1. Efectos de la Fuerza

Una fuerza es cualquier causa capaz de deformar un cuerpo o modificar su estado de reposo o movimiento.

Deformaciones

Los objetos pueden tener varios comportamientos ante una fuerza que los deforma, es decir, que cambia su tamaño o su forma. Se pueden clasificar en varios tipos:

• Deformación elástica: El objeto recupera su tamaño y forma originales cuando la fuerza deja de actuar.
• Deformación plástica: Los materiales quedan deformados permanentemente, aunque dejemos de ejercer la fuerza.

Modificaciones del Movimiento

Las fuerzas no solo producen deformaciones en los cuerpos, sino que también pueden cambiar su estado de reposo o variar su movimiento (producir una aceleración). Como, por ejemplo:

• Modifican el estado de reposo de un cuerpo: Si golpeamos una canica que está parada en el suelo, empezará a desplazarse gracias a la fuerza ejercida sobre ella.
• Frenan el movimiento: Por ejemplo, al coger una pelota con las manos que está cayendo, esta pasa de tener un movimiento a pararse completamente.
• Aceleran el movimiento: Por ejemplo, al montar en monopatín, hay que darle impulso con el pie para aumentar su velocidad.
• Modifican la dirección del movimiento: Como al jugar al tenis, donde hacemos que la pelota cambie de sentido constantemente.

Principio de Inercia

El principio de inercia (Primera Ley de Newton) afirma que, si sobre un cuerpo no actúa ninguna fuerza externa neta (o las que actúan están equilibradas, sumando cero), este continuará en su estado de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme.

2. El Dinamómetro

Propiedades de un Muelle

Un muelle es una pieza elástica que recobra su posición natural cuando deja de actuar sobre él la fuerza que lo deforma.

Partes del Dinamómetro

Un dinamómetro es un instrumento que sirve para medir fuerzas. Se basa en la propiedad elástica de un muelle (Ley de Hooke). La unidad de fuerza en el Sistema Internacional es el newton (N).

Partes principales:

• Muelle: Se alarga proporcionalmente a la fuerza aplicada sobre él.
• Indicador: Situado al final del muelle, se moverá con este y nos mostrará la medida de la fuerza en una escala graduada.
• Gancho: Unido al indicador (o al muelle), aquí aplicaremos la fuerza que queremos medir.

3. Características de las Fuerzas

El Vector Fuerza

Las fuerzas son magnitudes vectoriales. En toda fuerza podemos identificar cuatro características:

• Intensidad o Módulo: Valor numérico de la fuerza, medido en newtons (N).
• Punto de aplicación: Lugar concreto donde actúa la fuerza sobre el cuerpo.
• Dirección: Línea recta sobre la que actúa la fuerza.
• Sentido: Orientación de la fuerza sobre la dirección (indicado por la punta de la flecha del vector).

Sistemas de Fuerzas

Un sistema de fuerzas es un conjunto de fuerzas que actúan simultáneamente sobre un cuerpo. Todas ellas se podrían sustituir por una única fuerza que produjese el mismo efecto, a la que llamamos fuerza resultante.

• Fuerzas con la misma dirección y sentido: La intensidad de la fuerza resultante (F_R) será la suma de las intensidades de las fuerzas individuales (F₁, F₂,…). El sentido será el mismo que el de las fuerzas originales. Ejemplo: F_R = F₁ + F₂.
• Fuerzas con la misma dirección y sentido opuesto: La resultante tendrá la dirección común, el sentido de la fuerza mayor, y su intensidad será la resta de las intensidades. Ejemplo: F_R = |F₁ – F₂|.
• Fuerzas perpendiculares: La resultante coincidirá con la diagonal del rectángulo formado por las fuerzas que actúan sobre el cuerpo. Su intensidad se calcula usando el teorema de Pitágoras. Ejemplo: F_R = √(F₁² + F₂²).

4. Tipos de Fuerzas (Contacto y a Distancia)

Podemos clasificar las fuerzas en dos categorías atendiendo a la forma en la que interactúan los cuerpos implicados:

• Fuerzas de contacto: Los cuerpos deben tocarse para ejercerlas. Si no hubiese contacto, no podría aplicarse la fuerza. Ejemplos: empujar una caja, la tensión de una cuerda, el rozamiento.
• Fuerzas a distancia: No es necesario que los cuerpos estén en contacto, ya que pueden actuar a través del espacio. Ejemplos: fuerza gravitatoria, fuerza eléctrica, fuerza magnética.

Fuerza Elástica (Ley de Hooke)

Describe la fuerza ejercida por un muelle u otro cuerpo elástico al ser deformado. Existe una proporcionalidad directa entre el alargamiento o compresión (x) del muelle y la fuerza aplicada (F) sobre él (o la fuerza restauradora que ejerce el muelle). Esta relación se conoce como la Ley de Hooke:

F = k · x

Donde ‘k’ es la constante elástica del muelle (mide su rigidez) y ‘x’ es la deformación.

