🍃 Fuerzas fundamentales de la naturaleza 🍃

¿Qué son las fuerzas fundamentales? 

El concepto de fuerza se trata de un fenómeno el cual, puede deformar un cuerpo o moverlo. Sin embargo la idea de fuerza es bastante imprecisa debido a que no se pueden explicar a comparación de otros fenómenos más básicos. Las fuerzas conocidas por el momento son cuatro: Gravitatoria, Electromagnética, Nuclear fuerte y Nuclear débil. En la actualidad científicos de todo el mundo intentan demostrar que estas cuatro fuerzas fundamentales, que aparentan ser diferentes una de la otra, son expresiones, en circunstancias diferentes, pero de un modo singular de interacción.

La importancia de las fuerzas fundamentales de la naturaleza 

En primer lugar, debemos entender la definición de una fuerza fundamental, ya que con el concepto de fuerza podemos comprender por qué los cuerpos se mueven. Como, por ejemplo, por qué la fuerza de gravedad nos atrae al centro al momento en el que nosotros saltamos, por qué un motor puede dar el impulso necesario a los automóviles para que estos se desplacen, por qué un imán se pega a la superficie de un refrigerador y este se resiste a la fuerza de gravedad.

Una fuerza se caracteriza por: 

• Punto de aplicación encima del cuerpo. 

• La dirección. 

• El sentido, que este puede se en cualquiera de los dos opuestos donde se define la línea de acción. 

1. La fuerza gravitacional 

La fuerza gravitacional es la fuerza más conocida, pues es la atracción que existe entre dos cuerpos con masa de forma recíproca, la cuál se determina por la masa de los dos cuerpos y la distancia entre ellos. Cabe recalcar que todavía no se sabe su partícula responsable, sin embargo, se ha propuesto una hipótesis en donde la responsable de la gravedad sería una partícula denominada gravitón, que no tendría ni masa ni carga eléctrica y que viajaría a velocidad de la luz.

Aplicaciones de la fuerza gravitacional en el ámbito cotidiano: 

• Caída libre: esta se da sobre un cuerpo en la superficie terrestre, por lo tanto un objeto que cae durante unos minutos, es aquel que impacta de forma más fuerte que uno que lo hace durante un segundo. 

Una bala de cañón, volará de forma recta hasta que su aceleración se pierda por la fuerza de gravedad, entonces va a curvar su trayectoria y en el momento que supere la fuerza inicial de la explosión, el objeto se va a caer.

• Orbita de la luna: el movimiento que realiza la luna es debido a que se encuentra en el campo gravitatorio de la Tierra, a una distancia que no puede alejarse ni caer. 

• Caída de meteoritos: estos cuerpos son atraídos por su enorme fuerza de gravedad, en su mayoría ingresan a la atmósfera de los planetas como Júpiter.

2. La fuerza electromagnética

La fuerza electromagnética es la interacción que se da entre partículas cargadas eléctricamente de forma positiva o negativa. Todas las partículas con carga eléctrica la experimentan, incluidos los protones (carga positiva) y electrones (carga negativa), las partículas de cargas opuestas se atraen, mientras que las de cargas similares o iguales se repelen. Los fotones, partículas de la luz son las responsables de todas estas interacciones.  

Aplicaciones de la fuerza electromagnética en el ámbito cotidiano:

La fuerza electromagnética se aplica en cosas muy cotidianas como las siguientes:

• Teléfono: Este aparato tiene la capacidad de convertir ondas sonoras (como la voz) en modulaciones de un campo electromagnético que puede transmitirse por un cable hasta un receptor en el otro extremo que es capaz de recuperar las ondas sonoras contenidas electromagnéticamente.

• Hornos microondas: Estos electrodomésticos operan a partir de la generación y concentración de ondas electromagnéticas sobre la comida. Dichas ondas son semejantes a las empleadas para la comunicación por radio.

• Tarjetas magnéticas: Esta tecnología permite la existencia de tarjetas de crédito o de débito, las cuales poseen una cinta magnética polarizada de modo determinado, para encriptar una información a partir de la orientación de sus partículas ferromagnéticas. Al introducir información los aparatos designados polarizan de un modo específico dichas partículas y se puede recuperar la información.

• Las ondas WiFi: viajan a través del espacio como impulsos rápidos codificados por datos.  Los routers son una antena que puede enviar datos a través de múltiples frecuencias al mismo tiempo. Esta banda de frecuencia significa que las cajas WiFi y los ordenadores pueden enviar y recibir datos como ondas electromagnéticas.

3. La fuerza nuclear débil 

La fuerza nuclear débil o también conocida como interacción débil es una de las cuatro fuerzas fundamentales, es conocida por actuar a distancias subatómicas, esta fuerza puede afectar a las partículas más allá de sus núcleos, a los electrones por ejemplo.

