Fuerza

Las fuerzas se describen a menudo como empuja o tira. Pueden deberse a fenómenos como la gravedad , el magnetismo , o cualquier otra cosa que causa una masa para acelerar.

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En la física , la fuerza es lo que hace que una masa a acelerar y se experimenta como un empujón o un tirón. El vector suma de todas las fuerzas que actúan sobre un cuerpo (conocido como el fuerza neta o la fuerza resultante) es proporcional a la aceleración y la masa del cuerpo. En un cuerpo extendido, fuerza también puede causar rotación, deformación, o un cambio en presión. Efectos rotacionales están determinadas por la pares de torsión, mientras que la deformación y la presión se determinan por el subraya que las fuerzas crean.

Fuerza neta es matemáticamente idéntica a la vez tasa de cambio del impulso del cuerpo sobre el que actúa. Dado que el impulso es un vector cantidad (es decir, que tiene tanto una magnitud y dirección), la fuerza también es una magnitud vectorial.

El concepto de fuerza se ha utilizado en estática y dinámica desde la antigüedad. Lo que se sabe acerca de las antiguas contribuciones a la estática generalmente se dice que ha culminado con la obra de Arquímedes en el Siglo 3 aC que todavía forma parte de la física moderna. Por el contrario, de Aristóteles dinámicas incorporados malentendidos intuitivas del papel de la fuerza que fueron finalmente corrigió en el siglo 17 que culminó en la obra de Isaac Newton . Tras el desarrollo de la mecánica cuántica y el modelo estándar de la física de partículas , ahora se entiende que las fuerzas asociadas con cambios en el impulso de las partículas son la consecuencia de interacciones fundamentales que acompañan a la emisión o absorción de bosones gauge. En gran escala, las fuerzas percibidas son más atribuibles a la precisión curvatura de el espacio-tiempo como explica en Einstein 's teoría de la Relatividad General . En la física moderna, sólo cuatro interacciones fundamentales son conocidos; en orden decreciente de fuerza, que son: [fuerza fuerte | fuerte]], electromagnética , débil, y gravitacional. física de partículas de alta energía observaciones en 1970 y 1980 confirmaron que las fuerzas débiles y electromagnéticas son expresiones de un sistema unificado interacción electrodébil.

Pre conceptos newtonianos

Aristóteles famosa descripción de una fuerza como cualquier cosa que hace que un objeto que someterse "movimiento no natural"

Desde la antigüedad, el concepto de fuerza fue reconocido como integral para el funcionamiento de cada una de las máquinas simples. La ventaja mecánica dada por una máquina simple permitido para menos fuerza para ser utilizado en cambio de que la fuerza que actúa sobre una distancia más grande. Análisis de las características de las fuerzas como tales culminó finalmente en la obra de Arquímedes que era especialmente famoso por formular un tratamiento de fuerzas boyantes inherentes fluidos.

Filosófica desarrollo del concepto de una fuerza procedió a través de la obra de Aristóteles . En Cosmología Aristotleian, el mundo natural celebró cuatro elementos que existían en "estado natural". Aristóteles creía que era el estado natural de los objetos masivos en la Tierra , como los elementos del agua y de la tierra, para estar inmóvil en el suelo y que tendía hacia ese estado si se dejan solos. Distinguió entre la tendencia innata de los objetos para encontrar su "lugar natural" (por ejemplo, para los cuerpos pesados a caer), que conducen a "movimiento natural", y el movimiento poco natural o forzada, que requerían la aplicación continuada de una fuerza. Esta teoría, basada en la experiencia cotidiana de cómo se mueven los objetos, tales como la aplicación constante de una fuerza que se necesita para mantener un carro en movimiento, tenía problemas conceptual que representa el comportamiento de proyectiles, tales como el vuelo de las flechas.

Estas deficiencias no estarían explicados y corregidos hasta que la obra del siglo XVII de Galileo Galilei , que fue influenciado por la idea medieval tardía que los objetos en movimiento forzado llevó una fuerza innata de impulso. Galileo construyó un experimento en el que piedras y balas de cañón fueron ambos rodaron por una pendiente para refutar la Teoría aristotélica del movimiento temprano en el siglo 17 . Se mostró que los cuerpos fueron aceleradas por la gravedad hasta el punto de que era independiente de su masa y argumentó que los objetos conservan su velocidad a menos que actúe sobre por una fuerza, por ejemplo fricción.

Mecánica newtoniana

Isaac Newton es reconocida como la primera persona que defendiera explícitamente que una fuerza constante produce una tasa de cambio constante ( derivada en el tiempo) de impulso. En esencia, le dio la primera y la única definición, matemática de la fuerza - como el tiempo derivado del impulso: . En 1687, Newton llegó a publicar su Philosophiae Naturalis Principia Mathematica , que utiliza conceptos de inercia, fuerza, y conservación para describir el movimiento de todos los objetos.

Aunque Sir Isaac Newton ecuación más famosa 's es F = ma , que en realidad escribió una forma diferente para su segunda ley del movimiento que utiliza cálculo diferencial.

En Principia Mathematica , Newton estableció tres leyes del movimiento que tienen relación directa con la forma en que las fuerzas se describen en la física.

La primera ley de Newton

Primera ley del movimiento de Newton establece las condiciones requeridas para el equilibrio y define la la inercia relacionada con la masa de un objeto. En lugar de la idea aristotélica de "estados naturales", Newton propuso que era la falta de fuerza neta que era el "estado natural" fundamental. Esto implica directamente que la condición de velocidad constante, ya sea cero o distinto de cero, es el "estado natural" de todos los objetos masivos. Objetos continúan moviéndose en un estado de velocidad constante a menos que actúe sobre él una fuerza externa no equilibrada. Como una extensión de la obra de Galileo, el concepto de inercia es inexorablemente conectado con el concepto de velocidades relativas. En concreto, en los sistemas de dos cuerpos, es imposible determinar qué objeto está "en movimiento" y que es objeto "en reposo"; es equivalente a cambiar entre lo que se llama en la física "inercial marcos de referencia ".

