Interacciones Fundamentales

Son aquellas acciones que ejercen dos cuerpos de forma mutua. Las interacciones pueden ser: nucleares (fuerte y débil), gravitatorias o electromagnéticas.

·         Nucleares: se describe como interacción nuclear a aquellas influencias que ocurren en el interior del núcleo atómico. Estas interacciones nucleares pueden ser tanto fuertes como débiles. Cuando hacemos referencia a una Interacción nuclear fuerte hablamos de la fuerza que mantiene unido a los protones y neutrones dentro del núcleo atómico. Ahora, si nos referimos a la Interacción nuclear débil esta es la fuerza responsable de la desintegración radioactiva de la materia.

·         Gravitatoria: Esta interacción tiene que ver directamente con la masa, debido a que la fuerza que actúa aquí es la fuerza gravitacional la cual atrae a los cuerpos a las superficies de otros cuerpos de mayor masa. Ejemplo:  Esta interacción la podemos observar diariamente como cuando una persona salta, sin la gravedad esta persona nunca bajaría, pero como la gravedad actúa sobre el cuerpo, este vuelve a la superficie

·         Electromagnética: es aquella que ocurre entre dos partículas que están eléctricamente cargadas. Esta fuerza obtiene la particularidad de ser de dos tipos: positiva o negativa, teniendo como principio que las de misma carga se repelen y las opuestas se atraen. Ejemplo: La brújula trabaja con electromagnetismo.

Fuerzas

De acuerdo con la definición clásica, es toda aquella acción  o causa que origina un efecto dinámico (que da o modifica el movimiento) o deformador (que cambia la forma de un cuerpo). Las fuerzas están clasificadas en dos categorías que agrupan de manera normal los distintos tipos de fuerza identificados en el mundo. Estas categorías y tipos son:

a. Fuerzas de contacto: son aquellas que vienen dadas por el contacto de los cuerpos que experimentan la interacción. Estas fuerzas pueden ser: de fricción, de tensión, normal, elástica, aplicada, de cohesión y de adhesión.

- Fricción: es la fuerza  de contacto que se opone al movimiento cuando un cuerpo es deslizado sobre una superficie.

- Tensión: es el resultado de estirar un cuerpo desde los dos extremos hasta que este se fragmente.

-Normal: La fuerza normal es la fuerza ejercida por una superficie sobre la que un cuerpo apoyado. esta es perpendicular al plano que la ejerce. 

-Elástica: Es la fuerza que poseen los cuerpos para volver a su forma original cuando a este se le aplica una fuerza deformadora.

-Aplicada: Es la fuerza externa que se aplica sobre un cuerpo.

-Cohesión: Es la fuerza con la que las moléculas de un mismo cuerpo permanecen unidas.

-Adhesión: Es la fuerza con la que las moléculas de cuerpos diferentes permanecen unidas.

b. Fuerzas de acción a distancia: son aquellas que suceden cuando los objetos que experimentan la interacción no se encuentran en un contacto físico observable. Estas fuerzas son: gravitacional, eléctrica y magnética.

- Fuerza gravitacional: Es la fuerza que se presenta entre dos cuerpos producto de la gravedad.

- Fuerza eléctrica: Fuerza que dependerá del valor de las cargas y de su distancia de separación.

- Fuerza magnética: Es la fuerza producto del movimiento de las partículas cargadas. 

Ley de Gravitación Universal

Es el principio físico formulado por Sir Isaac Newton que establece la manera en la que se atraen los cuerpos físicos y los objetos astronómicos. De acuerdo con las deducciones expuestas por Newton en conjunto con el enunciado de la ley, es la gravedad la que le otorga a los cuerpos la sensación de peso.

El enunciado de la ley es el siguiente: “La fuerza de atracción entre dos cuerpos que se encuentran en reposo en el vacío es proporcional al producto de sus masas, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que separa sus centros de gravedad”.

De acuerdo con lo enunciado en la ley se obtiene la siguiente fórmula: 

Donde: 
F= La fuerza con la que se atraen los dos objetos. 
G= la contante de gravitación universal.
m₁ y m₂= las masas de los dos cuerpos.
r= la distancia que separa los centros de masa de los cuerpos.  

Constante de Gravitación Universal
La constante de gravitación universal es un valor estandarizado que hace referencia a la fuerza de gravedad. de manera precisa, es definido como: "Dos cuerpos de un kilogramo de masa en el vacío, separados por una distancia de un metro, serán atraídos hacia el centro de la recta que los une por una fuerza de  6,67·10^-11 Newtons. El valor utilizado para los cálculos es el siguiente: 

Fórmula de Aceleración de la Gravedad.  
Si se desea calcular la aceleración que le confiere la gravedad de un cuerpo celeste a otro cuerpo cuya masa es despreciable, se utiliza la siguiente fórmula: 

Ley de Coulomb

Es la ley propuesta por Charles-Augustin de Coulomb que describe de manera matemática la interacción entre dos cargas eléctricas (+/-) o dos cuerpos cargados eléctricamente. De acuerdo con la ley de Coulomb las partículas con cargas diferentes deben atraerse y las partículas con cargas iguales deben repelerse. La ley enuncia lo siguiente: “la fuerza de interacción entre dos cargas puntuales cualesquiera será proporcional al producto de la magnitud de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que separa a estas dos cargas”. El coulombio es la unidad del sistema internacional para la magnitud de carga eléctrica y equivale a 6 . 10¹⁸ electrones (e^-) o a 1 Amperio por segundo (1 A/s).

