alrededor de la Tierra debido a la fuerza gravitatoria que existe entre ellas.
Veamos ahora otra fuerza muy parecida a la gravedad, pero que actúa a una escala mucho menor, es decir, a escala subatómica.
La fuerza nuclear fuerte
La fuerza nuclear fuerte es una fuerza subatómica que mantiene unido el núcleo de todos los átomos del universo.
Esta fuerza constituye la base de todos los elementos que vemos en nuestra vida. Como sabemos, un átomo está formado por un núcleo, donde se concentra la mayor parte de su masa, y electrones que orbitan alrededor del núcleo. La magnitud de la fuerza fuerte tiene que ser lo suficientemente grande como para sostener el núcleo frente a la fuerza electromagnética repulsiva masiva entre los protones. Para poner su fuerza en perspectiva, la magnitud de la fuerza es \(6 veces10^{39}\) veces más fuerte que la fuerza de la gravedad en la Tierra.
En realidad, la fuerza fuerte mantiene unidos a los quarks en grupos que forman partículas subatómicas más familiares, como los protones y los neutrones. El quark es una partícula fundamental que constituye la materia. Los quarks se combinan para formar partículas como los neutrones y los protones. Los quarks son de 6 tipos up, down, charm, strange, top y bottom.
Sin embargo, la fuerza nuclear fuerte sólo puede actuar a distancias muy pequeñas, del orden de aproximadamente \(10^{-15}\mathrm m\). Esto es también aproximadamente el diámetro del protón.
Fuerza nuclear débil
La fuerza nuclear débil es una interacción débil a nivel subatómico responsable de la desintegración radiactiva de los núcleos.
Laspartículas beta se emiten como electrones de movimiento rápido \(\mathrm e-\). Pero el núcleo no alberga electrones. Entonces, ¿de dónde proceden? Las partículas beta se crean cuando un neutrón se transforma en un protón y un electrón. Este electrón se emite entonces desde el núcleo. Lamasa de una partícula \ (\mathrm\beta\) es relativamente pequeña. Por tanto, puede representarse con el siguiente símbolo \({}_{-1}^0\mathrm\beta\).
El isótopo potasio se desintegra en calcio por radiación beta.
$${}_{19}^{40}\mathrm K\rightarrow{}_{20}^{40}\mathrm{Ca}\;+\;\mathrm e^{-1}$$
Vemos que el número másico no ha cambiado, pero el número atómico ha aumentado debido a la pérdida de un electrón.
La reacción nuclear anterior es posible gracias a la contrapartida más débil de la fuerza nuclear fuerte. Esta fuerza tiene mucha importancia porque es la que hace posible la reacción nuclear en el sol. La fusión nuclear que da energía al sol. La fuerza débil es más fuerte que la gravedad, pero sólo es efectiva en una distancia de \(10^{-18}\;\mathrm m\), su fuerza es la más parecida a la de la fuerza electromagnética. La fuerza débil, o interacción débil, es más fuerte que la gravedad, pero sólo es eficaz a distancias muy cortas. Actúa a nivel subatómico y desempeña un papel crucial en la alimentación de las estrellas y la creación de elementos. Esto nos lleva a la última de las fuerzas fundamentales, la fuerza electromagnética de la naturaleza.
La fuerza electromagnética
La fuerza electromagnética es la fuerza de atracción y repulsión que experimentan las partículas cargadas, es decir, las partículas que tienen la propiedad de la carga.
La fuerza electromagnética está formada por dos componentes: el componente eléctrico y el componente magnético. Veamos un ejemplo en el que podemos ver esta fuerza en acción. La fuerza electromagnética actúa en un rango infinito.
Si suspendes un imán de un hilo, se alineará de tal forma que apuntará hacia el polo norte geográfico. Este efecto se debe a la fuerza electromagnética.
¿Te has preguntado alguna vez cómo funciona un electroimán? Funciona según el principio del electromagnetismo. Un conductor de corriente produce un campo magnético a su alrededor. Esto magnetiza la cabeza del electroimán y le permite transportar componentes metálicos.
Lo contrario ocurre cuando un campo magnético interactúa con un hilo, es decir, induce una corriente.
La dirección del campo magnético producido puede averiguarse utilizando la regla de Fleming de la mano izquierda.
La regla establece que si estiramos los dedos pulgar, corazón e índice de la mano izquierda de tal manera que formen un ángulo de 90 grados. Entonces el pulgar apuntará en la dirección de la fuerza inducida \((F)\)el dedo corazón apuntará en la dirección de la corriente \((I)\)y el índice representará la dirección del campo magnético \((B)\).
Una forma fácil de recordarlo es utilizar el acrónimo FIB, donde las letras significan las propiedades definidas anteriormente. Las letras representan cada uno de los dedos, empezando por el pulgar y terminando en el dedo corazón. Otra ley que puede ayudarnos a encontrar la
La regla del pulgar derecho puede utilizarse junto con la regla anterior para hallar las direcciones de la corriente o del campo magnético.
La regla establece que si sostienes un conductor conductor de corriente con el pulgar apuntando en la dirección del flujo de corriente, entonces la dirección en la que se curvan los dedos representará el campo magnético a su alrededor.
Veamos ahora un ejemplo en el que actúan todas estas fuerzas fundamentales.
Fíjate en el ejemplo anterior de un niño jugando al baloncesto, la pelota cae al suelo debido a la fuerza de la gravedad que actúa sobre los átomos de la goma de la que está hecha la pelota. Estos átomos se mantienen unidos debido a la fuerza nuclear fuerte de atracción. La interacción entre las moléculas y los iones de los materiales utilizados para fabricar la pelota está regida por la fuerza electromagnética.
Esto nos lleva al final del artículo. Repasemos ahora lo que hemos aprendido hasta ahora. La siguiente imagen ofrece una rápida visión general de las cuatro fuerzas fundamentales y algunas de sus propiedades. El contenido de la imagen va más allá de lo que se espera que sepas sobre física en el instituto, ¡pero eso no significa que no te resulte interesante o útil!
Visión general de las fuerzas fundamentales de la naturaleza y cómo se comparan entre sí en cuanto a fuerza y alcance, Hiperfísica
Fuerzas de la Naturaleza Física - Puntos clave
- Todos los fenómenos de este universo pueden explicarse mediante las cuatro fuerzas fundamentales.
- Son la fuerza gravitatoria, la fuerza nuclear débil, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza electromagnética.
- La fuerzagravitatoria de la naturaleza es unafuerza sin contacto de atracción entre dos cuerpos con masa.
- La fuerza nuclear fuerte de la naturaleza es una fuerza subatómica que mantiene unido el núcleo de cada átomo del
- universo.
- La fuerza nuclear débil es una interacción débil a nivel subatómico responsable de la desintegración radiactiva de los núcleos.
- La fuerza electromagnética de la naturaleza es una fuerza de atracción y repulsión entre cargas.
- La fuerza fundamental más fuerte es la fuerza nuclear fuerte. La fuerza fundamental más débil es la fuerza gravitatoria de la naturaleza.
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