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Interacciones
Concepto de interacción.
Interacciones fundamentales de la naturaleza:  Gravitatoria,   Electromagnética,  Nuclear fuerte,  Nuclear débil.
Fuerza como descripción de una interacción.
Definición operacional de fuerza.
Suma de fuerzas.

 


La física es la ciencia, que a partir de la observación de la naturaleza, intenta describir mediante procesos matematicos, las leyes a que esta se ajusta.

Hasta las primeras décadas del siglo XIX, habían cursos y libros de "Filosofía Natural", que al contrario de otras materias como historia o religión, buscaba interpretar los fenómenos que estudiaba mediante la experimentación.

Al pasar del tiempo, habían tan vastos conocimientos en esta materia que ya no era posible que una persona los abarcase a todos. Comenzaron a separarse de la Filosofía Natural, ciencias con campos más específicos, como la Química, la Astronomía, la Geología y otras disciplinas similares.

El núcleo que fue quedando se denominó física. En este núcleo está la parte más basica y fundamental y, portanto es necesaria para la comprensión de las otras ciencias.

Hoy vivimos en un mundo científico y tecnológico; la física es una parte fundamental de nuestro mundo que influye en nuestra sociedad a cualquier escala, pues abarca desde lo infinitamente grande, la astrofísica, a lo infinitamente pequeño, la física de las partículas elementales. Por ello no debe extrañar la presencia de la física en todo lo que ha representado progreso científico y técnico.

 

Interacciones

Podemos observar una enorme variedad de acontecimientos en la naturaleza, desde la caída de una hoja en otoño hasta la explosión de una supernova. Puede parecer que hay una gran disparidad de orígenes y explicaciones para entender tantos fenómenos y tan distintos como los que se dan en el Universo. Sin embargo, es aceptado por los científicos que todo puede ser descrito simplemente a partir de cuatro interacciones fundamentales.

Concepto de interacción.
Todos los objetos físicos del universo están en una situación de intercambio de acciones de uno sobre otros y viceversa. Esas acciones mutuas se denominan interacciones. La Física es la ciencia de las interacciones, por eso es importante establecer sus semejanzas y diferencias. El universo es un mundo de interacciones y existe debido a que las partículas fundamentales interactúan, ya sea porque decaen o se aniquilan, o bien porque responden a una fuerza debida a la presencia de otra partícula.

 

Interacciones fundamentales de la naturaleza:
Las interacciones responsables de todos los fenómenos físicos son cuatro:

¦ Gravitatorias
¦ Electromagnéticas
¦ Interacción nuclear fuerte
¦ Interacción nuclear débil

 

 

Gravitatoria

 

Se dice que Isaac Newton al ver caer una manzana de un árbol, se preguntó por que caía, ¿por qué no quedaba suspendida en el aire?, ¿qué era lo que provocaba ese movimientos hacia la superficie de la tierra?. Lo que concluyó es que los cuerpos se atraen con una fuerza que depende de su masa, y si los cuerpos caen es porqué hay una fuerza de atracción entre la masa de estos y la gran masa de la tierra. También pudo comprobar que esa misma fuerza era la que determinaba las órbitas de los planetas y satélites.

Su origen se encuentra en la propiedad de la materia llamada masa y su magnitud es extremadamente pequeña comparada con la electromagnética. Esta es la más débil de las cuatro interacciones; sin embargo, la podemos apreciar cotidianamente debido a que en nuestro entorno existen cuerpos con masas muy grandes. Su alcance es infinito, aunque disminuye rápidamente con la distancia. Por ejemplo la formación del sistema solar y la vida en el planeta Tierra, dependen en gran medida de la interacción gravitatoria. Es la fuerza que actúa al caer cualquier objeto al piso, que actúa en las orbitas de planetas y satélites, y también en el movimiento de las galaxias.

No hace falta una presentación muy extensa para esta última fuerza. La sentimos a cada instante al estar pegados a la Tierra. A pesar de lo que pueda parecer, es extremadamente débil. Su intensidad a corto alcance es aproximadamente, dicho en números redondos, 1000000000000000000000000000000 de veces menor que la interacción nuclear débil.

La gravedad nos pega a nuestro planeta.
No obstante, en presencia de grandes acumulaciones de partículas, es decir, de cuerpos de gran masa, puede tener un efecto enorme, llegando a colapsar estrellas bajo la fuerza gravitatoria interna de su propia masa, dando lugar a los famosos agujeros negros y a las no tan famosas estrellas de neutrones.

