En física denominamos fuerza a toda acción capaz de producir cambios en el movimiento o en la estructura de un cuerpo. En este apartado vamos a desarrollar esta idea que está detrás, por ejemplo, de la tecnología que usamos para viajar en coche o bicicleta, pero también detrás de gestos tan cotidianos como empujar el carrito de la compra. Para ello estudiaremos:

¿Estás preparado para el esfuerzo?

Concepto de fuerza

Imagina que empujas con tu dedo una bola en reposo sobre una mesa de billar. Tu intuición probablemente te dice que le estás dando "fuerza" a la bola. De una manera más formal podemos decir que le estamos aplicando una fuerza a la bola. ¿Qué ocurrirá entonces? Lo más probable es que nuestra bola empiece a moverse, pero si esta fuese, por ejemplo, un globo de agua también podría suceder que se deformase y nuestro dedo fuese "engullido" por el mismo.

Efectos de una fuerza

Cuando comienzas una partida de billar aplicas, con el taco, una fuerza sobre la bola blanca (cue ball ). Esta fuerza termina propagándose al resto de bolas del juego, inicialmente en reposo, poniéndolas a todas en movimiento.

Definimos una fuerza como toda causa capaz de modificar el estado de reposo o de movimiento de un cuerpo, o de producir una deformación en él. Una fuerza es la interacción de un cuerpo con algo externo a él y es una magnitud vectorial caracterizada por poseer módulo, dirección, sentido y punto de aplicación o punto origen.

La unidad en el Sistema Internacional es el Newton (N). Un Newton es la fuerza que, al aplicarse sobre una masa de un kilogramo (Kg), le provoca una aceleración de un metro por segundo al cuadrado (m/s2).

Históricamente el estudio del movimiento de los cuerpos y su causa ha fascinado al hombre desde la antigüedad. Aristóteles (284 - 322 a.C. ), uno de los sabios más importantes de la antigua Grecia, fue uno de los principales precursores de este estudio, manteniéndose sus ideas vigentes durante toda la Edad Media. Posteriormente Galileo (1564 - 1642) fue capaz de describir de manera matemática el movimiento (famoso es el principio de relatividad de Galileo), pero no analizó las causas del mismo. Años después fue Isaac Newton (1643 - 1727) quien, basándose en las ideas de Galileo, determinó las causas del mismo: las fuerzas.

Otras unidades de medida

Además del newton, existen otras unidades menos utilizadas:

  • dina (dyn). Se trata de la fuerza que, aplicada a una masa de un gramo, le proporciona una aceleración de un centímetro por segundo al cuadrado (cm/s2) o Gal. Es una unidad del Sistema Cegesimal de Unidades. 1 d = 10-5 N
  • kilopondio (kp) o kilogramo-fuerza (kgf). Es lo que pesa una masa de 1 kg en la superficie terrestre. Dicho de otro modo, es la fuerza ejercida sobre una masa de 1 kg por la gravedad en la superficie terrestre (9,81 m/s2). Es la unidad del Sistema Técnico de Unidades. 1 kp = 9.8 N
  • poundal (pdl). Se trata de la fuerza necesaria para acelerar una masa de 1 libra a un pié por segundo al cuadrado. Se trata de una unidad especializada del sistema anglosajón de unidades, de ahí que utilice el pie (1 pie = 30.48 cm) como unidad de longitud para su definición. 1 pdl = 0.1382550 N
  • libra fuerza (lbf). Se trata de la fuerza gravitacional ejercida sobre una masa de una libra (0.45359237 kg.) sobre una idealizada superficie de la Tierra. Se trata también de una unidad especializada del sistema anglosajón de unidades. 1 lbf = 4,448222 N
  • KIP. Es otra unidad más del sistema anglosajón de unidades. Equivale a mil libras, es decir, 1 KIP = 1000 lbf, y por tanto 1 KIP = 4448,222 N

Representación de fuerzas

Anteriormente hemos definido la fuerza como una magnitud vectorial, y por tanto son representadas como vectores. Efectivamente, como puedes observar en la siguiente imagen, la dirección y el sentido de la fuerza debe ser tenida en cuenta para poder predecir sus efectos.

Observa que una de las características señaladas de las fuerzas ha sido el punto origen, también conocido como punto de aplicación. Se trata del punto del espacio en el que la fuerza es aplicada, y por tanto, los efectos que produce la fuerza en un cuerpo puede variar en función del mismo. En cualquier caso, en este nivel nos centraremos en objetos puntuales, y por tanto aplicar una fuerza a un cuerpo es aplicarla en su único punto.

Por otro lado las fuerzas, como vectores que son, pueden ser descompuestas. Esto nos permitirá, por ejemplo, observar los efectos que producen en el espacio en cada dimensión (eje) por separado.

Efectos de las Fuerzas

Las fuerzas surgen a partir de las interacciones entre los cuerpos. Observa la siguiente imagen.

Recuerda, cada interacción lleva asociada una pareja de fuerzas. A este principio se le conoce como ley de acción y reacción.

Según la distancia a la que interaccionen los cuerpos, podemos distinguir claramente dos tipos:

  • Interacción por contacto. Las fuerzas surgen al ponerse en contacto dos o más cuerpos. Por ejemplo, cuando hay un choque o cuando empujas una puerta.
  • Interacción a distancia. Los cuerpos, aunque no estén en contacto, ejercen una fuerza sobre los otros. Por ejemplo, la fuerza de atracción de un imán hacia algo metálico, o la propia fuerza de la gravedad que la Tierra ejerce sobre la luna, y viceversa.

Adicionalmente, los efectos que producen las fuerzas se pueden resumir en dos tipos:

  • Dinámicos. Producen cambios en la velocidad (módulo, dirección o sentido) del cuerpo sobre el que actúan. Por ejemplo, si aplicas y mantienes durante cierto tiempo la misma fuerza al carrito de la compra, este irá aumentando de manera paulatina su velocidad. Para entender los efectos dinámicos de las fuerzas son de particular utilidad las leyes de Newton. Por otro lado, ten presente que si la dirección de la fuerza que se aplica a un cuerpo libre no pasa por su centro de gravedad, le producirá un movimiento de rotación (giro) y un movimiento de traslación (desplazamiento). Es lo que ocurre cuando golpeas un balón con el pié justo por el borde y no por el centro. En cualquier caso, en este tema nos centraremos en cuerpos puntuales, y por tanto solo consideraremos los movimientos de traslación. Si deseas ampliar información sobre este particular, visita el tema dedicado al sólido rígido

    La segunda ley de Newton nos permite conocer la aceleración que adquiere un cuerpo cuando actúa una fuerza o un conjunto de fuerzas sobre él.

  • Elásticos. Producen cambios en la estructura del cuerpo sobre el que actúan. Por ejemplo, para forjar una espada, se suelen aplicar diversos tipos de fuerzas a un pedazo de acero incandescente.

Y ahora... ¡Ponte a prueba!