El concepto de inercia se puede generalizar más allá para explicar la tendencia de los objetos a continuar en muchas formas diferentes de movimiento constante, incluso aquellos que no son estrictamente velocidad constante. La inercia de rotación del planeta Tierra es lo que fija la constancia de la longitud de un día y la longitud de una año. Albert Einstein extendió el principio de inercia más cuando explicó que los sistemas de referencia sujeto a una aceleración constante, como las que en caída libre hacia un objeto gravitando, eran físicamente equivalente a los sistemas de referencia inerciales. Esta es la razón, por ejemplo, la experiencia de los astronautas ingravidez cuando en órbita de caída libre alrededor de la Tierra, y por qué las leyes del movimiento de Newton son más fácilmente discernible en este tipo de entornos. Si un astronauta coloca un objeto masivo en el aire junto a ella, se mantendrá estacionario con respecto a la astronauta debido a su inercia. Esto es lo mismo que se produciría si el astronauta y el objeto masivo estaban en el espacio intergaláctico con ninguna fuerza neta de gravedad que actúa sobre su marco de referencia compartido. Este principio de equivalencia fue uno de los pilares fundamentales para el desarrollo de su teoría general de la relatividad .

La segunda ley de Newton

La fuerza se define a menudo usando la segunda ley de Newton , como el producto de la masa multiplicado por la aceleración :

a veces llamada la "segunda fórmula más famosa en la física". Newton nunca explícitamente la fórmula = ma F por la que se acredita a menudo. La segunda ley de Newton se describe en sus Principia Mathematica como un vector ecuación diferencial :

donde es el impulso del sistema. La fuerza es la tasa de cambio del momento en el tiempo. La aceleración es la tasa de cambio de la velocidad con el tiempo. Este resultado, que sigue como una consecuencia directa de la advertencia en la primera ley de Newton, muestra que la creencia aristotélica intuitiva que se requiere una fuerza neta que mantener un objeto que se mueve con velocidad constante (por lo tanto la aceleración de cero) es objetivamente malo y no sólo una consecuencia de una mala elección de definición.

El uso de la segunda ley de Newton en cualquiera de estas formas como una definición de la fuerza ha sido menospreciado en algunos de los libros de texto más rigurosos, porque esto elimina todo el contenido empírico de la ley. De hecho, la en esta ecuación representa la fuerza neta (suma vectorial); en equilibrio es cero, por definición, pero las fuerzas (equilibrados) están presentes, no obstante. En cambio, la segunda ley de Newton sólo afirma la proporcionalidad de la aceleración y la masa a la fuerza, cada uno de los cuales puede ser definido sin referencia explícita a las fuerzas. Aceleraciones se pueden definir a través de mediciones cinemáticas mientras que la masa se puede determinar a través de, por ejemplo, contar los átomos. Sin embargo, mientras que la cinemática están bien descritas a través análisis del marco de referencia en la física avanzada, todavía hay cuestiones profundas que permanecen sobre lo que es la definición correcta de la masa. La relatividad general ofrece una equivalencia entre espacio-tiempo y la masa, pero que carecen de una teoría coherente de la gravedad cuántica, no está claro en cuanto a cómo o si esta conexión es relevante en microescala. Con bastante más justificación, la segunda ley de Newton puede tomarse como una definición cuantitativa de masa escribiendo la ley como una igualdad, las unidades relativas de fuerza y masa son fijos.

La definición de la fuerza a veces es considerado como un problema, ya que en última instancia debe ser canalizado a nuestra comprensión intuitiva de nuestras percepciones directas, o definirse implícitamente a través de un conjunto de fórmulas matemáticas coherentes. Físicos notables, filósofos y matemáticos que han buscado una definición más explícita incluyen Ernst Mach, Clifford Truesdell y Walter Noll.

Dado el éxito empírica de la ley de Newton, se utiliza a veces para medir la fuerza de fuerzas (por ejemplo, usando órbitas astronómicas para determinar las fuerzas gravitacionales). Sin embargo, la fuerza y las cantidades utilizadas para medirla siguen siendo conceptos distintos.

'Cuando una fuerza resultante actúa sobre un objeto de masa constante, una aceleración darán lugar con el producto de su masa y la aceleración igual a la fuerza resultante, la dirección de la aceleración estar en la misma dirección que la de la fuerza resultante. F = ma '

La tercera ley de Newton

La tercera ley de Newton es el resultado de la aplicación de la simetría a situaciones en las fuerzas pueden ser atribuidos a la presencia de diferentes objetos. Para cualquiera de los dos objetos (llamarlos 1 y 2), la tercera ley de Newton establece que

Esta ley implica que las fuerzas siempre se presentan en pares de acción-reacción. Cualquier fuerza que se aplica al objeto 1 debido a la acción del objeto 2 se acompaña automáticamente por una fuerza aplicada al objeto 2 debido a la acción del objeto 1. Si el objeto 1 y el objeto 2 se consideran en el mismo sistema, entonces la fuerza neta sobre el sistema debido a las interacciones entre los objetos 1 y 2 es de cero desde

.

Esto significa que los sistemas no pueden crear fuerzas internas que se han desequilibrado. Sin embargo, si se consideran los objetos 1 y 2 para estar en sistemas separados, entonces los dos sistemas cada experimentar una fuerza desequilibrada y acelerar con respecto a la otra de acuerdo con la segunda ley de Newton.

La combinación de leyes segundo y tercero de Newton, es posible demostrar que el momento lineal de un sistema se conserva . Uso

y la integración con respecto al tiempo, la ecuación:

es obtenido. Para un sistema que incluye objetos 1 y 2,

que es la conservación del momento lineal. Generalizando a un sistema de un número arbitrario de partículas es sencillo. Esto muestra que el intercambio de momento entre objetos constituyentes no afectará el momento neto de un sistema. En general, siempre y cuando todas las fuerzas se deben a la interacción de objetos masivos, es posible definir un sistema tal que momento neto nunca se pierde ni se gana.

'Si el cuerpo A ejerce una fuerza F sobre el cuerpo B, entonces el cuerpo B ejerce una fuerza de -F (de igual tamaño, pero en la dirección opuesta) en el cuerpo A.'

Descripciones

Diagramas de cuerpo libre de un objeto sobre una superficie plana y plano inclinado. Fuerzas que se resuelvan y se suman para determinar sus magnitudes y la resultante.

Las fuerzas pueden ser percibidas directamente como empuja o tira; esto puede proporcionar un marco intuitivo para describir fuerzas. Como con otros conceptos físicos (por ejemplo, temperatura ), la noción intuitiva se cuantifica usando definiciones operacionales que sean consistentes con la percepción directa, pero son más precisos (véase la sección sobre la mecánica newtoniana de cómo se hace esto ). Históricamente, las fuerzas fueron primero cuantitativamente investigados en condiciones de equilibrio estático donde varias fuerzas se anulan mutuamente. Tales experimentos probar las propiedades cruciales que las fuerzas son aditivos vector cantidades: tienen magnitud y dirección. Cuando dos fuerzas actúan sobre un objeto, la fuerza resultante, el producto resultante, es la suma vectorial de las fuerzas originales. Esto se llama el principio de superposición. La magnitud de la resultante varía de la diferencia de las magnitudes de las dos fuerzas a su suma, dependiendo del ángulo entre sus líneas de acción. La fuerza resultante se puede determinar por la siguiente paralelogramo regla de la suma de vectores: la adición de dos vectores representados por los lados de un paralelogramo, da un vector resultante equivalente que es igual en magnitud y dirección transversal a la del paralelogramo.