Esta fuerza no tiene límite en su alcance, aunque su influencia se reduce según aumenta la distancia, como ya formuló Isaac Newton con su Ley de la Gravedad. Las ecuaciones de Newton que las utilizamos para resolver problemas técnicos de nuestra vida cotidiana (como en ingeniería civil) son un caso particular de una teoría más general, la Teoría General de la Relatividad.

En física de partículas se dice que los bosones son los mediadores de fuerza o partículas portadoras de las interacciones fundamentales, puesto que los campos eléctromagnético, electrodébil, fuerte y presumiblemente el gravitatorio están asociados a partículas de este tipo.

La partícula que sería la transmisora de la interacción gravitatoria, el gravitón, es una partícula elemental hipotética de tipo bosónico.

 

 

 

 

 

 

La carga eléctrica es una propiedad intrínseca de la materia que se presenta en dos tipos. Éstas llevan ahora el nombre con las que Benjamin Franklin las denominó: cargas positivas y negativas. Cuando cargas del mismo tipo se encuentran se repelen y cuando son diferentes se atraen. Franklin relacionó como siendo de una misma naturaleza el fenómeno (electricidad) que se comenzaba a estudiar con las primeras experiencias, con los rayos, que él ivestigaba mediante una cometa, que levantaba durante las tormentas. En la misma época Coulomb demostraba que las fuerzas debidas a las cargas eran proporcionales al valor de estas e inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia entre ellas.
Electromagnética
Tiene su origen en la carga eléctrica.

Debido a que los átomos están formados por cargas eléctricas y a que la materia esta constituida por átomos; el estudio de la materia, la radiación y sus interacciones, se hace utilizando la interacción electromagnética. Con base en esta interacción se pueden explicar la mayoría de las propiedades de la materia; sus fases sólida, líquida, gaseosa y plasmática, así como su textura, su color, su transparencia, opacidad y dureza. La formación de moléculas involucran fuerzas electromagnéticas, por lo que las propiedades químicas de la materia tienen su origen en esta interacción. Muchas ramas de la ciencia son resultado directo del estudio de las propiedades electromagnéticas de la materia.

Esta fuerza se puede contemplar como campos electromagnéticos o como intercambio de fotones, y es unas 100 veces más débil que la nuclear fuerte. Es bastante más cotidiana que esta, puesto que todos hemos visto un imán en acción. Cuenta con la particularidad de que puede ser de dos tipos: positiva y negativa, de forma que cuando dos partículas cuentan con distinta carga se atraen y cuando coincide se repelen.

Así, los átomos son posibles porque los protones de carga positiva y los electrones de carga negativa se atraen para formarlos, con la inestimable ayuda, en lo que a los núcleos se refiere, de la fuerza nuclear fuerte que veremos.

A nivel aún más pequeño tenemos una vez los quarks, los cuales tienen carga electromagnética fraccionaria, con respecto a la unidad que sería la del protón y la del electrón, 1 y -1 respectivamente. El protón está compuesto por dos quarks con carga 2/3 y un quark con carga -1/3, sumando 1, mientras que el neutrón contiene dos quarks con carga -1/3 y uno con carga 2/3, sumando 0.

A nivel más grande, la interacción electromagnética es la responsable de fenómenos a gran escala presentes en nuestra vida diaria, como la propagación de la luz, la corriente eléctrica o las señales de radio y televisión.

Esta interacción determina la llamada Ley de Coulomb, que lleva su nombre en honor a Charles-Augustin de Coulomb, quien fue el primero en describir en 1785 las características de las fuerzas entre cargas eléctricas.

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Nuclear fuerte
Para entender la naturaleza de la fuerza nuclear fuerte, considera los siguientes hechos:

                     Los núcleos atómicos están hechos de protones y neutrones.
                     Los protones son cargas eléctricas positivas.
                     Los neutrones no tienen carga eléctrica.
                     Dentro del núcleo los protones sienten una fuerza grandísima de repulsión, pues cargas eléctricas iguales se repelen.

