Significado de fuerza Definición, clasificación, y ejemplos
Licenciada en Física
Definición formal
La fuerza es, para la física, un agente capaz de modificar la aceleración de un cuerpo o también causarle deformación. Ambos efectos son posibles, por separado o simultáneamente y dependen no solo de la intensidad de la fuerza, sino de la manera en que es aplicada, ya que la fuerza es una magnitud vectorial.
Cuando se empuja un objeto, o se tira de él, se encuentra sujeto a una fuerza, y de esta manera su movimiento cambia: puede empezar a moverse en una u otra dirección, o ir más rápido. Si la fuerza es lo bastante intensa puede doblarlo o cambiar su forma de alguna manera. En resumen: una fuerza siempre es aplicada por algún agente sobre el objeto, que es el receptor de la misma y que le produce algún efecto como los descritos.
A nivel social, puede apreciarse como la capacidad de sobrellevar un episodio adverso, así como expresión de resistencia moral, y de voluntad. Cuando se analiza la etimología, se observa la raíz en el latín fortia, asociándose en su forma de adjetivo como fortis.
Todos los objetos en el planeta experimentan algún tipo de fuerza, comenzando por el peso, la más familiar de todas. El agente responsable es la Tierra y el objeto puede ser cualquier cosa sobre su superficie o cercana a ella, no tiene que estar sobre el suelo necesariamente.
En cuanto al efecto que produce el peso, uno de los más comunes es hacer que las cosas caigan, pero además, los cuerpos interactúan con diferentes agentes que les causan los más variados efectos.
Clasificación, factores intervinientes y ejemplos
Hay varios criterios de distinción, típicamente referidos a la manera en las fuerzas actúan, la clase de trabajo que llevan a cabo o el tiempo durante el cual se activan. Es importante destacar que algunas fuerzas pueden pertenecer a más de una categoría, como se advierte en el siguiente cuadro, que contiene las más conocidas.
Fuerzas de acción a distancia o fuerzas de campo
Actúan sin necesidad de que los objetos entren en contacto. La interacción se produce a través del campo de la fuerza, capaz de actuar incluso en el vacío, de allí el nombre de fuerza de campo. La más conocida sin duda es la gravedad, pero también la fuerza electrostática y la fuerza magnética pertenecen a esta categoría.
Fuerzas de contacto
Para que actúen es preciso que haya contacto entre superficies. Los rozamientos son fuerzas de este tipo, así como la normal, ejercida por las superficies que apoyan cosas, como mesas y sillas.
La fuerza aplicada a través de las manos para empujar un objeto como un baúl o un carrito de compras es otra fuerza de contacto, y también lo es la tensión en la cuerda de la que pende un cuerpo.
Fuerzas internas
Un sistema es un conjunto formado por dos o más cuerpos y las fuerzas internas se ejercen por objetos que pertenecen al sistema y actúan sobre otros cuerpos que también están dentro de él. Un ejemplo de sistema puede ser el que está constituido por dos patinadores en una pista de hielo o dos astronautas en el espacio, sin gravedad. Si se empujan uno al otro con sus manos, estas fuerzas, de acción y reacción, son consideradas fuerzas internas.
Fuerzas externas
A diferencia de las fuerzas internas, las fuerzas externas son ejercidas sobre objetos de un sistema por un agente que no pertenece al mismo. Son las que hay que dibujar en los diagramas de cuerpo aislado, los esquemas en los que se representa al cuerpo y mediante flechas, todas las fuerzas que actúan sobre él. Las fuerzas internas nunca forman parte del diagrama de cuerpo libre.
Para distinguir claramente cuando una fuerza es externa o interna, es preciso tener muy claro en qué consiste el sistema y cuáles son sus integrantes.
Por ejemplo, si se tiene el sistema formado por una pelota y la Tierra, la atracción gravitatoria que ejerce el Sol sobre cualquiera de ellas es una fuerza externa al sistema, pero la atracción gravitatoria entre la pelota y la Tierra sería una fuerza interna, un par acción-reacción.
En cambio, si el sistema consta únicamente de la pelota, la atracción gravitatoria terrestre, la solar y cualquier otra, es una fuerza externa.
Tanto las fuerzas de contacto, como las de acción a distancia pueden ser consideradas como fuerzas externas, dependiendo del sistema bajo estudio.