Diagramas de cuerpo libre se pueden utilizar como una manera conveniente para seguir la pista de las fuerzas que actúan sobre un sistema. Idealmente, estos diagramas se dibujan con los ángulos y magnitudes relativas de los vectores de fuerza conserva, de modo que la suma de vectores gráfica se puede hacer para determinar la resultante.

Además de ser añadido, las fuerzas también se pueden resolver en componentes independientes en ángulos rectos entre sí. Por lo tanto Un noreste de fuerza horizontal que señala se puede dividir en dos fuerzas, una apuntando al norte, y una apuntando este. Resumiendo estas fuerzas componentes utilizando la suma de vectores se obtiene la fuerza original. La resolución de vectores de fuerza en sus componentes de un conjunto de vectores de la base es a menudo una forma más limpia matemáticamente para describir las fuerzas que el uso de magnitudes y direcciones. Esto es porque, para componentes ortogonales, los componentes de la suma vectorial se determinan de forma única por la adición escalar de los componentes de los vectores individuales. Componentes ortogonales son independientes el uno del otro; fuerzas que actúan a noventa grados entre sí no tienen ningún efecto sobre la otra. La elección de un conjunto de vectores de la base ortogonales se hace a menudo al considerar qué conjunto de vectores de la base hará que las matemáticas más conveniente. La elección de un vector de la base que está en la misma dirección que una de las fuerzas es deseable, ya que la fuerza tendría entonces sólo un componente distinto de cero. Vectores de fuerza también puede ser tridimensional, con el tercer componente en ángulo recto a los otros dos componentes.

Equilibrios

Equilibrium se produce cuando la fuerza resultante que actúa sobre un objeto es cero (es decir, la suma vectorial de todas las fuerzas es cero). Hay dos tipos de equilibrio: equilibrio estático y equilibrio dinámico.

Equilibrio estático

Equilibrio estático se entendió mucho antes de la invención de la mecánica clásica. Los objetos que están en reposo tienen fuerza neta cero actuar sobre ellos.

El caso más simple de equilibrio estático se produce cuando dos fuerzas son iguales en magnitud pero de dirección opuesta. Por ejemplo, cualquier objeto sobre una superficie nivelada se tira (atraída) hacia abajo hacia el centro de la Tierra por la fuerza de la gravedad. Al mismo tiempo, las fuerzas de superficie resisten la fuerza hacia abajo con una fuerza hacia arriba igual (llamado fuerza normal) y el resultado en el objeto que tiene un no-cero de peso. La situación es de cero fuerza neta y sin aceleración.

Empujando contra un objeto en una superficie de fricción puede resultar en una situación en la que el objeto no se mueve debido a la fuerza aplicada se opone fricción estática, generada entre el objeto y la superficie de la mesa. Para una situación sin movimiento, la fuerza de fricción estática equilibra exactamente la fuerza aplicada resulta en ninguna aceleración. Los aumentos de fricción estática o disminuye en respuesta a la fuerza aplicada hasta un límite superior determinado por las características del contacto entre la superficie y el objeto.

Un equilibrio estático entre dos fuerzas es la forma más habitual de medir fuerzas, usando dispositivos simples, tales como balanzas y balanzas de resorte. Por ejemplo, un objeto suspendido por la vertical balanza de resorte experimenta la fuerza de la gravedad actúa sobre el objeto equilibrada por una fuerza aplicada por la "fuerza de reacción elástica", que es igual al peso del objeto. El uso de estas herramientas, se descubrieron algunas leyes cuantitativas de la fuerza: que la fuerza de la gravedad es proporcional al volumen de los objetos de constante densidad (ampliamente explotadas durante milenios para definir los pesos estándar); "Principio de flotabilidad; Arquímedes Arquímedes 'análisis de la palanca; La ley de Boyle para la presión del gas; y La ley de Hooke para muelles. Estos fueron todos formulan y experimentalmente verificados antes de Isaac Newton expuso sus tres leyes del movimiento .

Equilibrio dinámico

Galileo Galilei fue el primero en señalar las contradicciones inherentes que figuran en la descripción de Aristóteles de fuerzas.

Equilibrio dinámico fue descrita por primera vez por Galileo que notaron que ciertos supuestos de la física aristotélica fueron contradichos por observaciones y lógica . Galileo dio cuenta de que simple adición velocidad exige que el concepto de un "absoluto sistema de reposo "no existía. Galileo llegó a la conclusión de que el movimiento en una constante de velocidad era completamente equivalente al resto. Esto era contrario a la noción de una de Aristóteles "estado natural" de descanso que los objetos masivos acercaron de forma natural. experimentos simples mostraron que la comprensión de Galileo de la equivalencia de velocidad y resto constante que es correcta. Por ejemplo, si un marinero dejó caer una bala de cañón desde la cofa de un barco en movimiento a una velocidad constante, la física aristotélica tendría la bala de cañón cae directamente hacia abajo mientras el barco se movió debajo de ella. Así, en un universo aristotélico, la bala de cañón cae aterrizaría detrás del pie del mástil de un barco en movimiento. Sin embargo, cuando en realidad se lleva a cabo este experimento, la bala de cañón cae siempre al pie del mástil, como si la bala de cañón sabe viajar con la nave a pesar de estar separada de ella. Puesto que no hay fuerza horizontal hacia delante se aplica sobre la bala de cañón a medida que cae, la única conclusión que queda es que la bala de cañón continúa moviéndose con la misma velocidad que el barco a medida que cae. Por lo tanto, no se requiere fuerza para mantener la bala de cañón se mueve a la velocidad de avance constante.

Por otra parte, cualquier objeto que viaja a una velocidad constante debe estar sujeto a la fuerza neta cero (fuerza resultante). Esta es la definición de equilibrio dinámico: cuando todas las fuerzas en un equilibrio objeto, sino que todavía se mueve a una velocidad constante.

