Definición de Fuerza

1. Física. Cantidad responsable por alterar la condición de reposo de un cuerpo, así como su dirección o sentido cuando está en movimiento, aspectos que la encuadra en la categoría vectorial.

2. Demostración de la energía física de alguien, apariencia corporal de significativo porte, o la voluntad, en cuyos casos se identifica el adjetivo calificativo ‘fuerte’.

3. Poder o autoridad ejercida sobre algo o alguien.

4. Término militar para designar la totalidad de los recursos de defensa de un país o empleados en una batalla.

Etimología: Por el latín fortia, asociado a la idea de ‘coraje’, ‘valentía’, respecto de la forma adjetiva fortis. La palabra evoluciona hacia numerosos usos, en particular en lo que respecta a la capacidad física, originalmente reflejado en el latín fortitūdo, en español fortitud (que ya no se utiliza).

Cat. gramatical: Sustantivo fem.
En sílabas: fuer-za.

Fuerza

Evelyn Maitee Marín | Junio 2022
Ingeniera Industrial, MSc en Física, y EdD

El término “fuerza” se suele utilizar en forma cotidiana más allá de un contexto científico, en expresiones como “fuerza de voluntad”, para indicar disposición, determinación o ganas de realizar alguna actividad. Incluso, intuitivamente, se tiende a pensar que cuando se aplica físicamente una fuerza, habrá como resultado un desplazamiento o deformación; sin embargo, desde el punto de vista de la Física, la fuerza se define como una cantidad vectorial que surge como consecuencia de la interacción entre dos cuerpos (1), y en esta definición, no se hace referencia a que la fuerza debe generar desplazamiento en el cuerpo sobre el cual se aplica.

En el universo, todos los cuerpos se encuentran en constante interacción, y como consecuencia, existe una infinidad de fuerzas que son las responsables de todos los fenómenos físicos y químico que han existido: la combinación de elementos es una interacción, y en ella se producen fuerzas intermoleculares. También, a nivel macroscópico hay evidencias de fuerzas como resultado de interacciones, por ejemplo, para levantar un maletín, se requiere aplicar una fuerza.

Para que la Luna pueda orbitar la Tierra, ésta le debe ejercer una fuerza, y para que la Tierra y otros planetas del sistema solar puedan orbitar el Sol, deben existir fuerzas que permitan este movimiento. De lo anterior, se pueden distinguir en general dos tipos de interacciones: por contacto y a distancia.

Interacciones por contacto y ejemplos

Son aquellas que implican el contacto directo entre los cuerpos. Algunos ejemplos de fuerzas de contacto son:

Reacción normal (n): es una fuerza que se genera cuando un cuerpo se apoya o toca alguna superficie. Su nombre se debe a que esta fuerza actúa siempre perpendicular al plano tangente de contacto y va dirigida de la superficie al cuerpo. Ejemplos de esta fuerza se presenta todo el tiempo cuando una persona está de pie sobre una superficie plana horizontal, ya que el suelo ejerce una fuerza vertical hacia arriba para sostener el cuerpo y evitar que caiga por acción del peso.

Tensión (T): este tipo de fuerza es ejercido por cuerpos flexibles (se pueden doblar) como las cuerdas, cables, resortes o cadenas, entre otros. El término tensión se debe a que la única manera en la que un elemento flexible como una cuerda puede ejercer fuerza es halando, puesto que si se trata de empujar con una cuerda, ésta se doblará y no aplica fuerza alguna. La tensión se representa paralela al cable y siempre saliendo del cuerpo sobre el cual actúa.

Fuerza de fricción (Ff): es una fuerza que se origina por la rugosidad que presentan todas las superficies, lo que genera una resistencia al movimiento relativo entre ellas. Por muy lisa que a simple vista se vea una superficie, siempre, al menos a nivel microscópico, existen irregularidades que provocan una especie de agarre que se opone al deslizamiento entre dos superficies en contacto, por lo tanto, la fuerza de fricción se representa tangente a la superficie de contacto y opuesta al movimiento (o a la tendencia del mismo). Se distinguen dos tipos de fuerzas de fricción: la estática y la cinética (2).