Al escuchar el nombre fuerza nuclear “débil” pensamos que se trata de la más endeble de las fuerzas, pero la realidad es otra, ya que esta llega a ser más fuerte que la fuerza gravitacional, a pesar de que  esta última se aplica a distancias grandes o infinitas, la fuerza débil trabaja en distancias subatómicas. 

Las partículas portadoras de la fuerza débil son los bosones W y Z, el bosón W presenta cargas eléctricas tanto positivas como negativas y provocan que los quarks se transmuten lo que genera que los protones puedan transformarse en neutrones y viceversa, a esto se le llama decaimiento beta. En cuanto a los bosones Z se dice que estos son neutrales eléctricamente.

Aplicaciones de la fuerza nuclear débil en el ámbito cotidiano:  

En la vida cotidiana encontramos a esta fuerza en:

• El Sol y demás estrellas: Debido a que mediante la fuerza débil estas pueden crear energía, Einstein nos explica que la forma en que pasa esto es debido a que a través de la fusión de los núcleos atómicos (hidrógeno y helio) la masa se vuelve menor a la inicial por lo que la diferencia que existe entre dichas masas es transformada en energía. Al explosionar las estrellas sintetizan el material procesado en su centro,  dando lugar a nuevas estrellas que poseerán más metales en su composición.

• En el inmenso poder destructivo de las armas nucleares: La fuerza débil al interactuar con átomos tiene la capacidad de producir roturas en los mismos llamada fisión nuclear, la cual provoca que átomos pesados e inestables como lo son el Uranio y Plutonio se quiebren formando núcleos más pequeños, cuando esto pasa algunos de los átomos salen volando y terminan por chocar unos contra otros formando una reacción en cadena. 

4. La fuerza nuclear fuerte 

La fuerza fuerte mantiene unido el núcleo del átomo, y es la razón por la que hay tantos neutrones en los elementos más pesados. Esta fuerza es tan intensa que supera fuerzas como la repulsión electrostática, la fuerza de los protones positivos en el núcleo, parte de la fuerza electromagnética, entre otras. Aunque la fuerza fuerte es muy poderosa, su alcance es demasiado corto y se limita al núcleo, un ejemplo de esto son los electrones, que están muy lejos como para ser atraídos por esta fuerza.

Dentro de la tabla periódica, mientras nos dirigimos hacia átomos cada vez más grandes, la cantidad de neutrones aumenta con la misma intensidad, todo esto debido a la fuerza fuerte.

A medida que se avanza en la tabla periódica, se agrega un protón adicional con cada elemento, y esos protones con sus cargas positivas solo aumentan el deseo de que los protones se repelan entre sí y se separen. La fuerza fuerte aumenta, pero no tanto como la repulsión electrostática. Pero cuando agrega un neutrón con carga neutra, aumenta la fuerza fuerte en la misma medida, sin agregar ninguna repulsión adicional. Por esta razón es que mientras más se avanza, necesita más y más neutrones para hacer que la fuerza fuerte sea lo suficientemente fuerte como para mantener todo el sistema en conjunto.

Aplicaciones de la fuerza nuclear fuerte en el ámbito cotidiano:

• Un ejemplo de aplicación de esta fuerza muy común en algunos países son las plantas de energía nuclear, que son fuentes de energía que producen alrededor del 21% de la energía de naciones como Estados Unidos, Francia, Japón, Rusia, por mencionar algunas. En Estados Unidos, aproximadamente 3 millones de ciudadanos viven a 10 millas de una planta de energía nuclear en funcionamiento. El funcionamiento de las plantas de energía nuclear es relativamente sencillo; se usa el calor generado a partir de la fisión nuclear dentro de un entorno contenido para convertir el agua en vapor, proporcionando así energía a los generadores para que produzcan electricidad.

• Fusión nuclear en el Sol: Otra aplicación y que percibimos cada día al despertarnos es la fusión nuclear que ocurre en nuestro sol, la estrella del sistema solar. La fusión nuclear es una reacción producida por la interacción de dos núcleos atómicos ligeros, que generalmente suelen ser el hidrógeno y sus isótopos. Estos se unen para formar otro núcleo mucho más pesado. Durante este proceso se liberan muchas partículas. Para alcanzar esta fusión se deben alcanzar altas cotas de energía para que los núcleos puedan aproximarse a distancias muy cortas, para que la fuerza de atracción nuclear sea mayor a las fuerzas de repulsión electrostática. En nuestra estrella, se fusionan los núcleos de hidrógeno y se forma "helio", como consecuencia, se libera mucha radiación electromagnética, a lo que nosotros llamamos "luz y calor".

• Unión de los quarks: La fuerza fuerte que experimentamos todo el tiempo es la unión de los quarks, partículas mucho más diminutas que las partículas que integran a un átomo. Es por esta fuerza que los quarks se unifican para formar a los protones y neutrones. Producto de la unificación los quarks también pueden formar mesones. De forma resumida, la fuerza fuerte sujeta a los quarks para formar un protón, neutrón o mesón.