Un caso simple de equilibrio dinámico se produce en el movimiento de velocidad constante a través de una superficie con fricción cinética. En tal situación, se aplica una fuerza en la dirección de movimiento, mientras que la fuerza de fricción cinética se opone exactamente la fuerza aplicada. Esto resulta en una fuerza neta cero, pero ya que el objeto se inició con una velocidad distinta de cero, continúa moviéndose con una velocidad distinta de cero. Aristóteles mal interpretado este movimiento como causadas por la fuerza aplicada. Sin embargo, cuando se toma en consideración la fricción cinética es claro que no hay una fuerza neta que causa el movimiento de velocidad constante.

Diagramas de Feynman

Un diagrama de Feynman para la desintegración de un neutrón en un protón. La Bosón W es entre dos vértices que indican una repulsión.

Las fuerzas y la aceleración de partículas en modernos física de partículas ocurren durante el intercambio de bosones gauge. Con el desarrollo de la teoría cuántica de campos y la relatividad general , se dio cuenta de que "la fuerza" es un concepto redundante derivados de la conservación del momento ( 4-impulso en la relatividad y el impulso de partículas virtuales en Electrodinámica cuántica). La conservación del momento, desde El teorema de Noether, puede derivarse directamente de la simetría de espacio y por lo general se considera más fundamental que el concepto de una fuerza. Así, el conocido actualmente fuerzas fundamentales se consideran con más precisión a ser " interacciones fundamentales ". Si bien se necesitan descripciones matemáticas sofisticadas para predecir, con todo detalle, la naturaleza de tales interacciones, hay una manera conceptualmente simple para describir estas interacciones mediante el uso de diagramas de Feynman. En un diagrama de Feynman, cada partícula de materia se representa como una línea recta (ver línea del mundo) que viajan a través del tiempo que normalmente aumenta hacia arriba o hacia la derecha en el diagrama. Partículas de materia y antimateria son idénticos excepto por su dirección de propagación a través del diagrama de Feynman. Líneas mundo de las partículas cruzan en vértices de interacción, y el diagrama de Feynman representa cualquier fuerza que surge de una interacción como ocurre en el vértice con un cambio instantáneo asociado en la dirección de las líneas de mundo de las partículas. Bosones gauge se emiten de distancia desde el vértice como líneas onduladas (similares a las ondas) y, en el caso de intercambio de partículas virtuales, son absorbidos en un vértice adyacente. Cuando los bosones gauge se representan en un diagrama de Feynman como existente entre dos partículas interactuantes, esto representa una fuerza de repulsión. Cuando los bosones gauge se representan en un diagrama de Feynman como existente que rodea las dos partículas interactuantes, esto representa una fuerza de atracción.

La utilidad de los diagramas de Feynman es que otros tipos de fenómenos físicos que son parte del cuadro general de interacciones fundamentales, pero son conceptualmente separada de fuerzas también se puede describir con las mismas reglas. Por ejemplo, un diagrama de Feynman puede describir en detalle sucinta cómo un neutrón decae en un electrón , protón , y neutrinos: una interacción mediada por el mismo Higgs indicador que es responsable de la la fuerza nuclear débil. Mientras que el diagrama de Feynman para esta interacción tiene características similares a una interacción repulsiva, el decaimiento es más complicada que una simple "fuerza repulsiva".

La relatividad especial

En la teoría especial de la relatividad de masa y energía son equivalentes (como puede verse mediante el cálculo del trabajo necesario para acelerar un cuerpo). Cuando la velocidad de un objeto aumenta también lo hace su energía y por lo tanto su masa equivalente (inercia). Por lo tanto, requiere más fuerza para acelerarlo la misma cantidad que lo hizo a una velocidad inferior. La definición sigue siendo válido. Pero con el fin de conservar, el impulso debe ser redefinida como:

donde

es la velocidad y

es la velocidad de la luz .

La expresión relativista relativa fuerza y la aceleración de una partícula con distinto de cero masa en reposo se mueve en la dirección es:

donde el Factor de Lorentz

Aquí una fuerza constante no produce una aceleración constante, pero una aceleración cada vez menor como el objeto se aproxima a la velocidad de la luz. Tenga en cuenta que es undefined para un objeto con un valor distinto de cero descansar la masa a la velocidad de la luz, y la teoría produce ninguna predicción a esa velocidad.

Sin embargo se puede restaurar la forma de

para su uso en la relatividad mediante el uso de cuatro-vectores. Esta relación es correcta en la relatividad cuando es el cuatro vigor, m es el masa invariante, y es el cuatro aceleración.

Modelos fundamentales

Todas las fuerzas del universo se basan en cuatro fuerzas fundamentales. Las fuerzas fuertes y débiles actúan sólo en distancias muy cortas, y son responsables de mantener cierta nucleones y compuestos núcleos juntos. La fuerza electromagnética actúa entre cargas eléctricas y actúa la fuerza gravitacional entre las masas . Todas las demás fuerzas se basan en la existencia de las cuatro interacciones fundamentales. Por ejemplo, la fricción es una manifestación de la fuerza electromagnética que actúa entre los átomos de dos superficies, y la exclusión de Pauli Principio, que no permite el paso de átomos entre sí. Las fuerzas en muelles de modelado por La ley de Hooke son también el resultado de las fuerzas electromagnéticas y el principio de exclusión que actúan juntos para devolver el objeto a su posición de equilibrio. Las fuerzas centrífugas son las fuerzas de aceleración que se presentan simplemente a partir de la aceleración de la rotación marcos de referencia.

El punto de vista de la mecánica cuántica moderna de las tres primeras fuerzas fundamentales (todas excepto la gravedad) es que las partículas de la materia ( fermiones) no interactúan directamente entre sí, sino más bien mediante el intercambio de partículas virtuales llamadas bosones gauge.

Es un error común de atribuir la rigidez y la rigidez de materia sólida a la repulsión de cargas como bajo la influencia de la fuerza electromagnética. Sin embargo, estas características realmente el resultado de la Exclusión de Pauli Principio. Dado que los electrones son fermiones, no pueden ocupar el mismo estado mecánico cuántico como otros electrones. Cuando los electrones en un material están densamente empaquetados juntos, no hay suficientes menor energía estados mecánicos cuánticos para todos ellos, por lo que algunos de ellos deben estar en estados de mayor energía. Esto significa que se necesita energía para embalarlos juntos. Mientras que este efecto se manifiesta macroscópicamente como una "fuerza" estructural, es técnicamente sólo el resultado de la existencia de un conjunto finito de estados electrónicos.