Entonces, surge la pregunta: ¿Cómo se mantiene unido el núcleo? La razón por la cual las cargas eléctricas dentro de un núcleo atómico no salen volando es que existe la fuerza nuclear fuerte que hace que los protones y los neutrones en el núcleo se atraigan. Esta fuerza es la responsable de mantener unidos a los nucleones (protón y neutrón) que coexisten en el núcleo atómico, venciendo a la repulsión debida a la interacción electromagnética entre los protones que poseen carga eléctrica del mismo signo (positiva) y haciendo que los neutrones, que no tienen carga eléctrica, permanezcan unidos entre sí y también a los protones. Los efectos de esta fuerza de interacción sólo se aprecian a distancias muy pequeñas, del orden de los radios de los núcleos atómicos y no se perciben a distancias mayores. A esta característica se le conoce como ser de corto alcance, en contraposición con la fuerza gravitatoria o la fuerza electromagnética que son de largo alcance (realmente el alcance de estas dos es infinito). Si un núcleo atómico gana neutrones adicionales, por ejemplo bombardeandolo con un haz de neutrones, el núcleo cambia de forma y se hace más grande, pero llega un momento en que la fuerza nuclear fuerte no tiene el alcance suficiente para mantener al núcleo unido. Como resultado, el núcleo se parte en dos generando mucha energía. En la teoría cuántica de campos a cada tipo de interacción le corresponde una familia de partículas portadoras de la interacción. En el caso de la fuerza nuclear fuerte estas partículas son los gluones.

Nuclear débil
Este tipo de interacción ha tenido importancia debido a que por sus características se debieron reformular algunos conceptos en la teoría de partículas. Su efecto más familiar es el decaimiento beta (de los neutrones en el núcleo atómico) y la radiactividad. La palabra "débil" deriva del hecho que un campo de fuerzas es de 1013 veces menor que la interacción nuclear fuerte; aun así esta interacción es mucho más fuerte que la gravitación a cortas distancias.

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Fuerza como descripción de una interacción.
Las interacciones ,a excepción de casos de decaimientos de partículas, se manifiestan como fuerzas entre las partículas que interactúan. Fuerza es la magnitud que puede cambiar el movimiento de un cuerpo.

Toda fuerza si no es anulada por otras provoca una aceleración . Al aplicársele una fuerza a un cuerpo (sea esta la única, o la resultante entre varias), este modifica su velocidad, o si está en reposo, adquiere una velocidad que irá en aumento constante mientras esté la misma fuerza resultante aplicada.

Lo que adquiere el cuerpo es una aceleración. Newton mediante observaciones experimentales concluyó que la aceleración de un móvil es proporcional a la fuerza resultante aplicada.

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Definición operacional de fuerza.
Pero no todos los cuerpos adquieren la misma aceleración ante una misma fuerza. Cuanto mayor es la masa del cuerpo, menor será su aceleración. Se observa que la masa es el cociente, entre una fuerza aplicada, y la aceleración debida a esta : m = F/a.

Es conocida como segunda ley de Newton esta relación entre la masa de un cuerpo, la aceleración adquirida por este y la fuerza que provoca esta aceleración: F = m.a.

Observemos que la fuerza no queda definida apenas por un valor, si aplicamos una fuerza a un automóvil desde atras, de forma a que este pase del reposo a tener un movimiento, y aplicamos una fuerza del mismo valor pero en la parte lateral del auto, tendremos resultados totalmente diferentes.

Si a un cuerpo en movimiento, una esfera por ejemplo, le aplicamos una fuerza en la misma dirección y sentido del movimiento, el cuerpo aumentará su velocidad, si le aplicamos la fuerza en sentido contrario, diminuirá su velocidad; si le aplicamos la fuerza en sentido transversal al movimiento, el cuerpo se desviará, es decir modificará la dirección del movimiento.

VECTORES
Vectores y escalares
En Física existen magnitudes que quedan determinadas dándoles apenas un valor expresado en una unidad conveniente. Estas son las magnitudes escalares:
la masa de un cuerpo, (en kilogramos, gramos, toneladas, etc)
un período de tiempo (en días, horas, segundos, etc.)
la temperatura, (en grados centígrados o en otras escalas)
el volumen, (en metros cúbicos, litros, etc.)
distancia, carga eléctrica, energía, corriente eléctrica, etc..