Fuerzas concurrentes
Son las fuerzas que, actuando sobre un mismo cuerpo al que se considera como un objeto extendido, lo hacen siempre sobre el mismo punto.
Fuerzas no concurrentes
Estas fuerzas ejercen su acción sobre puntos distintos de un cuerpo extendido, por ejemplo un tablón largo a modo de sube y baja con un apoyo y dos niños sentados a cada extremo.
La fuerza que ejerce el apoyo, más el peso del tablón y el de los niños, son un conjunto de fuerzas no concurrentes aplicadas sobre el sube y baja, ya que cada una actúa sobre un lugar diferente (aunque si el apoyo está justo en el centro y el tablón es homogéneo, la fuerza de apoyo y el peso podrían actuar sobre el mismo punto)
Fuerzas de volumen
Se trata de fuerzas que actúan sobre cada una de las partículas que componen un cuerpo extendido. El peso es un buen ejemplo, pero para simplificar los cálculos, cuando se dibuja el diagrama de cuerpo aislado, se considera que el peso se aplica al punto llamado centro de gravedad del cuerpo.
Fuerzas de superficie
Su acción se lleva a cabo sobre la periferia o los bordes del objeto y se deben al contacto entre este y otras superficies. A su vez, las fuerzas de superficie pueden ser:
– Puntuales, si actúan sobre un punto determinado del cuerpo, como por ejemplo una pesa que cuelga de una polea mediante una cuerda, actúa sobre la polea en un punto de su borde.
– Distribuidas, se aplican sobre un área determinada de una estructura, por ejemplo la que ejerce el agua de una piscina sobre las paredes laterales de la misma. Esta fuerza está distribuida, ya que es menor cerca de la superficie del agua y aumenta paulatinamente a medida que lo hace la profundidad.
Fuerzas conservativas
Constituyen un tipo de fuerza muy importante en Física, y se definen como aquellas fuerzas en las cuales el trabajo que realizan no depende de la trayectoria que siga el móvil, sino únicamente del punto inicial y el punto final del recorrido.
El peso es una fuerza conservativa. Si por ejemplo se quiere subir un pesado baúl a un camión de mudanza, el trabajo hecho por los cargadores contra la gravedad es el mismo tanto si lo elevan verticalmente para meterlo en el compartimiento de carga, que si lo suben empleando una rampa (pero es más cómodo subirlo con ayuda de la rampa, porque la superficie de esta ayuda un poco al operario ocupándose de una parte del peso).
Algo muy bueno acerca de las fuerzas conservativas es que cuando ellas actúan, la energía mecánica se conserva. Y para algunas situaciones complejas, aplicar este principio facilita los cálculos, ya que la energía es una cantidad escalar que se mantiene sin cambios. En cambio la fuerza es un vector y requiere operaciones más cuidadosas para especificar su magnitud, la dirección y el sentido.
Fuerzas no conservativas o disipativas
El trabajo hecho por las fuerzas disipativas depende de la trayectoria seguida por el objeto sobre el que actúan. El rozamiento cinético es una de las fuerzas no conservativas más familiares. Se les llama disipativas, porque “disipan” parte de la energía del objeto en calor, por ejemplo, y entonces el objeto ya no tiene ocasión de utilizarla en su movimiento, por lo que termina frenando.
Otras manifestaciones
Existen otros criterios de clasificación, por ejemplo hay fuerzas:
– Constantes y variables, el valor de las primeras, como su nombre lo indica, permanece constante, por ejemplo el peso, cuya magnitud es mg y siempre está dirigido hacia el centro de la Tierra. Mientras que las fuerzas variables son funciones del tiempo, la posición o ambas. La fuerza que ejerce un resorte sobre una masa es un ejemplo de fuerza variable que depende de la posición: cuanto más comprimido o estirado se encuentre el resorte, mayor es la magnitud de la fuerza que ejerce.
– Permanentes e intermitentes, son las fuerzas que las estructuras soportan siempre, por ejemplo el peso, en cambio las fuerzas intermitentes aparecen en ciertos momentos, actúan durante un lapso de tiempo y después se desvanecen o disminuyen mucho, como el viento o la nieve.
– Estáticas y dinámicas, las fuerzas estáticas cambian poco en el tiempo, mientras que las fuerzas dinámicas son susceptibles de experimentar cambios bruscos, tanto en su punto de aplicación, en intensidad, dirección o sentido.
Trabajo publicado en: Nov., 2020.