Fuerza de Tensión

La fuerza que ejerce una cuerda, cable o hilo tenso sobre el objeto al cual está unido se conoce como fuerza de tensión (T). Siempre actúa a lo largo de la cuerda y tirando del objeto.

Fuerza de Rozamiento

La fuerza de rozamiento (f_r) es una fuerza que se opone al movimiento (o al intento de movimiento) relativo entre dos superficies en contacto. Depende de la naturaleza de las superficies y de la fuerza normal entre ellas.

5. Fuerzas Fundamentales en la Naturaleza

En la naturaleza, todos los cuerpos interactúan ejerciendo fuerzas unos sobre otros en virtud de alguna de las propiedades físicas que poseen. Estas interacciones se pueden reducir a unas pocas, llamadas fuerzas fundamentales:

• Fuerza Gravitatoria: Atracción entre objetos con masa.
• Fuerza Electromagnética: Actúa entre partículas con carga eléctrica. Incluye la fuerza eléctrica y la fuerza magnética.
• Fuerza Nuclear Fuerte: Mantiene unidos los protones y neutrones en el núcleo atómico.
• Fuerza Nuclear Débil: Responsable de ciertos procesos radiactivos como la desintegración beta.

6. La Fuerza Eléctrica

Comportamiento de las Cargas Eléctricas

La fuerza eléctrica es la interacción entre cuerpos debida a su carga eléctrica.

• Cargas de distinto signo (+ y -): Si acercamos dos cargas de distinto signo, aparece una fuerza eléctrica atractiva que hace que se atraigan.
• Cargas del mismo signo (+ y + ó – y -): Al aproximar dos cargas del mismo signo, veremos cómo se separan debido a la fuerza eléctrica repulsiva que surge entre ellas.

Factores que Afectan la Fuerza Eléctrica

La intensidad de la fuerza eléctrica depende de:

• Distancia: A menor distancia entre las cargas, mayor es la fuerza (inversamente proporcional al cuadrado de la distancia – Ley de Coulomb).
• Cantidad de carga: A mayor cantidad de carga en los cuerpos, mayor es la fuerza (directamente proporcional al producto de las cargas – Ley de Coulomb).
• Medio en el que se encuentran: La fuerza es máxima en el vacío y disminuye en otros medios materiales (como el aire o el agua).

7. Electrización

La electrización es el proceso por el cual un cuerpo adquiere carga eléctrica. Existen varias formas:

• Electrización por frotamiento: Cuando frotamos dos cuerpos neutros de distinto material, los electrones pueden pasar de un cuerpo al otro. El cuerpo que pierde electrones queda cargado positivamente, y el que los gana, negativamente.
• Electrización por inducción: Al aproximar un cuerpo cargado (inductor) a otro neutro (conductor), sin tocarlo, las cargas del cuerpo neutro se redistribuyen. La zona más cercana al inductor adquiere carga de signo opuesto, y la zona más alejada, carga del mismo signo. El cuerpo neutro sigue siendo neutro en conjunto, pero sus cargas se han separado.
• Electrización por contacto: Consiste en poner en contacto un cuerpo cargado con un cuerpo neutro (generalmente conductor). Se produce una transferencia de cargas desde el cuerpo cargado hasta el neutro, quedando ambos cuerpos con carga del mismo signo que el cuerpo cargado inicialmente.

Conductores y Aislantes

• Conductores: Materiales que permiten que las cargas eléctricas (electrones) se muevan fácilmente a través de ellos. Ejemplos: metales (cobre, plata, oro), grafito, disoluciones iónicas.
• Aislantes (o Dieléctricos): Materiales que oponen gran resistencia al movimiento libre de los electrones a través de ellos. Las cargas permanecen localizadas. Ejemplos: plástico, vidrio, madera seca, aire, goma.

8. La Fuerza Magnética y los Imanes

El magnetismo es la propiedad que presentan ciertos materiales (imanes) de atraer algunos metales como el hierro, el níquel o el cobalto, y de ejercer fuerzas sobre cargas eléctricas en movimiento.

Cada imán tiene dos zonas donde la atracción es más intensa, llamadas polos magnéticos, que reciben el nombre de polo norte (N) y polo sur (S).

Propiedades de los Imanes

• Interacción entre polos: Polos iguales (N-N o S-S) se repelen, mientras que polos distintos (N-S) se atraen.
• Inseparabilidad de los polos: Si dividimos un imán en dos partes, cada parte resultante se convierte en un nuevo imán con su propio polo norte y su propio polo sur. No existen los monopolos magnéticos aislados.

