Fuerzas de contacto

En Física existen muchos tipos diferentes de  fuerzas, pero en su mayor parte las fuerzas   se pueden clasificar como fuerzas de contacto o  fuerzas de largo alcance. Entonces, las fuerzas de   contacto, como su nombre lo indica, requieren que  los dos objetos que están ejerciendo una fuerza   entre sí se toquen o estén en contacto, así que la  tensión, la fuerza normal, las fuerzas de fricción   son ejemplos cotidianos de fuerzas de contacto.  El cable de esta grúa puede ejercer una fuerza   de contacto, es decir, una fuerza de tensión sobre  la bola de demolición; pero ese cable sólo puede   ejercer esa fuerza de tensión sobre la bola de  demolición si el cable está conectado, es decir,   si la toca, si se me olvida atar el cable a la  bola de demolición el cable no ejercerá ninguna   tensión sobre ésta. Estas fuerzas de contacto  deben distinguirse de las fuerzas de largo   alcance, también denominadas fuerzas de acción a  distancia, porque pueden ejercerse sobre objetos   que están lejos unos de otros. La gravedad es un  ejemplo común: la Tierra puede ejercer una fuerza   gravitacional sobre la Luna, aunque la Tierra y  la Luna no se toquen, así que la gravedad es una   fuerza de largo alcance. De manera similar,  la fuerza eléctrica puede ejercer una fuerza   repulsiva sobre dos cargas que no se tocan, por  lo que no es una fuerza de contacto, y los imanes   pueden atraerse entre sí incluso si no se tocan.  Todas estas son fuerzas de largo alcance o fuerzas   de acción a distancia. Pero seré honesta contigo:  esta distinción no es tan fundamental como podría   parecer al principio, porque todas estas fuerzas  que llamamos fuerzas de contacto son en realidad   una enorme cantidad de fuerzas de largo alcance  disfrazadas. En otras palabras, estas fuerzas   de contacto, tensión o fuerza normal y fricción,  surgen microscópicamente gracias a un conjunto de   fuerzas de largo alcance que actúan en distancias  realmente cortas. Entonces, el hecho de que se   llamen fuerzas de largo alcance no significa que  no puedan ejercer fuerza en distancias pequeñas,   y de hecho todas esas fuerzas hacen que surjan  todas estas otras fuerzas. Ahora voy a explicar   cómo se produce todo esto. Comencemos con la  tensión. ¿De dónde viene la tensión? Bueno,   la tensión es la fuerza que ejerce un alambre o  un cable o una cuerda, algo así, y estas cuerdas   están formadas por átomos y moléculas. Estoy  tratando de representar esto aquí. Tu cuerda   probablemente tenga más de tres átomos de ancho,  pero no quería tener que dibujar un número enorme   aquí. Así que imagina que tienes una cierta  cantidad de átomos y moléculas en tu cuerda,   bueno, estos átomos y moléculas están todos unidos  entre sí, químicamente unidos. Todos estos son   enlaces electromagnéticos, no quieren alejarse de  su posición de equilibrio, tienen una posición, y   si se desplazan desde aquí van a querer regresar a  esa posición. Eso es lo que significa estar en un   estado sólido. Si tomas este cable y lo conectas  a una carga pesada como una bola de demolición,   esa bola intentará separar esos átomos y  moléculas, tratará de alejarlos entre sí,   pero ellos no quieren moverse ni alejarse unos de  otros, en otras palabras, intentan restablecerse   a medida que esta distancia entre los átomos  y moléculas se hace más grande. Y lo hace,   se estirará tu cuerda o tu cable a veces de  manera imperceptible, pero poco a poco estas   distancias se hacen más grandes, esa fuerza que  los mantiene unidos se hace más grande, por lo   que se produce más fuerza de tensión. Y este es  el origen microscópico de esta fuerza de tensión,   estos átomos y moléculas quieren recuperar su  posición anterior y para ello tienen que tirar   cada vez más fuerte. Ahora, esto no durará para  siempre. Si cuelgas una carga lo suficientemente   pesada aquí, estos enlaces electromagnéticos  se estresarán y se separarán estas moléculas;   esto es lo que sucede cuando tu cuerda se rompe,  así que ese es el origen microscópico de la   tensión. Pero no tienes que dibujar tantas flechas  como el número de Avogadro, sólo representamos la   tensión con una flecha hacia arriba. Resulta  que puedes resumir prácticamente todos estos   enlaces químicos electromagnéticos microscópicos  con una flecha que llamamos tensión. Ahora, ¿qué   hay de la fuerza normal?, ¿de dónde viene ésta?  