FUERZAS FUNDAMENTALES DE LA NATURALEZA

 

FUERZA GRAVITACIONAL

Esta no fue descubierta, porque ya se conocía desde el principio de la humanidad, pero el que explico este fenómeno fue Isaac Newton en el año de 1687, justo en el momento después de haber sido golpeado por una manzana en la cabeza mientras dormía en una campiña inglesa.

En sus estudios redactó que la misma fuerza que dejaba caer los objetos al suelo, era la misma la que mantenía a los planetas en sus órbitas. Cumplen el principio de superposición, si varias masas ejercen fuerzas gravitatorias sobre otra, la fuerza total será la suma vectorial de todas ellas.

Siglos después, Albert Einstein formuló su teoría de la relatividad general, que nos dice que la gravedad en realidad es el resultado de una deformación del espacio-tiempo, producida por la masa de las cosas.

Entonces decimos que la fuerza gravitacional es:

-> Es inversamente proporcional al cuadrado de su distancia de las masas que interactúan. 

-> Directamente proporcional al producto de sus masas. 

-> Es central y conservativa 

-> Es una fuerza de atracción. 

-> Predomina a lo largo de grandes distancias. 

-> Es la más débil de todas. 

-> Su partícula mediadora es el Gravitón que es hipotético.

Gravedad: es la aceleración que tienen los cuerpos al sentirse atraídos hacia el centro de un cuerpo celeste.

Campo gravitacional: espacio que rodea un cuerpo que permite la interacción de atracción de los cuerpos

EJEMPLOS

Sistema solar: En donde la Tierra gira alrededor del Sol junto con otros planetas y cuerpos celestes en órbitas elípticas, gracias a la atracción gravitacional que ejerce el Sol sobre ellos.

Caída de meteoritos: Son atraídos por su enorme fuerza de gravedad y muchos meteoritos ingresan a la atmósfera de Júpiter, Saturno y otros planetas muy masivos, arrancados de su órbita natural alrededor del Sol.

Balanza: Las indicaciones de la balanza, es decir el peso de un cuerpo, no es más que su masa por la aceleración de la gravedad.

Caída libre de un cuerpo en la superficie: Como en la Tierra somos atraídos esta actúa sobre nuestra masa dando una aceleración y se puede decir que lo que cae en un minuto tiene mayor impacto y fuerza de la que cae en segundos. ejemplo el momento que se deja caer un balón de una de una casa de tres pisos cae al suelo.

FUERZA ELECTROMAGNÉTICA

Es la unificación entre la electricidad y el magnetismo.

-> Electricidad: energía que se manifiesta con el movimiento de los electrones a través de un material conductor como: cobre, hierro, oro, aluminio y plata.  

-> Magnetismo: los objetos ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales 

La primera interacción de que eran dos fenómenos conectados, la observó el físico danés Hans Christian Orsted en 1820, durante una demostración en clase al conectar la corriente eléctrica en un circuito, observando que la aguja imantada de una brújula cerca del circuito se desviaba, llegando a la conclusión que la electricidad crea magnetismo.

Más tarde en 1831 Michael Faraday decide probar si el magnetismo crea corrientes eléctricas, durante varias investigaciones llega a la conclusión que no es la presencia del imán el conductor lo que consigue generar una corriente si no su movimiento, es decir que el movimiento del imán a través de un circuito cerrado de alambre conductor es lo que crea la electricidad, llamada corriente inducida. Faraday al no entender por qué estas dos fuerzas se desplazaban en el aire sin ningún tipo de sustento, después de varios experimentos logró llamar las líneas de fuerza invisibles de campos, y esto es cuando en una región del espacio ocurre una perturbación producida por un cuerpo que interaccionan con otros cuerpos, se concluye así que la fuerza eléctrica y magnética se transmiten por medio de campos. Años después el científico Maxwell apoyado en la simetría de la electricidad y magnetismo junto con el concepto de campo, lo expresa matemáticamente y lo llamada Ley de Faraday una de las cuatro ecuaciones fundamentales del electromagnetismo.

Entonces decimos que la fuerza electromagnética es:

-> Es inversamente proporcional al cuadrado de su distancia de las cargas 

-> Directamente proporcional al producto de sus cargas 

-> Es central. 

-> Es una fuerza de atracción y repulsión 

-> Predomina a lo largo de grandes distancias

-> Hace que las partículas con carga eléctrica se atraigan o se repelen, dependiendo de si su carga es positiva o negativa. 

-> Es la base del funcionamiento de cualquier aparato electrónico que utilizamos a diario. 

-> Esta fuerza se tramite por medio de unas partículas llamadas fotones, que son básicamente la luz.

EJEMPLOS

Timbre: Funciona a través de un electroimán que recibe una carga eléctrica, lo que genera un campo magnético que atrae a un pequeño martillo que impacta contra la superficie metálica y emite un sonido.

