Las 4 fuerzas fundamentales
Introduccin
La fsica es uno de los grandes pilares de las ciencias,
fundamental para el conocimiento y entendimiento de todo lo que nos
rodea, as como tambin una de las ciencias duras y ms antiguas de la
historia.
Cuando miramos a nuestro alrededor, vemos muchos tipos de
fuerzas. Aplicamos una fuerza sobre el suelo cuando caminamos;
empujamos y levantamos objetos aplicando una fuerza; para estirar
una cuerda debemos aplicar una fuerza; la expansin de gases en los
motores de combustin interna produce una fuerza que hace que un
automvil, un bote o un avin se muevan; los motores elctricos
producen una fuerza que mueve objetos. Podemos pensar en muchos
otros ejemplos en los que se generan y aplican fuerzas.
Los ejemplos anteriores de fuerzas fsicas se dan en sistemas
complicados, como en nuestros cuerpos, en un motor, en la atmsfera
terrestre y en cables que llevan corriente elctrica. Podemos decir
que son fuerzas estadsticas porque, si analizamos la situacin en
que aparecen, nos damos cuenta de que se trata de cuerpos
compuestos por un gran nmero de tomos. La cuestin es, entonces, si
podemos dividir tales fenmenos en componentes microscpicos, como
molculas, tomos, electrones y sus respectivas interacciones. Uno de
los grandes logros de las ltimas dcadas ha sido la reduccin de
todas las fuerzas observadas en la naturaleza a unas cuantas
interacciones bsicas o fundamentales entre los componentes bsicos
de la materia. Esto significa que las fuerzas estadsticas son
simplemente manifestacin de las fuerzas fundamentales cuando entran
en accin grandes nmeros de partculas.
Son entonces las fuerzas fundamentales aquellas fuerzas del
Universo que no se pueden explicar en funcin de otras ms bsicas.
Las fuerzas o interacciones fundamentales conocidas hasta ahora son
cuatro: gravitatoria, electromagntica, nuclear fuerte y nuclear
dbil.
Dos de ellas las conocemos por la experiencia cotidiana, las
otras dos implican interacciones entre partculas subatmicas que no
podemos observar directamente con nuestros sentidos.
Todas estas interacciones entre tomos se producen a distancia,
es decir, las partculas no necesitan entrar en contacto entre s
para sentir la fuerza debida a la presencia de otra partcula o
partculas. Las fuerzas fundamentales actan entre partculas
separadas en el espacio. Este concepto se denomina accin a
distancia. Newton consideraba la accin a distancia como un fallo de
su teora de la gravitacin.
Fuerza gravitatoria
De las dos clases de fuerzas cotidianas, las interacciones
gravitacionales fueron las primeras en estudiarse con detalle. El
peso de un cuerpo se debe a la accin de la atraccin gravitacional
terrestre sobre l. La atraccin gravitacional del Sol mantiene a la
Tierra en su rbita casi circular en torno al Sol. Newton reconoci
que tanto los movimientos de los planetas alrededor del Sol como la
cada libre de objetos en la Tierra se deben a fuerzas
gravitacionales. De igual modo, la fuerza gravitatoria ejercida por
la Tierra sobre la Luna mantiene a sta en una rbita casi circular
alrededor de la Tierra. Las fuerzas gravitatorias ejercidas por la
Luna y el Sol sobre la Tierra son responsables de las mareas.
La fuerza gravitatoria es la ms dbil de las cuatro interacciones
bsicas que tienen lugar entre las partculas elementales. Es
despreciablemente pequea en las interacciones de las partculas
elementales. Tambin es difcil de observar la fuerza gravitatoria
entre objetos de la vida diaria, incluso cuando sus masas sean del
orden de miles de kilogramos. Sin embargo, la gravedad es de
capital importancia cuando consideramos las interacciones entre
cuerpos muy grandes, tales como planetas, satlites y estrellas,
como ya se ha comentado. La fuerza gravitatoria juega un papel
importante en la evolucin de las estrellas y en el comportamiento
de las galaxias. En cierto sentido la gravedad es la que mantiene
unido todo el universo.
Fuerza electromagntica
La otra clase cotidiana de fuerzas, la de las interacciones
electromagnticas, incluye las fuerzas elctricas y magnticas. La
fuerza ejercida por una carga sobre otra fue estudiada por Charles
Coulomb mediante una balanza detorsin de su propia invencin. La
fuerza ejercida por una carga puntual sobre otra est dirigida a lo
largo de la lnea que las une. La fuerza vara inversamente con el
cuadrado dela distancia que separa las cargas y es proporcional al
producto de las cargas. Es repulsiva si las cargas tienen el mismo
signo y atractiva si las cargas tienen signos opuestos.