Bueno, aquí sucede todo lo contrario: la tensión   es una fuerza de tracción, la fuerza normal es  la fuerza que intenta evitar que dos objetos se   aplasten entre sí, así que ahora en lugar de que  los átomos y las moléculas intenten separarse,   los átomos y las moléculas en esta caja verde,  debido a su peso, están tratando de ser empujados   hacia los átomos y moléculas de esta mesa. He  tratado de representar esto aquí: nuevamente   la caja y la mesa están hechas de muchos más  átomos y moléculas, pero aquí están los átomos   y moléculas de la caja y los átomos y moléculas  de la mesa, y no se acercarán entre sí. Hay una   nube de electrones alrededor de estos átomos y  moléculas de la caja y también alrededor de los   átomos y moléculas de la mesa. Esto ocasionará  una repulsión electromagnética cuando traten de   superponerse y otros efectos de la mecánica  cuántica. Resulta que es sorprendentemente   complicado explicar por qué la materia es sólida  y no puede penetrarse entre sí, pero la enorme   cantidad de interacciones electromagnéticas y  otros efectos de la mecánica cuántica entre los   átomos y moléculas son el origen microscópico de  la fuerza normal. Nuevamente, esta es la fuerza   de acción a distancia en una escala pequeña, algo  que realmente sorprende a la gente, dicen: "Espera   un minuto. ¿Los objetos se tocan realmente? Ya  sabes: cuando estás sentado en una silla ¿se   tocan físicamente los átomos y las moléculas de  tus pantalones y la silla?" Es difícil definir   realmente lo que significa tocar aquí, pues tienes  estas nubes amorfas de electrones. ¿Cómo definir   si se están tocando? Es difícil de hacer, pero  la buena noticia es que no tenemos que hacerlo,   en realidad podemos resumir microscópicamente  todas estas interacciones microscópicas como una   gran fuerza normal y eso nos ayuda tanto a nivel  de cálculo como a nivel conceptual. Ahora, puede   que estés desorientado, podrías decir "Espera un  minuto. Todo este video sobre fuerzas de contacto,   y me estás diciendo que ni siquiera sabemos  si dos superficies se están tocando". Bueno,   estoy diciendo que es difícil de definir,  pero esta es una buena manera de definirlo:   los átomos y moléculas de tus pantalones  entran en contacto con las moléculas y   átomos del asiento cuando notas que una fuerza  impide que se mezclen entre ellos, por lo que   mientras puedas detectar esta fuerza normal será  una buena forma de definir que dos superficies   están en contacto. Veamos algunas otras fuerzas.  Entonces, ¿qué sucede con la fuerza de fricción?,   ¿cuáles son los orígenes microscópicos de la  fuerza de fricción? Bueno, ya sabes, la fuerza   de fricción es la fuerza que se opone a que dos  superficies se deslicen entre sí. ¿Por qué existe   una fuerza de resistencia? Bueno, si hicieras  un acercamiento a estas superficies, una mesa,   no importa cuán lisa se vea, incluso si la acabas  de limpiar, si te acercaras lo suficiente te   sorprenderías al ver todas las pequeñas grietas  y abultamientos que tiene, un mundo desconocido a   menos que lo mires microscópicamente. Y de manera  similar para esta caja, que tal vez sea de cartón,   si la vieras con un microscopio te asombrarías de  lo poco lisas que son estas superficies. Entonces,   obviamente si tratas de arrastrar uno sobre el  otro todos estos abultamiento y estas grietas   chocan entre sí, lo que causará una fuerza de  resistencia. Podrías romper esto, ya sabes,   este abultamiento a veces se rompen, eso  sería una causa resistiva de fricción;   a veces no se rompen, tal vez simplemente se  doblan y regresan a su lugar, pero incluso si   lo hacen seguirán causando una fuerza de fricción  que se sumará a esta fricción, y no es sólo eso,   sino que a veces incluso los átomos y  moléculas en la superficie. Mira esta parte,   no se ve tan mal, parece que podrían deslizarse  bastante bien; pero puede haber adherencia,   enlaces moleculares que se forman entre estos  átomos y moléculas que están cerca unas de otras,   lo que también puede contribuir a  la fricción. Entonces, de nuevo,   esto es sorprendentemente complicado y aún hay  muchas preguntas por resolver sobre la fricción.   El estudio de la fricción se llama tribología.  Asombrosamente hay muchas preguntas todavía,   pero la buena noticia es que puedes resumir todas  esas interacciones microscópicas como una fuerza   que llamamos fricción, que se opone a que dos  superficies se deslicen una sobre la otra. Por   lo tanto, no tienes que hacer muchos cálculos y  observar microscópicamente la superficie, podemos   explicarlo todo simplemente dibujándolo como una  gran fuerza resistiva de fricción hacia atrás.   Entonces, como repaso, las fuerzas de contacto son  aquellas fuerzas que requieren que dos objetos que   interactúan se toquen para que ocurra esa fuerza.  Pero hemos visto que estas fuerzas de contacto se   deben en realidad a una cantidad asombrosamente  grande de fuerzas de largo alcance que actúan a   una distancia corta. Pero puedes resumir todas  estas fuerzas de largo alcance como una fuerza   de contacto única al resolver la mayoría  de los problemas introductorios de Física.