Postes de luz: para conducir la energía a nuestros hogares, la fuerza electromagnética influye en esto ya que sirven para controlar, aumentar o disminuir los diferentes voltajes de la corriente eléctrica por segundo. 

Tormentas eléctricas: ya que las masas llamadas nubes las cuales están cargadas con electrones al momento de colisionar o chocar con otras necesitan descargar aquella energía juntada soltando un flujo de electrones que impactan a la tierra con una carga positiva.

En el planeta Tierra: ya que este funciona como un imán gigante debido al campo magnético que se genera en su núcleo formado por metales como el hierro, el níquel. El movimiento de rotación de la Tierra genera una corriente de partículas cargadas y esta produce un campo magnético que se extiende varios kilómetros por encima de la superficie del planeta.

FUERZA NUCLEAR DÉBIL

Actúa a nivel subatómico y es la responsable de la desintegración radiactiva de las partículas siendo una fuerza de muy corto alcance. Esta fuerza influye sobre los leptones, una familia de partículas a la que pertenecen los electrones y también actúa sobre los quarks, que son partículas de las que están hechos los protones y los neutrones que componen el núcleo de los átomos. 

El físico EnricoFermi fue el primero quien se atrevió a describir esta fuerza y predijo la existencia de una partícula denominada neutrino (tipo fermiónico, sin carga y con espín ½.). 

Además, en 1933 propuso la teoría de la desintegración beta de las partículas, un proceso por el cual los neutrones del núcleo de un átomo se convierten en protones, en la cual se expulsa un electrón. Para entender mejor imaginemos que un neutrón está viajando tranquilamente en el espacio y de repente un neutrino salvaje aparece, al entrar en contacto con el neutrino que posee un bosón w con carga positiva transfiere esta partícula cambia un quark del neutrón. 

Aclaremos que un neutrón tiene 2 quarks down y 1 up mientras que un protón tiene 2 quarks up y 1 down, entonces al interactuar este quark forma un quark up transformando en neutrón en un protón y el neutrino que perdió su carga positiva se transforma en un electrón. En la fuerza nuclear débil el espín de las partículas se conserva, así que cambia la entidad de las partículas cuando están cerca. Sin la pureza la fuerza el Sol no brillaría y tampoco tendríamos elementos como el radio o plutonio porque todas estas cosas requieren que una partícula se transforme en otra conocida como el decaimiento de partículas.  

Entonces decimos que la fuerza nuclear débil es:

-> Es central

-> Es de corto alcance

-> Hace que las partículas cambien su identidad

-> Actúa en el núcleo del átomo.

-> Su partícula elemental son los bosones W y Z

EJEMPLOS

Se presenta en el núcleo de las estrellas produciendo una fusión de núcleos atómicos que permite el desarrollo la materia de la cual estamos conformados. Esta función que se genera en las estrellas es de hidrógeno y helio, produciendo un átomo mucho más grande hasta llegar al hierro. Cuando la estrella llega a su muerte se libera una gran cantidad de energía que hace que se produzcan átomos.

Como esta fuerza es la responsable de la radiación esta se emplea en campos de la medicina, específicamente en las radiografías, permitiéndonos obtener imágenes de la parte interna del cuerpo humano.

FUERZA NUCLEAR FUERTE

Finalmente tenemos a la fuerza más poderosa de todas: la fuerza nuclear fuerte. Sus primeros estudios fueron por el físico japonés Hideki Yukawa en 1935 proponiendo una teoría que explica la naturaleza de la fuerza haciendo uso de una partícula llamada mesón (se componen de un par quark-antiquark). 

La pregunta aquí es: por qué el núcleo atómico está formado protones y neutrones, si el neutrón no posee carga y los protones cuentan con carga positiva, por qué razón los protones no se repelen entre si hasta descomponer el núcleo, pues bien, la interacción fuerte está mediada por el intercambio de partículas sin masa llamadas gluones que actúan entre quarks y antiquarks. Se cree que los gluones interactúan con los quarks y otros gluones mediante un tipo de carga llamada carga de color y este es intercambio de gluones, y es tan fuerte que la energía de producción del par quark-antiquark, se alcanza antes de que los quarks se puedan separar. Por ende, esta fuerza es la que mantiene al núcleo de un átomo unido evitando que sean expulsados debidos a la repulsión que causa la fuerza electromagnética. Como los protones están compuestos por quarks los cuales están sostenidos por gluones, la fuerza nuclear fuerte permite unir a los protones.

Entonces decimos que la fuerza nuclear fuerte es:

-> Es independiente de las cargas eléctrica

-> Es central

-> Es la más poderosa de todas

-> Es de corto alcance

-> Mantiene el núcleo de un átomo unido.

-> Su partícula elemental es el gluon

EJEMPLO

De forma artificial, la energía asociada a la fuerza nuclear se libera parcialmente en la energía nuclear y en las armas nucleares, tanto en las armas de fisión basadas en uranio o plutonio como en las de fusión, como la bomba de hidrógeno.