¿Cuál es la definición de fuerza?

En física, el término fuerza se refiere a toda interacción que provoca movimiento en un objeto, o dicho más exactamente provoca una aceleración o cambio de velocidad, siempre teniendo en cuenta que la aceleración puede ser negativa (el objeto irá más lento) o positiva (el objeto irá más rápido).

La interacción de varias fuerzas sobre un mismo objeto, cada una en direcciones y sentidos diferentes, puede resultar además en un cambio de la trayectoria del objeto, con o sin cambio de velocidad según la magnitud resultante de todas las fuerzas implicadas.

Es decir, una fuerza es toda acción que mantiene o altera el estado de movimiento de un objeto.

Como magnitud, la fuerza se mide en newtons. La unidad Newton, abreviado N, equivale 1 k•m/s². Significa que una fuerza de 1 N es capaz de imprimir una aceleración de 1 m/s² a un objeto de masa 1 kg. Una fuerza 10 N será capaz de provocar una aceleración de 10 m/s² en el mismo objeto.

Fuerzas de contacto y fuerzas a distancia

De un modo muy simplificado, las fuerzas se pueden clasificar en dos tipos:

• Fuerzas de contacto
• Fuerzas de no-contacto o de acción a distancia

Las llamadas fuerzas de contacto son todas aquellas que se ponen de manifiesto cuando dos objetos entran en contacto. Por ejemplo, las siguientes fuerzas son fuerzas de contacto:

• De tensión: fuerza ejercida mediante un cable, cuerda, cadena o similar.
• Normal: fuerza de reacción normal de un objeto cuando recibe una fuerza sobre él, por ejemplo, una pelota rebotando en el suelo.
• De fricción: fuerza provocada cuando un objeto se desliza sobre otro. La fricción suele provocar una aceleración negativa. El aire también provoca fricción cuando un objeto se mueve a través del él.
• Peso: fuerza resultado de la tracción de un objeto hacia el centro de la Tierra por la gravedad del planeta.

Por su parte, las fuerzas de no-contacto o de acción a distancia provocan cambios en el movimiento de objetos aunque no estén en contacto físico. Por ejemplo, la fuerza de la gravedad y la fuerza electromagnética son fuerzas de acción a distancia.

Fuerza en las Leyes del movimiento de Newton

El concepto de fuerza fue teorizado por primera vez por Isaac Newton en sus tres leyes del movimiento. Newton también explicó la gravedad como una fuerza de atracción entre dos objetos con masa, pero en Relatividad General de Einstein, sin embargo, la gravedad no requiere una fuerza.

• Primera Ley de Newton: un objeto continuará en movimiento rectilíneo uniforme a menos que se ejerza una fuerza sobre él. Un objeto en movimiento permanece en movimiento hasta que una fuerza actúa sobre él que provoque un cambio en su estado de movimiento y lo acelere, lo frene o cambio su trayectoria. Del mismo modo, un objeto en reposo permanecerá en reposa hasta una fuerza actúa sobre él.
• Segunda Ley de Newton: si la masa de los objetos permanece constante, la fuerza es directamente proporcional a la aceleración (F = m•a) y que la aceleración e inversamente proporcional a la masa.
• Tercera Ley de Newton: cuando se aplica una fuerza sobre un objeto este responde con una reacción de igual magnitud que la fuerza aplicada pero en sentido opuesto a la fuerza recibida. Se suele resumir en que para toda acción hay una reacción.

Una fuerza es una magnitud vectorial

Una fuerza es una magnitud física de tipo vectorial. Esto significa que, además de su magnitud numérica, la fuerza está asociada a una dirección en el espacio. Sin conocer esta dirección no podemos describir el efecto producirá una fuerza.

Esto contrasta con las magnitudes escalares, las cuales quedan completamente descritas con el valor numérico.

Por ejemplo, sabemos que una fuerza de 10 N es capaz de acelerar un objeto de 10 kg hasta 1 m/s², pero si no sabemos la dirección en la que se aplica la fuerza sobre el objeto, no podemos describir como y hacia donde se moverá el objeto.

Debido a esta naturaleza vectorial de la fuerza, los sistemas en los que intervienen fuerzas se suelen representar mediante diagramas de vectores: cada fuerza es representada por una flecha cuya orientación indica dirección y sentido en la que se ejerce la fuerza, y la longitud es proporcional a su magnitud.

Fuerzas fundamentales

Todas los tipos de fuerzas se pueden descomponer hasta explicarse a través de cuatro fuerzas fundamentales, aunque las cuatro no se pueden explicar a través de la misma teoría física: la gravedad es explicada por la teoría de la relatividad general, mientras que la fuerza electromagnética y las fuerzas nucleares fuerte y débil se pueden explicar a través de la mecánica cuántica.

1. Gravitación: fuerza que actúan entre partículas con masa. Todas las partículas con masa experimentan esta fuerza.
2. Fuerza electromagnética: fuerza que actúa entre partículas cargadas eléctricamente. Está mediada por fotones.
3. Fuerza de interacción fuerte: es la fuerza que mantiene los núcleos atómicos unidos. Se da entre quarks y está mediado por gluones.
4. Fuerza de interacción débil: está mediada por bosones W y Z. A temperaturas muy altas, la fuerte débil y la fuerza electromagnética son indistinguibles, y se ha probado que en realidad la fuerza electromagnética y la fuerza débil son el mismo tipo de fuerza, la fuerza electrodébil.