Cuanto más conocemos, más conscientes somos de nuestra ignorancia.
Con el progreso de la ciencia el modelo atómico cambió y el conocimiento de la composición de la materia también.
Lo simple se hizo complejo pero muchos misterios todavía no fueron develados.
Falta aún un largo camino por recorrer.
(21/3/07 – Agencia CyTA-Instituto Leloir-María Cristina Chaler) – Como consecuencia del descubrimiento y estudio de los fenómenos de la radioactividad natural, la ciencia descubrió partículas subatómicas que cambiaron notablemente el conocimiento del modelo del átomo y la composición de la materia.
La mecánica quántica y el estudio de las distintas partículas introdujeron el concepto de materia fermiónica y bosónica, ambas coexistentes e interactuando a través de las fuerzas de la naturaleza, que llamamos fuerzas fundamentales, por no derivar de otras.
Antes de ampliar este concepto preguntémonos:
¿Qué entendemos por fuerza?
Intuitivamente todos poseemos desde niños la noción de fuerza, ya que tomamos contacto con ella a lo largo de nuestras vidas. ¿Quién no levantó pesos?, ¿Quién no recibió alguna vez un empujón o arrojó alguna pelota? ¿A quién no se le rompió algo al caérsele de sus manos?
Toda fuerza se puede medir, es una magnitud que tiene la característica de poseer una determinada intensidad (módulo), actuar sobre algún punto de un cuerpo o partícula (punto de aplicación), encontrarse sobre una recta de acción (dirección) y aplicarse hacia alguno de los extremos de dicha recta (sentido).
Veamos un ejemplo de fuerza en la vida cotidiana:
Si levantamos un cuerpo que pesa 20 Kgf tomándolo de un sostén, para poder mantenerlo en el aire debemos realizar una fuerza que posea una intensidad de 20 Kgf aplicada en dicho sostén con una dirección vertical y sentido hacia arriba.
Veamos ahora un ejemplo de velocidad:
Cuando marchamos en un auto (punto de aplicación) lo hacemos con un determinado valor de velocidad, por ejemplo a 80 Km. /h (módulo o intensidad), en una ruta (dirección) y hacia un cierto destino (sentido).
Este tipo de magnitudes que poseen punto de aplicación, intensidad, sentido y dirección se llaman magnitudes vectoriales. Son ejemplo de ellas las fuerzas, las velocidades, las aceleraciones, el campo eléctrico, el campo magnético y muchas otras más.
Existe otro tipo de magnitudes que no son vectoriales, ya que no necesitan de dirección, sentido y punto de aplicación. Se denominan magnitudes escalares. Ejemplos de ellas son la longitud de una cinta, la superficie de un lugar, el volumen que ocupa un cuerpo en el espacio o el tiempo. Ninguna de estas magnitudes posee los elementos mencionados en las vectoriales.
La fuerza, por lo tanto, es una magnitud vectorial cuyo efecto provoca cambios sobre los cuerpos en los que actúa. Se representa, tanto en física como en matemáticas, con una flecha que indica que se trata de un vector.
¿Cómo se transmiten las fuerzas?
Para mover un cuerpo debemos aplicar una fuerza en forma directa sobre el mismo o a través de una cuerda. Si se encuentra en reposo, (sin movimiento) y la fuerza aplicada es lo suficientemente intensa, se moverá superando el roce que ejerce el piso sobre su base e ira adquiriendo cierta velocidad luego de un determinado tiempo.
Podemos decir que el cuerpo se acelera. Esa aceleración será directamente proporcional a la fuerza aplicada -es decir, a mayor fuerza, mayor será la aceleración, y a menor fuerza, menor aceleración-, e inversamente proporcional a la masa del cuerpo. Esto significa que si el cuerpo es muy masivo, la fuerza aplicada lo acelerará poco, y si su masa es pequeña se acelerará mucho.
En símbolos
F = m. a segunda Ley de Newton (principio de masa)
Se lee:
Fuerza (F) igual a masa (m) por aceleración (a)
Cuando nos arrojan una pelota, ésta llega hacia nosotros con una cierta velocidad que dependerá del impulso que le otorgó la persona que la lanzó. Cuando choca con nuestras manos percibimos la fuerza de ese impulso inicial a través del golpe de la pelota.