Todos los tomos contienen carga elctrica positiva y negativa, as
que tomos y molculas pueden ejercer fuerzas elctricas unos sobre
otros. Las fuerzas de contacto, incluidas la normal, la de friccin
y la de resistencia de fluidos, son la combinacin de todas las
fuerzas elctricas y magnticas ejercidas sobre los tomos de un
cuerpo por los tomos de su entorno. Las fuerzas magnticas se dan en
interacciones entre imanes o entre un imn y un trozo de hierro.
Podra parecer que stas constituyen una categora aparte, pero en
realidad son causadas por cargas elctricas en movimiento. En un
electroimn, una corriente elctrica en una bobina de alambre causa
interacciones magnticas.
Las fuerzas gravitatoria y elctrica son de largo alcance, su
influencia se extiende de un lado del universo al otro.
Estas dos interacciones difieren enormemente en intensidad. La
repulsin elctrica entre dos protones a cierta distancia es 1035
veces ms fuerte que su atraccin gravitacional. Las fuerzas
gravitacionales no desempean un papel apreciable en la estructura
atmica o molecular, pero en cuerpos de tamao astronmico las cargas
positivas y negativas suelen estar presentes en cantidades casi
iguales, y las interacciones elctricas resultantes casi se
cancelan. Por ello, las interacciones gravitacionales son la
influencia dominante en el movimiento de los planetas y la
estructura interna de las estrellas.Fuerza nuclear fuerte Antes de
ver las caractersticas de esta fuerza nos tenemos que detener un
momento para ver qu es un ncleo atmico. El ncleo atmico est
constituido por dos tipos de partculas: los neutrones, sin carga, y
los protones, de carga positiva. Adems el ncleo contiene casi la
totalidad de la masa del tomo y toda la carga positiva.
De acuerdo con estas caractersticas, pareca un misterio cmo era
posible que los ncleos atmicos fuesen estables si contenan cargas
positivas que, de acuerdo con las leyes del electromagnetismo, al
ser cargas del mismo signo se deban repeler. La respuesta a este
misterio es que en los ncleos est actuando adems de la repulsin
electrosttica entre las cargas, una fuerza mucho ms intensa, a la
que se denomin fuerza nuclear fuerte. En el caso de esta fuerza, al
contrario de lo que sucede con las fuerzas electromagntica y
gravitatoria, an no se conoce una ley que describa su
comportamiento, pero si se conocen una serie de caractersticas de
dicha fuerza: Como ya hemos dicho, se trata de una interaccin mucho
ms intensa que la interaccin electromagntica, unas cien veces ms
intensa.
Aunque su alcance se restringe a una zona muy pequea del
espacio, alrededor de 10-15 m. Si tuviera ms alcance, entonces hara
que todos los ncleos se unieran en un solo gran ncleo, lo cual no
sucede.
Otra de sus caractersticas es que, para distancias del orden de
los 10-15 m, la fuerza nuclear se comporta como una fuerza
atractiva, permitiendo de este modo que cargas del mismo signo (los
protones) se mantengan unidos. Pero cuando la distancia es menor,
la fuerza se torna de carcter repulsivo, lo cual impide el colapso
del ncleo.
Tambin se sabe que un nuclen va a interaccionar con un nmero
reducido de nucleones, pudiendo ser la interaccin (protn-protn),
(neutrn-neutrn), (protn-neutrn). Por este motivo, el trabajo
necesario para extraer un nuclen del ncleo es independiente del
nmero de ellos.
Fuerza nuclear dbil
La fuerza nuclear dbil sera la cuarta fuerza existente en la
naturaleza. Se trata de una fuerza mucho ms dbil y de ms corto
alcance que la fuerza nuclear fuerte. Su alcance es del orden de
los 10-18 m y su intensidad unas 10-9 veces menor que la fuerte
nuclear fuerte.
Esta fuerza es la responsable de ciertos tipos de radiactividad
natural, como puede ser la radiacin , en la que un neutrn del ncleo
se desintegra, dando lugar a un protn y a la emisin de una partcula
, que no es otra cosa ms que un electrn, y un antineutrino.
Teoras de unificacin
En la actualidad, los cientficos intentan demostrar que todas
estas fuerzas fundamentales, aparentemente diferentes, son
manifestaciones, en circunstancias distintas, de un modo nico de
interaccin. La expresin teora del campo unificado engloba a las
nuevas teoras en las que dos o ms de las cuatro fuerzas
fundamentales aparecen como si fueran bsicamente
Conclusin
Las fuerzas fundamentales son aquellas fuerzas del Universo que
no se pueden explicar en funcin de otras ms bsicas. Las fuerzas o
interacciones fundamentales conocidas hasta ahora son cuatro:
gravitatoria, electromagntica, nuclear fuerte y nuclear dbil.
Muchos fsicos creen que las cuatro fuerzas son en realidad
manifestaciones de una sola fuerza, como sucedi al principio con la
fuerza elctrica y magntica que se consideraban diferentes. Incluso
existe la teora de que en el origen del universo era una sola
fuerza, la cual se dividi en las cuatro fuerzas fundamentales de
las que hablamos.