Gravedad

Se permite un objeto inicialmente estacionaria caer libremente por gravedad cae una distancia que es proporcional al cuadrado del tiempo transcurrido. Una imagen fue tomada 20 destellos por segundo. Durante el primer 1/20 de un segundo la pelota cae una unidad de distancia (en este caso, una unidad es de aproximadamente 12 mm); por 2 / 20ths ha bajado en total de 4 unidades; por 3 / 20ths, 9 unidades y así sucesivamente.

Lo que ahora llamamos gravedad no fue identificado como una fuerza universal hasta que el trabajo de Isaac Newton. Antes de Newton, la tendencia de los objetos que caen hacia la Tierra no era entendida estar relacionado con los movimientos de los objetos celestes. Galileo fue instrumental en la descripción de las características de los objetos que caen al determinar que la aceleración de cada cuerpo en de caída libre era constante e independiente de la masa del objeto. Hoy en día, esta aceleración de la gravedad en la superficie de la Tierra está generalmente designado como y tiene una magnitud de alrededor de 9,81 metros por segundo al cuadrado (esta medida se toma desde el nivel del mar y puede variar dependiendo de la ubicación), y apunta hacia el centro de la Tierra. Esta observación significa que la fuerza de la gravedad sobre un objeto en la superficie de la Tierra es directamente proporcional a la masa del objeto. Por lo tanto un objeto que tiene una masa de experimentará una fuerza:

En caída libre, esta fuerza es sin oposición y, por tanto, la fuerza neta sobre el objeto es la fuerza de la gravedad. Para no objetos en caída libre, la fuerza de la gravedad se opone por el peso del objeto. Por ejemplo, una persona de pie en el suelo experimenta fuerza neta cero, dado que la fuerza de la gravedad es equilibrada por el peso de la persona que se manifiesta por una fuerza normal ejercida sobre la persona por el suelo.

La contribución de Newton a la teoría gravitacional era unificar los movimientos de los cuerpos celestes, que Aristóteles había asumido estaban en un estado natural de movimiento constante, con la caída de movimiento observado en la Tierra. Propuso un ley de la gravedad que podrían dar cuenta de los movimientos celestes que habían sido descritas anteriormente usando leyes de movimiento planetario de Kepler .

Newton dio cuenta de que los efectos de la gravedad pueden ser observados en diferentes formas en las distancias más grandes. En particular, Newton determina que la aceleración de la luna alrededor de la tierra podría atribuirse a la misma fuerza de la gravedad si la aceleración debida a la gravedad disminuyó como una ley del cuadrado inverso. Además, Newton se dio cuenta de que la masa del objeto que gravitan afectó directamente a la aceleración debida a la gravedad. La combinación de estas ideas da una fórmula que relaciona la masa de la Tierra ( ), El radio de la Tierra ( ) A la aceleración debida a la gravedad:

donde el vector de dirección está dada por cuál es el vector unitario dirigido hacia fuera desde el centro de la Tierra.

En esta ecuación, una constante dimensional se utiliza para describir la fuerza relativa de la gravedad. Esta constante ha llegado a ser conocido como Gravitación Universal de Newton constante, aunque era de un valor desconocido en la vida de Newton. No fue sino hasta 1798 fue Henry Cavendish capaz de hacer la primera medición de utilizando una balanza de torsión; este fue ampliamente difundido por la prensa como una medida de la masa de la Tierra ya que al conocer la podría permitir a uno a resolver para la masa de la Tierra debido a la ecuación anterior. Newton, sin embargo, se dio cuenta de que, dado que todos los cuerpos celestes siguen las mismas leyes del movimiento , su ley de la gravedad tenía que ser universal. Sucintamente dicho, Ley de la Gravitación de Newton entre dos cuerpos masivos es

donde es la masa del primer objeto y es la masa del segundo objeto.

Esta fórmula fue lo suficientemente potente como para presentarse como la base de todas las descripciones posteriores de movimiento dentro del sistema solar hasta el siglo XX. Durante ese tiempo, los métodos sofisticados de análisis de perturbación se inventaron para calcular las desviaciones de órbitas debido a la influencia de múltiples cuerpos en un planeta , luna , cometa o asteroide . Estas técnicas son tan potentes que se pueden utilizar para predecir con precisión el movimiento de los cuerpos celestes a una precisión arbitraria en cualquier longitud de tiempo en el futuro. El formalismo era lo suficientemente exacta para permitir que los matemáticos para predecir la existencia del planeta Neptuno antes de que se observó.

Fue sólo la órbita del planeta Mercurio que la Ley de la Gravitación de Newton parecía no explicar completamente. Algunos astrofísicos predicen la existencia de otro planeta ( Vulcan) que explicaría las discrepancias; Sin embargo, a pesar de algunos indicios tempranos, no hay tal planeta se pudo encontrar. Cuando Albert Einstein finalmente formuló su teoría de la relatividad general (GR) dirigió su atención al problema de la órbita de Mercurio y encontró que su teoría añadió una corrección que podría explicar la discrepancia. Esta fue la primera vez que la Teoría de la Gravedad de Newton se había demostrado ser menos correcta que una alternativa.

Desde entonces, y hasta el momento, la relatividad general ha sido reconocida como la teoría que mejor explica la gravedad. En GR, la gravitación no es visto como una fuerza, sino más bien, objetos que se mueven libremente en campos gravitatorios viajan bajo su propia inercia en líneas rectas a través de espacio-tiempo curvo - definidos como el camino más corto espacio-tiempo entre dos eventos del espacio-tiempo. Desde la perspectiva del objeto, todo movimiento se produce como si no hubiera en absoluto la gravitación. Es sólo cuando se observa el movimiento en un sentido global que la curvatura del espacio-tiempo puede ser observado y la fuerza se infiere de trayectoria curva del objeto. Por lo tanto, la trayectoria de línea recta en el espacio-tiempo se ve como una línea curva en el espacio, y se llama la balístico trayectoria del objeto. Por ejemplo, una de baloncesto lanzado desde el suelo se mueve en una parábola, como lo es en un campo gravitatorio uniforme. Su trayectoria espacio-tiempo (cuando se añade la dimensión ct extra) es casi una línea recta, ligeramente curvada (con la radio de curvatura del orden de unos pocos años luz).La derivada en el tiempo del momento cambiante del cuerpo es lo que denominamos como "fuerza gravitacional".

Las fuerzas electromagnéticas

En 1784 Charles Coulomb descubrió la ley del cuadrado inverso de la interacción entre cargas eléctricas utilizando una balanza de torsión; esta fue la segunda fuerza fundamental. Las fuerzas débiles y fuertes fueron descubiertos en el siglo 20 a través del desarrollo de la física nuclear .

