• MateyCiencia

Primera aproximación al concepto de fuerza


Al comenzar el estudio del concepto de fuerza tenemos que hacer hincapié en el hecho que las fuerzas son siempre interacciones en las que dos cuerpos se ejercen fuerzas mutuamente. Eso nos permite entender por qué en la prueba de salto alto, para sobrepasar la varilla, el atleta debe hacer uso de la tercera ley de Newton.




El concepto de fuerza es muy antiguo. Ya los griegos lo emplearon en sus estudios acerca del movimiento de los cuerpos. Sin embargo, el concepto de fuerza que tenían los griegos dista bastante de nuestra noción actual y, para ser sinceros, deja mucho que desear. Sólo en el siglo XVII los físicos lograron dar forma a una concepción adecuada acerca de las fuerzas y sus propiedades.

Tal vez resulte extraño que los físicos hayan tenido tantas dificultades para comprender un concepto tan cotidiano como el de fuerza, con el que uno está familiarizado desde que era pequeño. Pero ¡cuidado! ¿Podemos estar seguro de que lo que en la vida diaria se suele entender por fuerza corresponde realmente al concepto que se emplea en Física?


Sabemos que los niños y niñas se forman un concepto de fuerza desde muy temprana edad. En su interacción con el medio han debido aplicar fuerzas en innumerables ocasiones: para sostener un objeto pesado, para empujar un carro, para tirar de una cuerda, para abrir una botella de bebida, etc. Como resultado de estas acciones, se ha ido formando un concepto de fuerza amplio y sólido.


Desgraciadamente, este concepto nacido espontáneamente adjudica a las fuerzas propiedades que no corresponden a la realidad y que, en algunos casos, entran en directa contradicción con las nociones físicas actualmente aceptadas. Por eso, conviene ir paso a paso.


Para poder hablar de fuerzas se requiere de la presencia de dos cuerpos

Examinemos algunos ejemplos de fuerzas: un elefante empuja un árbol hasta derribarlo, un imán repele a otro imán, el cable sostiene al ascensor impidiendo que caiga, el Sol atrae a la Tierra, la raqueta impulsa a la pelota en un partido de tenis, el aire ejerce una resistencia al movimiento de un automóvil.


En todos estos casos hay un objeto que ejerce una fuerza sobre otro objeto: un objeto empuja a otro, tira de él, lo atrae, lo repele, lo impulsa, lo frena.


La fuerza es, pues, un tipo de acción que un cuerpo ejerce sobre otro. Para poder hablar de fuerza tiene que haber dos cuerpos en juego: uno que ejerce la fuerza y otro que recibe la acción de la fuerza. Es decir, tiene que haber un cuerpo que empuja y otro que es empujado, uno que atrae y otro que es atraído, etc.


Empleando un lenguaje propio de las novelas policiales, podemos decir que tiene que haber un “hechor” —el cuerpo que ejerce la fuerza— y una “víctima” —el cuerpo sobre el cual actúa la fuerza.


De acuerdo con esto, en la expresión “ese muchacho tiene mucha fuerza” la palabra “fuerza” no está siendo utilizada con el mismo significado que se le da en Física. Desde el punto de vista de la Física, esa expresión significa que el muchacho en cuestión es capaz de ejercer fuerzas de gran magnitud sobre otra persona u objeto.


Una consecuencia de lo anterior es que, si observamos que sobre un cuerpo se está ejerciendo una fuerza, podemos predecir que en alguna parte hay otro cuerpo, u otros cuerpos, que están ejerciendo esa fuerza. (Más adelante en el estudio de la Física se estudian las llamadas “fuerzas inerciales” que parecen no cumplir con esta norma. Pero eso es harina de otro costal y no nos referiremos a ellas por el momento).


Otra conclusión importante que se desprende de lo anterior es que un cuerpo no puede ejercer fuerza sobre sí mismo. Si usted desea mantenerse suspendido a cierta altura sobre el suelo, necesitará que alguna persona u objeto ejerza una fuerza sobre usted hacia arriba. Tirarse de los cabellos no es ninguna solución.


Cómo representar gráficamente una fuerza

Otra característica que conviene destacar es que toda fuerza se ejerce siempre en una determinada dirección: puede ser hacia arriba, hacia abajo, hacia adelante, hacia atrás, vertical, horizontal, etc.

Por ese motivo, podemos representar una fuerza mediante una flecha.


La orientación de la flecha indica la dirección en que se está ejerciendo la fuerza. A su vez, la longitud de la flecha indica su magnitud: si dos fuerzas son de igual magnitud, dibujamos dos flechas de igual longitud, en cambio si son distintas, la flecha más corta representará la fuerza más débil.


¡Pero ojo! Las flechas se dibujan a partir del cuerpo que recibe la acción de la fuerza y no a partir del cuerpo que ejerce la fuerza. ¿Por qué? Pues porque queremos fijar la atención en el efecto de la fuerza. Y, por supuesto, el efecto se produce sobre el cuerpo sobre el cual se está ejerciendo la fuerza.


Supongamos que Pablo está empujando a su auto que se quedó sin batería. De acuerdo con esta convención, si queremos representar la fuerza que ejerce Pablo sobre el auto debemos dibujar una flecha que parte desde el auto y está orientada hacia adelante.


Es cierto que con esta convención el cuerpo que ejerce la fuerza queda fuera de la representación. Pero ¿qué le vamos a hacer? No todo puede ser perfecto.