Analizando estos fenómenos llegamos a la conclusión de que las fuerzas se trasmiten a través de la materia, sea por contacto directo o indirecto.
Si la distancia a lo largo de la cual se transmite dicha fuerza es grande, decimos que se trata de una fuerza de largo alcance; contrariamente, si es pequeña la clasificaremos como fuerza de corto alcance.
¿Qué pasa con las fuerzas eléctricas?
Si dos cargas eléctricas de igual signo son colocadas una al lado de la otra y se mantienen en reposo, observaremos que se repelen, mientras que si hacemos lo mismo con las de las de signo contrario se atraerán. Esa repulsión o atracción que se produce a través del espacio es provocada por la fuerza eléctrica y es directamente proporcional al valor de cada una de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.
En símbolos
F = K q1.q2/ (d)2 (Ley de Coulomb)
Se lee:
Fuerza igual a constante (K) por carga1 (q1) por carga2 (q2) dividido distancia al cuadrado ((d)2).
La materia que transmite la fuerza eléctrica es la bosónica y lo hace a través de los fotones (partículas bosónicas).
Las cargas eléctricas generan campo eléctrico.
El campo eléctrico es una magnitud vectorial cuyo efecto se da en los puntos del espacio que rodean a una carga eléctrica. Se caracteriza por tener una intensidad dada por el cociente de la Fuerza eléctrica y la carga que lo provoca.
En símbolos
E = F/q
Se lee:
Campo eléctrico (E) igual a fuerza (F) dividido carga (q) que lo genera.
Reemplazando el valor de la fuerza por la Ley de Coulomb, la ecuación se transforma en
E = K .q / (d)2.
Se lee:
Campo eléctrico igual a constante (K) por la carga (q) que lo provoca en un cierto punto del espacio, dividido la distancia al cuadrado ((d)2) desde esa carga hasta el punto en donde estamos calculando el valor del campo E.
El campo tendrá una cierta intensidad, una dirección determinada, tendrá algún sentido y su punto de aplicación estará en el espacio. Su medición es indirecta, ya que primero debemos calcular la fuerza que ejerce la carga en estudio sobre otra llamada exploradora en el punto del espacio en donde deseamos medir el campo eléctrico, y luego hacer los cálculos.
¿Y el magnetismo?
Ya en el siglo IX los chinos inventaron un ingenioso instrumento conocido como brújula. Este dispositivo posee una aguja imantada que señala siempre hacia el polo norte, poniendo en evidencia la existencia del campo magnético terrestre. En la actualidad se sigue usando, pero la tecnología de avanzada nos permite ubicar posiciones en forma precisa mediante el Global Position System (GPS), que calcula en forma satelital una determinada coordenada terrestre.
Cuando llenamos nuestro refrigerador de imanes, estamos aprovechando la llamada fuerza magnética que producen las cargas eléctricas en movimiento. La acción de esta fuerza es tanto atractiva (se pega el imán a la heladera), como repulsiva (no podemos acercar dos polos del mismo signo de un imán).
Esta fuerza es directamente proporcional al producto de las masas magnéticas, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.
En símbolos
F = K m1.m2/ (d)2
Se lee:
Fuerza (F) igual a constante (K) por masa magnética1 (m1) por masa magnética2 (m2) dividido la distancia que separa a dichas masas magnéticas al cuadrado ((d)2).
Esta fuerza también será trasmitida por la materia bosónica a través de los fotones. Al igual que las cargas eléctricas, las masas magnéticas generan en el espacio campos magnéticos.
Ambas fuerzas son semejantes
El electromagnetismo es la parte de la física que estudia los fenómenos eléctricos y magnéticos unificándolos. James Clerk Maxwell formuló a través de las ecuaciones de Maxwell la teoría que unifica ambos conceptos.