La fuerza electrostática fue descrita por primera vez en 1784 por Coulomb como una fuerza que existía intrínseca entre dos cargos . Las propiedades de la fuerza electrostática eran que varió como una ley del cuadrado inverso se indica en la dirección radial , era a la vez atractivas y repulsivas (había intrínseca polaridad), era independiente de la masa de los objetos cargados, y siguió a la ley de la superposición. La unificación de todas estas observaciones en una declaración sucinta se conocía como la ley de Coulomb .

Matemáticos y físicos posteriores encontraron el constructo del campo eléctrico para ser útil para determinar la fuerza electrostática sobre una carga eléctrica en cualquier punto en el espacio. Con base en la Ley de Coulomb, conociendo las características del campo eléctrico en un espacio dado es equivalente a saber lo que la fuerza electrostática aplicada en una " carga de prueba "es.

Mientras tanto, el conocimiento se ha desarrollado de la fuerza de Lorentz de magnetismo , la fuerza que existe entre dos corrientes eléctricas. Tiene el mismo carácter matemático como la Ley de Coulomb con la condición de que al igual que las corrientes atraen y repelen a diferencia de las corrientes. Similar al campo eléctrico, el campo magnético puede ser usado para determinar la fuerza magnética sobre una corriente eléctrica en cualquier punto en el espacio. La combinación de la definición de la corriente eléctrica como la tasa de tiempo de cambio de la carga eléctrica produce una ley de vector multiplicación llamada ley de Lorentz que determina la fuerza sobre una carga que se mueve en un campo magnético.

Por lo tanto una teoría completa de la fuerza electromagnética en una carga puede ser escrita como una suma de la fuerza electrostática (debido al campo eléctrico) y la fuerza magnética (debido al campo magnético). Totalmente dicho, esta es la ley:

donde es la fuerza electromagnética,es la magnitud de la carga de la partícula,es lavelocidadde la partícula,es el campo eléctrico, yes el campo magnético.

El origen de los campos eléctricos y magnéticos no se explicaría por completo hasta 1864, cuando James Clerk Maxwell unificó una serie de teorías anteriores en un conjunto conciso de cuatro ecuaciones. Estos " Ecuaciones de Maxwell "describió plenamente las fuentes de los campos como estacionario y cargas en movimiento, y las interacciones de los propios campos. Esto llevó a Maxwell para descubrir que los campos eléctricos y magnéticos podrían ser "auto-generación" a través de una ola que viajó a una velocidad que calculó que la velocidad de la luz . Esta visión unió los campos nacientes de la teoría electromagnética con la óptica y condujo directamente a una descripción completa de la espectro electromagnético.

Sin embargo, en un intento de reconciliar la teoría electromagnética con dos observaciones, el efecto fotoeléctrico y la no existencia de la catástrofe ultravioleta, resultó problemático. A través del trabajo de los físicos teóricos principales, una nueva teoría del electromagnetismo fue desarrollado utilizando la mecánica cuántica . Esta modificación final a la teoría electromagnética última instancia condujo a la electrodinámica cuántica (o QED), que describe completamente todos los fenómenos electromagnéticos como está mediada por partículas de onda conocidas como fotones . En QED, los fotones son las partículas de cambio fundamental que describe todas las interacciones relacionadas con el electromagnetismo, incluyendo la fuerza electromagnética.

Las fuerzas nucleares

Hay dos "fuerzas nucleares", que hoy en día se suele describir como las interacciones que tienen lugar en las teorías cuánticas dela física de partículas. La fuerza nuclear fuerte es la fuerza responsable de la integridad estructural delos núcleos atómicos, mientras que lafuerza nuclear débil es responsable de la decadencia de ciertanucleones enleptones y otros tipos dehadrones.

La fuerza fuerte es entendida hoy para representar las interacciones entre quarks y gluones, como se detalla en la teoría de la cromodinámica cuántica (QCD). La fuerza fuerte es la fuerza fundamental mediada por gluones, que actúa sobre los quarks , antiquarks y los propios gluones. La interacción fuerte es la más potente de las cuatro fuerzas fundamentales.

La fuerza fuerte sólo actúa directamente sobre las partículas elementales. Sin embargo, se observa un residual de la fuerza entre los hadrones (el ejemplo más conocido es la fuerza que actúa entre nucleones en los núcleos atómicos) como los fuerza nuclear. aquí las fuertes fuerza actúa indirectamente, transmitida como gluones que forman parte de la pi virtual y rho mesones que clásicamente transmitir la fuerza nuclear (véase este tema para más). El fracaso de muchas búsquedas de quarks libres ha demostrado que las partículas elementales afectados no son directamente observables. Este fenómeno se llama reclusión color.

La fuerza débil se debe al cambio de los pesados ​​bosones W y Z. Su efecto más conocido es desintegración beta (de neutrones en el núcleo atómico ) y la asocia radiactividad. la palabra "débil" deriva del hecho de que la intensidad de campo se encuentra a unos 10 ¹³ veces menos que el de la fuerza fuerte. Aún así, es más fuerte que la gravedad en distancias cortas. Una consistente teoría electrodébil También se ha desarrollado lo que demuestra que las fuerzas electromagnéticas y la fuerza débil son indistinguibles en una temperaturas superiores a aproximadamente 10 ¹⁵ Kelvin . Estas temperaturas se han sondeado en modernos aceleradores de partículas y mostrar las condiciones del universo en los primeros momentos del Big Bang .

Los modelos no fundamentales

Algunas fuerzas se pueden modelar al hacer suposiciones sobre la simplificación de las condiciones físicas. En tales situaciones, los modelos idealizados pueden ser utilizados para ganar la penetración física.

Fuerza normal

F_nrepresenta lafuerza normal ejercida sobre el objeto.

La fuerza normal es la fuerza que actúa superficie normal a la superficie de interfaz entre dos objetos. La fuerza normal, por ejemplo, es responsable de la integridad estructural de mesas y pisos, así como ser la fuerza que responde cuando una fuerza externa empuja sobre un objeto sólido. Un ejemplo de la fuerza normal en la acción es la fuerza de impacto de un objeto de chocar contra una superficie inmóvil. Esta fuerza es proporcional al cuadrado de la velocidad del objeto que debido a la conservación de la energía y el teorema de energía de trabajo cuando se aplica a completamente colisiones inelásticas.

Fricción

La fricción es una fuerza que se opone al movimiento de superficie. La fuerza de fricción está directamente relacionada con la fuerza normal que actúa para mantener dos objetos sólidos separados en el punto de contacto. Hay dos clasificaciones generales de las fuerzas de fricción: fricción estática y fricción cinética.

