Interacciones básicas de la naturaleza
Un libro se desliza sobre la mesa y se detiene. Una pelota de béisbol sube y vuelve a caer. Un globo frotado atrae trocitos de papel. Parecen fenómenos sin relación, pero todos salen de muy pocas «reglas» de la naturaleza. ¿Cuántas son? ¿Cuál interviene en cada caso? Eso es lo que vamos a descubrir.
Qué es una interacción
Cuando dos cuerpos se empujan, se jalan o se atraen, decimos que interactúan. La fuerza es la manera de medir esa interacción. Es una pareja: si A actúa sobre B, B actúa sobre A (tercera ley de Newton).
Aunque en la vida diaria hay fuerzas de muchos nombres (peso, roce, tensión, empuje, normal), la física ha encontrado que todas se reducen a cuatro interacciones fundamentales.
| Interacción | Actúa entre | Alcance | Efecto |
|---|---|---|---|
| Gravitacional | Todo lo que tiene masa | Muy grande | Solo atrae |
| Electromagnética | Cargas eléctricas | Muy grande | Atrae o repele |
| Nuclear fuerte | Protones y neutrones | Diminuto (dentro del núcleo) | Los mantiene unidos |
| Nuclear débil | Partículas del núcleo | Diminuto | Provoca ciertas transformaciones radiactivas |
Nombra las cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza y escribe, para cada una, un ejemplo cotidiano o un fenómeno donde se manifieste.
Nombra las cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza y escribe, para cada una, un ejemplo cotidiano o un fenómeno donde se manifieste.
Interacción gravitacional
Es la atracción entre cualquier par de cuerpos con masa. Mantiene la Luna girando alrededor de la Tierra y a la Tierra alrededor del Sol, y es la que hace que una arepa caiga al piso si se te resbala.
Cerca de la superficie terrestre, su efecto es el peso:
$$P = m \cdot g, \qquad g \approx 9{,}8\ \text{m/s}^2$$Es muy débil. Solo se nota cuando al menos uno de los cuerpos es enorme, como un planeta. Dos estudiantes sentados en el mismo salón también se atraen gravitacionalmente, pero la fuerza es tan pequeña que no la percibimos.
Explica qué interacción mantiene a la Luna girando alrededor de la Tierra y qué interacción mantiene unidos los protones y neutrones en el núcleo atómico.
Explica qué interacción mantiene a la Luna girando alrededor de la Tierra y qué interacción mantiene unidos los protones y neutrones en el núcleo atómico.
Una persona de 60 kg y la Tierra se atraen gravitacionalmente. Calcula el peso de la persona con $g \approx 9{,}8\ \text{m/s}^2$. Explica por qué, aunque la Tierra…
Una persona de 60 kg y la Tierra se atraen gravitacionalmente. Calcula el peso de la persona con $g \approx 9{,}8\ \text{m/s}^2$. Explica por qué, aunque la Tierra también es atraída por la persona con una fuerza de igual magnitud, es la persona quien parece caer.
Interacción electromagnética
Actúa entre partículas con carga eléctrica. Hay dos clases de carga, positiva y negativa: cargas iguales se repelen y cargas distintas se atraen. A diferencia de la gravitacional, puede atraer o repeler.
Si frotas un globo contra tu cabello, pasan electrones de un cuerpo a otro y el globo queda cargado. Al acercarlo a trocitos de papel (neutros), sus cargas se reacomodan ligeramente y el globo los atrae.
Casi todas las fuerzas «de contacto» son electromagnéticas: la normal, el roce, la tensión de una cuerda y el empuje de tus manos. Cuando empujas una pared, los átomos de tu mano y los de la pared se repelen eléctricamente; nunca se tocan realmente.
Carlos frota un globo contra su cabello y luego el globo atrae pequeños trozos de papel. Indica qué interacción explica este fenómeno y por qué el globo se comporta así.
Carlos frota un globo contra su cabello y luego el globo atrae pequeños trozos de papel. Indica qué interacción explica este fenómeno y por qué el globo se comporta así.
Compara la interacción gravitacional y la electromagnética: indica cuál de las dos puede ser atractiva y repulsiva, cuál actúa solo con atracción, y por qué la fuerza…
Compara la interacción gravitacional y la electromagnética: indica cuál de las dos puede ser atractiva y repulsiva, cuál actúa solo con atracción, y por qué la fuerza gravitacional se nota entre planetas pero no entre dos estudiantes sentados en el mismo salón.
Un libro se desliza sobre una mesa y se detiene. Explica qué fuerza lo frena, de qué interacción fundamental proviene en última instancia y por qué esa fuerza depende de…
Un libro se desliza sobre una mesa y se detiene. Explica qué fuerza lo frena, de qué interacción fundamental proviene en última instancia y por qué esa fuerza depende de la naturaleza de las superficies en contacto.
Interacciones nucleares
Dentro del núcleo atómico hay protones (positivos) muy juntos. La repulsión eléctrica entre ellos es enorme y haría estallar el núcleo. Si no ocurre, es porque existe la interacción nuclear fuerte: una atracción muchísimo más intensa que la eléctrica, pero de alcance diminuto (del tamaño del núcleo). Une protones y neutrones entre sí.
Por eso no la percibimos en la vida diaria: a distancias mayores que el núcleo desaparece por completo.
La interacción nuclear débil es mucho menos intensa y también de alcance diminuto. Es responsable de ciertas transformaciones radiactivas, como cuando un neutrón se convierte en protón.
Dos protones se encuentran muy cerca dentro de un núcleo. Analiza qué interacciones actúan entre ellos, cuál tiende a separarlos y cuál a mantenerlos unidos, y argumenta…
Dos protones se encuentran muy cerca dentro de un núcleo. Analiza qué interacciones actúan entre ellos, cuál tiende a separarlos y cuál a mantenerlos unidos, y argumenta por qué el núcleo no se desintegra. Explica además por qué la interacción nuclear fuerte no se percibe en la vida diaria.
Todas las fuerzas, en una sola caja
Veamos cómo un problema cotidiano mezcla interacciones.
Valentina empuja una caja de 15 kg sobre el piso con una fuerza horizontal de 50 N, y la caja se mueve con aceleración constante. El coeficiente de roce cinético es…
Valentina empuja una caja de 15 kg sobre el piso con una fuerza horizontal de 50 N, y la caja se mueve con aceleración constante. El coeficiente de roce cinético es $0{,}25$. Calcula la aceleración de la caja y analiza qué interacciones están implicadas en el peso, en la fuerza normal, en el roce y en el empuje de las manos. Concluye cuáles de estas fuerzas son de origen gravitacional y cuáles de origen electromagnético.
Vuelve al principio: el libro que se frena y el globo que atrae papelitos son fenómenos electromagnéticos; la pelota que cae es gravitacional. Detrás de lo cotidiano hay solo cuatro interacciones.
Resumen
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Toda fuerza viene de una de cuatro interacciones: gravitacional, electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil.
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La gravitacional solo atrae, actúa entre masas y es muy débil; el peso es $P = m \cdot g$ con $g \approx 9{,}8\ \text{m/s}^2$.
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La electromagnética atrae o repele cargas; explica la normal, el roce, la tensión y el empuje de las manos.
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La nuclear fuerte mantiene unido el núcleo, vence a la repulsión entre protones y solo actúa a distancias del tamaño del núcleo.
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La nuclear débil causa ciertas transformaciones radiactivas.
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Acción y reacción tienen igual magnitud, pero la aceleración depende de la masa de cada cuerpo.