La fuerza de fricción estática (Ffs): actúa cuando el cuerpo se encuentra en reposo pero con tendencia al movimiento. La magnitud de esta fuerza es igual a la fuerza (o componente de la fuerza) que genera la tendencia al movimiento, y alcanza su valor máximo en el instante donde ocurre el movimiento inminente, punto en el cual la fuerza de fricción es directamente proporcional a la reacción normal de la superficie. La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de fricción estático (μs).

Por otra parte, la fuerza de fricción cinética (Ffk), es ejercida cuando existe un movimiento relativo entre las superficies. Esta fuerza es aproximadamente constante y su magnitud se determina multiplicando el coeficiente de fricción cinético (μk) por la reacción normal.

Los coeficientes de fricción son cantidades adimensionales cuyo valor depende de la naturaleza de las superficies en contacto. Su valor se encuentra entre el cero y la unidad (0 < μ < 1), y experimentalmente se ha demostrado que el coeficiente de fricción estático es mayor que el cinético (μs > μk).

Interacciones a distancia

Este tipo de interacciones surgen sin necesidad de que los cuerpos que interactúen se encuentren en contacto físico entre ellos. Para justificar este fenómeno, la Física ha desarrollado toda una teoría denominada “teoría de campos”, siendo el campo una representación en el espacio y tiempo de una magnitud física asociada a alguna propiedad (masa, carga eléctrica, materiales magnéticos). En general, se pueden distinguir tres tipos de interacciones a distancia:

Fuerza gravitatoria: es una fuerza de atracción que se generan por la interacción a distancia de dos cuerpos con masa, y su magnitud obedece a la Ley de Gravitación Universal:

Donde:

F: magnitud de la fuerza de atracción entre las masas
G: constante de gravitación universal (G ≈ 6.67x10-11 N • m2/kg2)
m, M: masas de los cuerpos
r: distancia de separación entre las masas

Fuerza eléctrica: esta fuerza ocurre entre partículas o cuerpos que se encuentran cargados eléctricamente, y puede ser de atracción o de repulsión, dependiendo si los signos de las cargas son diferentes o iguales respectivamente. Para cargas puntuales, la magnitud de la fuerza eléctrica se puede determinar a partir de la Ley de Coulomb:

donde:

F: magnitud de la fuerza de atracción entre las cargas
k: constante de Coulomb (k ≈ 9x109 N · m2/C2)
q1 y q2: valores de las cargas puntuales
r : distancia de separación entre las cargas

Fuerza magnética: es el resultado de la fuerza electromagnética como consecuencia de cargas en movimiento. El valor de la fuerza magnética se puede determinar a partir de la Ley de Lorentz:

Donde:

F

: fuerza magnética
q: carga en movimiento

v

: velocidad del movimiento de la carga

B

: campo magnético

Determinación de las fuerzas

En la mecánica clásica, las Leyes de Newton ofrecen explicación de las interacciones entre los cuerpos y la determinación de las fuerzas que se generan como resultado de esas interacciones. En particular, la Segunda Ley de Newton expresa que la aceleración que experimenta un cuerpo (a) es directamente proporcional a su masa (m) e inversamente proporcional a la fuerza aplicada (F):

F = m • a

Es importante destacar que las fuerzas son cantidades vectoriales, por lo que poseen magnitud, dirección y sentidos. La magnitud viene determinada por la expresión anterior, y la dirección y sentido serán iguales a los de la aceleración. Las unidades de fuerza en el sistema internacional equivalen a kg · m/s2, es decir, Newton (N).

1 N = 1 kg • m/s2

 
 
 
 
Por: Evelyn Maitee Marín. Ingeniera industrial con maestría en Ciencias aplicadas de Física y doctorado en Ciencias de la Educación. Profesora de la Universidad del Zulia.
Art. actualizado: Junio 2022; sobre el original de diciembre, 2008.
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Referencias

1 Serway Raymond (2015). Física para ciencias e ingeniería. Volumen 1. Novena edición. Cengage Learning. p. 111

2 Hugh Young y Freedman Roger. (2013). Física universitaria. Volumen 1. Décimo tercera edición. Pearson. p. 146
 
 
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