La fuerza de fricción estática () se opondrá exactamente fuerzas aplicadas a un cuerpo paralelo a una superficie de contacto hasta el límite especificado por elcoeficiente de fricción estática () multiplicado por la fuerza normal ( ).En otras palabras, la magnitud de las fuerzas de fricción estática satisface la la desigualdad:

.

La fuerza de fricción cinética ( ) es independiente tanto de las fuerzas aplicadas y el movimiento del objeto. Por lo tanto, la magnitud de la fuerza es igual a

,

donde es el coeficiente de fricción cinética. Para la mayoría de las interfaces de la superficie, el coeficiente de fricción cinética es menor que el coeficiente de fricción estática.

Mecánica de medios continuos

Cuando la fuerza de arrastre () asociado con la resistencia del aire se hace igual en magnitud a la fuerza de la gravedad sobre un objeto que cae (), el objeto alcanza un estado deequilibrio dinámicoenla velocidad terminal.

En extendidasfluidos, las diferencias enconsecuencia la presión de las fuerzas que se dirigen a lo largo de la presión delos gradientes de la siguiente manera:

donde es el volumen del objeto en el fluido y es el función escalar que describe la presión en todos los lugares en el espacio. Gradientes de presión y las diferencias dan lugar a la fuerza de flotación para fluidos suspendidos en campos gravitatorios, vientos en ciencias de la atmósfera, y la elevación asociados con la aerodinámica y vuelo.

Un ejemplo específico de tal fuerza que está asociado conla presión dinámica es la resistencia del fluido: una fuerza de cuerpo que resiste el movimiento de un objeto a través de un fluido debido a viscosidad.Para el llamado "arrastre de Stokes "la fuerza es aproximadamente proporcional a la velocidad, pero en dirección opuesta:

donde:

es una constante que depende de las propiedades del fluido y de las dimensiones del objeto (generalmente elárea de sección transversal), y

es la velocidad del objeto.

Más formalmente, las fuerzas dela mecánica del continuo están completamente Desribed por unestréstensor con términos que se definen como rougly

donde es el área de la sección transversal relevante para el volumen para el que se calcula el estrés-tensor. Este formalismo incluye términos de presión asociados con las fuerzas que actúan normal a la superficie de sección transversal (las diagonales de la matriz del tensor), así como términos de cizalla asociados con las fuerzas que actúan en paralelo a la superficie de sección transversal (los elementos fuera de la diagonal). El tensor de tensiones representa las fuerzas que causan todas las deformaciones que incluyen también los esfuerzos de tracción y compresiones.

Tensión

Fuerzas tensionales pueden ser idealizados usando cuerdas ideales que son sin masa, sin fricción, irrompible y no extensible. Se pueden combinar con ideales poleas que permiten cadenas ideales para cambiar la dirección física. Cuerdas Ideal transmiten fuerzas de tensión instantánea en pares de acción-reacción de modo que si dos objetos están conectados por una cuerda ideal, cualquier fuerza dirigida a lo largo de la cadena por el primer objeto está acompañado por una fuerza dirigida a lo largo de la cadena en la dirección opuesta por el segundo objeto . Mediante la conexión de la misma cadena varias veces para el mismo objeto a través del uso de un set-up que utiliza poleas móviles, la fuerza de tensión en una carga puede ser multiplicado. Para cada cadena que actúa sobre una carga, otro factor de la fuerza de tensión en la cuerda actúa sobre la carga. Sin embargo, a pesar de que tales máquinas permiten un aumento de la fuerza, hay un aumento correspondiente en la longitud de cadena que debe ser desplazado con el fin de mover la carga. Estos efectos tándem resultan en última instancia, en la conservación de la energía mecánica ya que el trabajo realizado en la carga es el mismo sin importar lo complicado de la máquina.

La fuerza elástica

F_kes la fuerza que responde a la carga sobre el resorte.

Una fuerza elástica actúa para devolver un resorte a su longitud natural. Una resorte ideal se toma para ser sin masa, sin fricción, irrompible, e infinitamente estirable. Tales resortes ejercen fuerzas que empujan al contratado, o tirar cuando se extiende, en proporción al desplazamiento del muelle de su posición de equilibrio. Esta relación lineal fue descrito por Robert Hooke en 1676, para quien . La ley de Hooke se nombra Si es el desplazamiento, la fuerza ejercida por un resorte ideal es igual a:

donde es la constante del resorte (o fuerza constante), que es particular de la primavera. El signo menos representa la tendencia de la fuerza elástica a actuar en oposición a la carga aplicada.

Fuerza centrípeta

Para acelerar un objeto en movimiento circular, la fuerza desequilibrada que actúa sobre el objeto es igual a

donde es la masa del objeto, es la velocidad del objeto y es la distancia al centro de la trayectoria circular y es el apuntando vector unitario en la dirección radial hacia fuera desde el centro. Esto significa que la fuerza centrípeta desequilibrada sentida por cualquier objeto siempre se dirige hacia el centro de la trayectoria curva. Tales fuerzas actúan perpendicular al vector de velocidad asociada con el movimiento de un objeto, y por lo tanto no cambian la velocidad del objeto (magnitud de la velocidad), pero sólo la dirección del vector de velocidad. La fuerza desequilibrada que acelera un objeto puede resolverse en un componente que es perpendicular a la trayectoria, y una que es tangente a la trayectoria. Esto produce tanto la fuerza tangencial que acelera el objeto, ya sea disminuyendo su velocidad o acelerarlo y la fuerza radial (centrípeta) que cambia su dirección.

Fuerzas ficticias

Hay fuerzas que son dependientes del marco, lo que significa que aparecen debido a la adopción de la no-newtoniano (es decir, no inercial) marcos de referencia. Estas fuerzas incluyen la fuerza centrífuga y la fuerza de Coriolis. Estas fuerzas son considerados ficticia, ya que no existen en los marcos de referencia que no se están acelerando. En la relatividad general , la gravedad se convierte en una fuerza ficticia que surge en situaciones en las que el espacio-tiempo se desvía de una geometría plana. Como extensión, Kaluza-Klein teoría y la teoría de cuerdas atribuyen el electromagnetismo y las otras fuerzas fundamentales respectivamente a la curvatura de dimensiones diferente ampliados, lo que en última instancia implica que todas las fuerzas son ficticios.

Rotaciones y torque

Relación entre la fuerza (F), el par (τ), yde momentovectores (p y L) en un sistema de rotación.