Una ley importante

Hemos hecho hincapié en que la fuerza es un tipo de acción que un cuerpo ejerce sobre otro. Eso es cierto, pero es solo la mitad de la historia. Porque, para ser más precisos, habría que decir que las fuerzas son interacciones que dos cuerpos se ejercen mutuamente.


Dicho en otras palabras, si vemos que un cuerpo A está ejerciendo una fuerza sobre un cuerpo B, entonces podemos asegurar sin riesgo a equivocarnos que, a su vez, el cuerpo B está ejerciendo una fuerza sobre el cuerpo A. Ambas fuerzas actúan simultáneamente.

Además, ambas fuerzas tienen igual magnitud, pero direcciones opuestas.


Esta propiedad del concepto de fuerza constituye la tercera de las tres leyes del movimiento enunciadas por Newton, hace más de tres siglos, por allá por el año 1687.

En el enunciado de esta ley, al referirse a las fuerzas Newton las denominó “acción” y “reacción”, denominación que se ha mantenido hasta nuestros días.


Consideramos poco conveniente hablar de acción y reacción, pues ello puede sugerir que se trata de un par causa-efecto, lo que no corresponde realmente al sentido de la ley. Preferimos un enunciado como el que se da en el recuadro.


Esta ley resulta, a veces, un tanto sorprendente. Parece contradecir nuestra experiencia diaria. Sin embargo, desde los primeros meses de vida hemos aprendido a utilizarla en nuestra vida diaria, aunque no tengamos conciencia de ello. Sin ir más lejos, es justamente la tercera ley de Newton la que nos permite caminar, correr o saltar. Analicemos algunos ejemplos.

En una prueba de salto alto, el atleta se acerca a grandes zancadas a la vara. Ahora debe saltar y para hacerlo necesita que algo o alguien aplique sobre él una fuerza hacia arriba. ¿Qué hace? Aplica una fuerza sobre el suelo hacia abajo. De acuerdo con la tercera ley de Newton, el suelo aplica sobre él una fuerza hacia arriba y esa fuerza impulsa al atleta hacia arriba.


Consideremos otro ejemplo. Un automóvil se encuentra detenido en una esquina porque el semáforo muestra una luz roja. La luz roja cambia a verde, el conductor aprieta el acelerador y el vehículo se pone en movimiento.


¿Qué cuerpo aplicó sobre el automóvil la fuerza que lo puso en movimiento? ¿El conductor? No. ¿El motor del automóvil? Tampoco. Quien se encargó de la tarea fue nuevamente el suelo. El papel del motor fue actuar sobre las ruedas para que estas ejerzan una fuerza sobre el suelo hacia atrás. Y el suelo, obedeciendo la tercera ley de Newton, ejerce sobra las ruedas una fuerza hacia adelante que pone en movimiento al vehículo. Si sobre el suelo hay una capa de aceite, el roce disminuye prácticamente a cero, no puede haber interacción entre las ruedas y el suelo y ni el motor más poderoso será capaz de poner en movimiento al automóvil.

Veamos otro caso. Dos equipos de estudiantes, los Leones y los Gatos, compiten tirando de una cuerda en direcciones opuestas, tratando de mover al equipo adversario. La competencia termina con el aplastante triunfo de los Gatos. ¿Significa esto que los Gatos ejercieron sobre los Tigres una fuerza mayor que la que los Tigres ejercieron sobre los Gatos? Por supuesto que no, pues eso querría decir que se la violado la tercera ley de Newton. La causa del triunfo de los Gatos hay que buscarla en otro lado.


Cada equipo, para no ser movido por el adversario, ejerce una fuerza sobre el suelo hacia adelante. El suelo, que sabe lo que tiene que hacer, ejerce a su vez una fuerza sobre el equipo hacia atrás. Los Gatos ganan porque ellos ejercieron sobre el suelo una fuerza mayor que la fuerza que los Tigres ejercieron sobre el suelo. Moraleja: si estás en una competencia de este tipo, no pongas tu atención sobre la cuerda, sino que concéntrate en ejercer la mayor fuerza posible sobre el suelo. Un niño puede ganarle a un equipo formado por levantadores de pesas si este equipo está sobre un suelo cubierto de hielo.


Consideremos un último ejemplo.

Un camión de 20 toneladas choca de frente con un pequeño automóvil. El automóvil vuela lejos y queda totalmente destruido mientras que los daños en el camión son mucho menores y el choque casi no altera su velocidad. ¿Por qué sucede esto si la fuerza que el camión ejerce sobre el automóvil es igual a la fuerza que el automóvil ejerce sobre el camión? La respuesta es simple. Normalmente los camiones están construidos con materiales mucho más resistentes que los automóviles particulares. No es raro, entonces, que una misma fuerza produzca daños mucho mayores en el automóvil que en el camión. Por otra parte, el automóvil es mucho más liviano que el camión, de modo que una misma fuerza produce cambios de velocidad mucho mayores en el automóvil. Eso quiere decir que el peligro que corren las personas que viajan en el automóvil es mucho mayor que el peligro que corren quienes viajan en el camión.


En esta entrega hemos querido aclarar algunas propiedades esenciales del concepto de fuerza. Provistos de estos conocimientos podremos analizar los efectos que una fuerza produce sobre el movimiento de un cuerpo. Te invitamos a conocer nuestra próxima entrega dedicada a este tema.

Logo Mate y ciencia.png