De acuerdo con lo enunciado en la ley, se obtiene la siguiente formula:

 Donde: 

F=Fuerza con la que se atraen o repelen las cargas.

K=Constante de proporcionalidad.

q₁ y q₂= La magnitud de las cargas.

r= la distancia que las separa. 

Experimento de la Ley de Coulomb

Comparacion entre la Ley de Gravitación Universal y la Ley de Coulomb

Ademas del notorio parecido entre las fórmulas principales que rigen ambas leyes , podemos destacar lo siguiente: 

Ley de Gravitación Universal	Ley de Coulomb
Las fuerzas son inversamente proporcionales a la distancia entre los dos centros de masa de los cuerpos	Las fuerzas son inversamente proporcionales a la distancia que separa a las dos cargas
Las cargas y las masas desempeñan el mismo rol en ambas interacciones
Las fuerzas gravitatorias pueden ser de atracción solamente	Las fuerzas eléctricas pueden ser de atracción o repulsión
En las mismas condiciones las fuerzas eléctricas son más fuertes que las gravitatorias
Para ser percibida hace falta que alguno de los cuerpos tenga una masa muy grande	Para ser percibida solo hay que tomar en cuenta la magnitud de las cargas

Ejemplos de Ejercicios

1. Sabiendo que la masa de Júpiter es de aproximadamente 19·10²⁶ Kg y su radio es de 7·10⁷ m. Calcule:

1. La aceleración de la gravedad en la superficie.
2. El  peso en Newtons (N) de una persona de 50 Kg  que se encuentre en dicho planeta.

a. 

Datos:

Masa de Júpiter (M): 19·10²⁶ Kg

Radio de Júpiter (R): 7·10⁷ m

Distancia desde la Superficie (h): 0 m

Constante de Gravitación Universal (G): 6,67·10^-11 N·m²·Kg^-2

Fórmula: Aceleración de la gravedad presenta en la sección de Ley de Gravitación Universal. 

Sustituimos los valores y tenemos que:

Al cancelar las unidades correspondientes nos queda:

Sabiendo que la unidad Newton es el resultado de Kg·m/s², tenemos que:

Resolvemos la operación y nos da el siguiente resultado:

b.

Datos:

Peso (P): X

Masa (m): 50 kg

Aceleración de la gravedad de Júpiter (g): 25,86 m/s²  

Fórmula: P=m ∙ g

Sustituimos los valores:

P=50 kg ∙ 25,86 m/s²

 Realizamos la operación y el resultado es:

P=1293 N

2.  Calcular la aceleración de la gravedad a 4500 km sobre la superficie de la tierra sabiendo que su masa es de 5.98 x 10²⁴ kg y su radio de 6.37 x 10⁶ m.

Datos: 

Masa de la Tierra (M): 5.98 ∙ 10²⁴ kg

Radio de la Tierra (R): 6.37 ∙ 10⁶ m.

      Altura del  objeto (h): 4500 km.  

Fórmula a utilizar: Aceleración de la gravedad disponible en la sección "Ley de Gravitación Universal"

Se sustituyen los valores que nos proporciona el problema en la fórmula que vamos a utilizar: 

Se cancelan las unidades correspondientes tal cual como se realizó en el problema anterior y se resuelve la operación matemática, y se obtiene el resultado. 

3. Dos cargas eléctricas q₁ (8 ∙ 10^-6 C) y q₂ (12 ∙ 10^-6 C) están en el vacío y se repelen con una fuerza de 10 N. Calcular la distancia que  las separa. 

Datos: 

Carga 1 (q₁) :8 ∙ 10^-6 C

Carga 2 (q₂) :12 ∙ 10^-6 C
Fuerza de repulsión (F): 10 N

Constante de proporcionalidad (K): Valor de la constante de proporcionalidad disponible en la sección "Ley de Coulomb"
Distancia que separa las cargas (r): ?

Partiendo de la fórmula principal de la ley de Coulomb procedemos a despejar la variable que nos es solicitada obteniendo lo siguiente: 

Al sustituir los valores queda lo siguiente: 

Al resolver las operaciones y cancelar las unidades el resultado es: 

Actividades para resolver

1. Dos cargas eléctricas q₁ = +15. 10^-6  C y q₂ = -5. 10^-6 C, están en el vacío separadas por una distancia de 5cm. Calcular el modulo y las características de la fuerza con que se accionan.
2. Dos cargas eléctricas puntuales e iguales se encuentran en el vacío separadas por una distancia de 5 cm y se repelen con una fuerza de 5 N.  Calcule el valor de dichas cargas.
3. Dos masas m1 (30 kg) y m2 (40 kg) están separadas por una distancia de 10 cm. Calcule la magnitud de la fuerza con la que se atraen dichas masas. 
4. Dos cuerpos de 2000 kg y 4000 kg se atraen con una fuerza de 3,33 N. Calcule la distancia que los separa.