Campo Magnético y Líneas de Fuerza

La zona del espacio que rodea a un imán (o a una corriente eléctrica) donde se manifiestan sus efectos magnéticos se llama campo magnético. Se representa mediante líneas de fuerza (o líneas de campo magnético), que son líneas imaginarias cerradas que salen del polo norte y entran en el polo sur del imán.

9. El Campo Magnético Terrestre

La Brújula

Una brújula es un instrumento que consiste en una pequeña aguja imantada que tiene libertad para girar sobre un eje horizontal. La aguja se orienta siempre señalando aproximadamente hacia el polo norte geográfico de la Tierra.

La Tierra se comporta como un gigantesco imán. Su núcleo externo de hierro y níquel fundidos, en rotación, genera corrientes eléctricas que crean el campo magnético terrestre. Este campo protege al planeta de radiaciones cósmicas perjudiciales. El polo norte magnético de la Tierra se encuentra cerca del polo sur geográfico, y viceversa (por eso el polo norte de la brújula apunta hacia el norte geográfico).

10. Electromagnetismo

El electromagnetismo es la rama de la física que estudia las relaciones entre la electricidad y el magnetismo, demostrando que son manifestaciones de un mismo fenómeno.

Experimento de Oersted (1820)

Hans Christian Oersted descubrió que una corriente eléctrica (cargas eléctricas en movimiento) que circula por un conductor crea un campo magnético a su alrededor. Esto se demuestra al acercar una brújula a un cable con corriente: la aguja se desvía.

Experimento de Faraday (Inducción Electromagnética, 1831)

Michael Faraday demostró el efecto inverso: un campo magnético variable en el tiempo puede generar una corriente eléctrica en un circuito cercano (conductor). Por ejemplo, al mover un imán cerca de una bobina (un arrollamiento de cable conductor), se induce una corriente eléctrica en la bobina. Este principio es la base de los generadores eléctricos.

La Gravedad y el Universo

11. La Fuerza de la Gravedad

La gravedad es la fuerza de atracción mutua que existe entre todos los objetos que tienen masa. Es una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza y es responsable de mantener los planetas en órbita alrededor del Sol, la Luna alrededor de la Tierra, y de que los objetos caigan hacia el suelo.

Propiedades de la Fuerza Gravitatoria

La intensidad de la fuerza gravitatoria entre dos objetos depende de:

• Masa de los cuerpos: Es directamente proporcional al producto de las masas de los cuerpos. Si la masa de uno o ambos cuerpos aumenta, la fuerza de atracción gravitatoria aumenta; si la masa disminuye, la fuerza también lo hace.
• Distancia entre los cuerpos: Es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que separa sus centros. Si la distancia aumenta, la fuerza de atracción gravitatoria disminuye rápidamente; si la distancia disminuye, la fuerza aumenta.

12. Fuerza Gravitatoria Terrestre

El campo gravitatorio terrestre es la región del espacio alrededor de la Tierra en la cual nuestro planeta ejerce una fuerza de atracción significativa sobre cualquier otro objeto con masa.

Aceleración de la Gravedad (g)

Debido a la fuerza gravitatoria terrestre, cualquier objeto cercano a la superficie de la Tierra y libre de otras fuerzas experimenta una aceleración dirigida hacia el centro del planeta. Esta aceleración se conoce como aceleración de la gravedad (g). Su valor varía ligeramente de un punto a otro de nuestro planeta (es mayor en los polos que en el ecuador y disminuye con la altitud), pero se toma un valor promedio aproximado de 9,8 m/s² cerca de la superficie terrestre.

13. El Peso

El peso (P) de un objeto es la fuerza con que la Tierra (o cualquier otro astro) lo atrae debido a la gravedad. Es una magnitud vectorial, dirigida hacia el centro del astro.

Para calcular el peso (P) de un objeto en la superficie de un astro, se multiplica su masa (m) por la aceleración de la gravedad (g) en ese lugar:

P = m · g

Diferencias entre Masa y Peso

Es fundamental no confundir masa y peso:

• Concepto: La masa (m) es una medida de la cantidad de materia que tiene un cuerpo y una medida de su inercia. El peso (P) es la fuerza gravitatoria que actúa sobre esa masa.
• Variabilidad: La masa de un objeto es una propiedad intrínseca y es constante, independientemente de dónde se mida. En cambio, el peso de un objeto varía según la intensidad del campo gravitatorio (el valor de ‘g’) en el lugar donde se encuentre. Un objeto no tiene el mismo peso en la Tierra que en la Luna o en Marte, aunque su masa sea la misma.
• Medición: La masa se mide con una balanza (comparando con masas patrón). El peso se mide con un dinamómetro (midiendo la fuerza).
• Unidades: En el Sistema Internacional, la masa se mide en kilogramos (kg). El peso, al ser una fuerza, se mide en newtons (N).