Sin embargo, existen otras magnitudes que necesitan, además del valor asignado, una dirección para quedar determinadas. Nos referimos a las magnitudes vectoriales. En el caso de la fuerza del ejemplo anterior, dos fuerzas de mismo valor son diferentes, si sus direcciónes son diferentes. Si queremos situar (saber su posición) a un alumno/a en el interior de una clase respecto de la puerta, no nos bastaría con medir la distancia que existe entre el alumno/a y la puerta sino que además habría que especificar la dirección. La posición de un objeto respecto de otro es una magnitud vectorial, también lo son la velocidad, la aceleración y otras muchas magnitudes que iremos viendo.

Podemos definir un vector en física, como una herramienta geométrica utilizada para representar una magnitud física del cual depende de un módulo (o valor) y una dirección (u orientación) para quedar definido, también en muchos casos, precisamos definir un punto de aplicación.

 

* Cuando hacemos referencia a un vector, lo hacemos con su nombre y una flecha arriba, por ejemplo el vector "u": lo simbolizamos así:    también lo podemos hacer con su nombre en negrita: u .

Representamos el vector por una flecha, como en la figura de al lado, que está representado el vector   * . En esta flecha distinguimos:
origen, o punto inicial y
extremo, o punto terminal, que es donde está la punta de la flecha. .

Observamos en los vectores las siguientes propiedades:

Módulo
Es el valor de la magnitud vectorial. Gráficamente es la longitud o tamaño del vector, que representa en escala el valor de la magnitud considerada.

Dirección
Viene dada por la orientación en el espacio de la recta que lo contiene.

Sentido
Se indica mediante una punta de flecha situada en el extremo del vector, indicando hacia qué lado de la línea de acción se dirige el vector.

Punto de aplicación
Es el punto sobre el que actúa el vector. En muchas operaciones no precisamos considerarlo, en este caso llamamos a los vectores de vectores libres

Suma de fuerzas.
Si sobre un cuerpo aplicamos dos fuerzas en la misma dirección, la suma de estas será la suma algébrica de los valores de ambas fuerzas. Pero si las fuerzas no están en la misma dirección,
¿Cuál será la dirección de la resultante?
¿Cuál será su módulo?.

 

Los vectores que utilizamos para definir la suma son libres, es decir vectores en que no consideramos punto de aplicación.
El vector libre queda definido por su dirección y su módulo, no interesa el lugar en que esté, teniendo esas dos propiedades iguales, es el mismo vector.
En la figura de abajo vemos el vector OE, que es un vector libre, todos las otras representaciones, como tienen la misma dirección y módulo, son también el vector OE. Entonces el vector libre tiene dirección y módulo, pero no tiene una posición en el plano o en el espacio.

 

 

 


Suma de vectores por el método del Polígono.
La suma de dos vectores y es un nuevo vector y escribiremos: + = . Gráficamente podemos obtener el vector suma mediante la regla del paralelogramo, en que procedemos así:
- Posicionamos los vectores de forma que queden con el mismo origen.
- Trazamos paralelas a cada vector que pasan por el punto terminal del otro vector.
- El vector suma va del origen de los vectores al punto en que se interceptan las paralelas.
Veamos este método en el vídeo siguiente.

También podemos sumar vectores con el método del polígono, que consiste en colocar sobre el extremo del primer vector el origen del otro, siendo el vector resultante, aquel que tiene origen en el origen del primero y, punto terminal en el punto terminal del segundo. Veamos la figura de al lado.
Si debemos sumar más de dos vectores de una vez, debemos usar este método. Colocamos cada nuevo vector a sumar en el punto terminal del anterior, el vector suma va del punto inicial del primer vector al terminal del último.
Veamos este método en el video siguiente, en que sumamos cuatro vectores.

La suma de vectores posee la propiedad conmutativa y asociativa.
+ = + ;
( + ) + = + ( + ).
Vector opuesto.
El vector opuesto a uno dado ( ) es otro vector de igual módulo dirección pero de sentido contrario al dado (- ).
Diferencia de vectores.
La resta de dos vectores y (-) es igual a la suma de con el opuesto de [+(-)].
La suma de un vector con su opuesto nos da el vector nulo ( 0 ) . + (-) = 0 .

 

En el video abajo clica en el botón verde de play, y verás la suma de los vectores A y B, A + B si lo clicas de nuevo verás el resultado de la suma B + A. Y si clicas por una tercera vez, podrás observar que los resultados tienen mismo módulo, dirección y sentido, por tanto un mismo vector, la suma vectorial es conmutativa y por tanto: A + B = B + A.
¿Qué método es utilizado en el video para sumar las fuerzas?

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