El campo magnético (B), como el campo eléctrico (E), son magnitudes vectoriales que poseen dirección, sentido, intensidad y punto de aplicación en el espacio y afectan a la materia visible. Si bien los campos magnéticos resultan invisibles al ojo humano, existen múltiples experimentos para verificar su existencia.
Los fenómenos electromagnéticos se denominan de esa forma porque las cargas eléctricas influyen sobre los campos magnéticos y viceversa. Electricidad y magnetismo son fenómenos semejantes y se dan simultáneamente como fenómenos electromagnéticos.
La fuerza electromagnética es otra fuerza fundamental transmitida por la materia bosónica mediante los fotones y tiene alcance universal.
¿Qué pasa en el núcleo atómico?
Existe una fuerza que no permite que los protones (+) se rechacen, porque es una fuerza atractiva. Si no estuviera presente, la materia colapsaría y no existiría como tal. Esta fuerza que genera la coherencia material es la fuerza nuclear fuerte y está transmitida por materia bosónica a través de los gluones, que poseen carga color que genera la fuerza color. Esta fuerza es de corto alcance y actúa en pequeñas distancias, pero es la fuerza fundamental más fuerte de la naturaleza.
¿Posee el núcleo otra fuerza?
Hay en el núcleo otra fuerza que es la fuerza nuclear débil capaz de generar fenómenos radioactivos en los que las partículas nucleares se transforman unas en otras. Es la fuerza que retiene a los leptones (entre ellos los electrones) y está transmitida también a través de materia bosónica por los mesones. Su alcance es pequeño, actúa en cortas distancias.
El gran misterio
Estamos adheridos a la Tierra por la atracción que provoca la fuerza gravitatoria, la más conocida en la vida cotidiana. Se supone que al igual que las otras fuerzas fundamentales se transmite a través de materia bosónica. Hay una partícula que actúa de intermediaria a la cual se bautizó como gravitón, pero hasta el momento es sólo teórica, ya que aún no se ha descubierto.
Esta fuerza es sólo atractiva y es la más débil de todas las fuerzas fundamentales que hemos descrito, no resulta tan difícil vencerla. Pensemos que al lanzar una pelota estamos superando la atracción gravitatoria y todos lo podemos hacer muy fácilmente. Su alcance es Universal, pues todos los componentes del universo se encuentran afectados por la fuerza gravitatoria.
En símbolos
F = G M1.M2/ (d)2 Ley de gravitación Universal
Se lee:
Fuerza gravitatoria (F) igual a constante de gravitación universal (G) por masa 1(M1) por masa2 (M)2 dividido la distancia que separa a dichas masas al cuadrado ((d)2).
Esto significa que la fuerza de atracción entre dos masas aumenta al aumentar las mismas y disminuye cuando la distancia entre ellas aumenta.
La gravedad ha sido objeto de una gran discusión. Según la teoría de la relatividad general sería provocada por la curvatura del espacio-tiempo que provoca un cuerpo de gran masa, de modo que todo otro cuerpo menor que se acerque al mismo caerá hacia el cuerpo masivo a través de la deformación del espacio.
Todo el universo y sus diferentes componentes se encuentran afectados por la gravedad, por lo tanto su alcance es largo. Hasta el momento sigue siendo un misterio el gravitón, si existiera poseería tan poca energía que sería muy difícil de detectar.
Concluimos que las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza son:
• Fuerza gravitatoria. De largo alcance transmitida por el gravitón
• Fuerza electromagnética. De largo alcance transmitida por fotones.
• Fuerza nuclear fuerte. De corto alcance transmitida por gluones.
• Fuerza nuclear débil. De corto alcance transmitida por mesones.
Al estudiar la materia que nos rodea llegamos a la conclusión de que sólo es una manifestación energética. Toda la materia se encuentra afectada por estas cuatro fuerzas fundamentales que el hombre fue estudiando y todavía no puede unificar en una sola teoría.
Hay un punto en donde ciencia y filosofía se unifican. Muchas veces los interrogantes científicos se asemejan a los interrogantes filosóficos. El filósofo se pregunta hacia dónde vamos, cuál es la finalidad de la vida, qué fuerza o energía moviliza al hombre o cuáles podrían ser las consecuencias de ello