Fuerzas que causan objetos extendidos para girar están asociados con pares de torsión. Matemáticamente, el par de torsión sobre una partícula se define como el producto cruzado :

donde

es de la partículavector de posición con respecto a un pivote

es la fuerza que actúa sobre la partícula.

Torque es el equivalente de rotación de la fuerza de la misma manera que el ángulo de rotación es el equivalente para la posición, velocidad angular para la velocidad , y el momento angular de impulso . Todos los tratamientos formales de las leyes de Newton que se aplicaban a las fuerzas equivalentemente aplican a pares. Por lo tanto, como consecuencia de la primera ley del movimiento de Newton, existe la inercia de rotación que garantice que todos los cuerpos mantienen su momento angular menos que actúe sobre él una torsión desequilibrado. Del mismo modo, la segunda ley del movimiento de Newton se puede utilizar para derivar una definición alternativa de par:

donde

es el momento de inercia de la partícula

es la aceleración angular de la partícula.

Esto proporciona una definición para el momento de inercia, que es el equivalente de rotación de la masa . En los tratamientos más avanzados de la mecánica, el momento de inercia actúa como un tensor que, cuando se analizaron correctamente, determina completamente las características de rotaciones incluyendo precesión y nutación.

De manera equivalente, la forma diferencial de la Segunda Ley de Newton ofrece una definición alternativa de par:

donde es el momento angular de la partícula.

Tercera Ley del Movimiento de Newton requiere que todos los objetos ejercen pares ellos mismos experimentan pares iguales y opuestos, y por lo tanto también implica directamente laconservación del momento angularpara sistemas cerrados que experimentan las rotaciones ylas revolucionesa través de la acción de pares internos.

Integrales cinemáticos

Las fuerzas pueden ser utilizados para definir una serie de conceptos físicos por la integración con respecto a variables cinemáticas . Por ejemplo, la integración con respecto al tiempo da la definición de impulso:

que, por la segunda ley de Newton, debe ser equivalente a la variación de impulso (produciendo elteorema de impulso del impulso).

Del mismo modo, la integración con respecto a la posición da una definición para eltrabajo realizadopor una fuerza:

que, en un sistema donde todas las fuerzas son conservadoras ( véase más adelante ) es equivalente a los cambios en la cinética y potencial de energía (lo que supondría el teorema de energía de trabajo ). La derivada temporal de la definición de trabajo da una definición de poder en término de la fuerza y la velocidad ( ):

Energía potencial

En lugar de una fuerza, el concepto matemáticamente equivalente de un campo de energía potencial puede ser utilizado por conveniencia. Por ejemplo, la fuerza gravitacional que actúa sobre un cuerpo puede ser visto como la acción del campo gravitatorio que está presente en la ubicación del cuerpo. Reafirmando matemáticamente la definición de la energía (a través de la definición de trabajo ), un potencial campo escalar se define como aquel campo cuya pendiente es igual y opuesta a la fuerza producida en cada punto:

Fuerzas se pueden clasificar como conservadora o no conservadora. Las fuerzas conservadoras son equivalentes a la de un gradiente de potencial mientras que las fuerzas no conservativas no lo son.

Las fuerzas conservadoras

Una fuerza conservadora que actúa sobre un sistema cerrado tiene un trabajo mecánico asociado que permite la energía para convertir sólo entre cinéticos o formas posibles. Esto significa que para un sistema cerrado, la red de energía mecánica se conserva siempre que sea una fuerza conservadora actúa sobre el sistema. La fuerza, por lo tanto, está relacionada directamente a la diferencia de energía potencial entre dos lugares diferentes en el espacio, y puede ser considerado como un artefacto del campo de potencial de la misma manera que la dirección y la cantidad de un flujo de agua pueden ser considerados a ser un artefacto de la mapa de contorno de la elevación de un área.

Las fuerzas conservadoras incluyen la gravedad , la electromagnética fuerza, y la fuerza del resorte. Cada una de estas fuerzas tienen modelos que dependen de una posición dado a menudo como un vector radial que emana de los potenciales de simetría esférica. Ejemplos de este seguimiento:

Por la gravedad:

donde es el constante gravitacional, yes la masa del objeton.

Para las fuerzas electrostáticas:

donde es permitividad eléctrica de espacio libre, yes lacarga eléctricadel objeton.

Para fuerzas de resorte:

donde es el constante del resorte.

Fuerzas no conservativas

Para ciertos escenarios físicos, es imposible para modelar fuerzas como debido a un gradiente de potencial. Esto es a menudo debido a consideraciones macrofísicos que las fuerzas de rendimiento como el resultado de una media estadística macroscópica de microestados. Por ejemplo, fricción es causado por los gradientes de numerosos potenciales electrostáticos entre los átomos , pero se manifiesta como un modelo de fuerza que es independiente de cualquier vector de posición macroescala. Fuerzas no conservativas distintos de fricción incluyen otras fuerzas de contacto, tensión, la compresión y la resistencia. Sin embargo, para cualquier descripción suficientemente detallada, todas estas fuerzas son los resultados de los conservadores desde cada una de estas fuerzas macroscópicas son los resultados netos de los gradientes de potenciales microscópicas.

La conexión entre las fuerzas no conservativas macroscópicas y microscópicas fuerzas conservadoras se describe mediante un tratamiento detallado con la mecánica estadística . En sistemas cerrados macroscópicas, las fuerzas no conservativas actúan para cambiar las energías internas del sistema, y a menudo se asocian con la transferencia de calor . De acuerdo con la segunda ley de la termodinámica , las fuerzas no conservativas resultan necesariamente en las transformaciones de energía dentro de sistemas cerrados de la orden de condiciones más aleatorios como entropía aumenta.

Unidades de medida

La Unidad SI de la fuerza es el Newton (símbolo N), que es la fuerza necesaria para acelerar una masa de un kilogramo a una velocidad de un metro por segundo al cuadrado, o kg • m • s ^-2 . El correspondiente unidad CGS es la dina, la fuerza requerida para acelerar una masa de un gramo por un centímetro por segundo al cuadrado, o g • cm • s ^-2 . 1 newton es por lo tanto igual a 100.000 dina.

La pie-libra-segunda unidad imperial de la fuerza es la fuerza de libras (lbf), que se define como la fuerza ejercida por la gravedad en una masa libra en el campo gravitacional estándar de 9,80665 m • s ^-2 . La fuerza de libras ofrece una unidad alternativa de masas: una babosa es la masa que acelerará por un pie por segundo al cuadrado cuando se actúa por uno libra-fuerza. Una unidad alternativa de la fuerza en el mismo sistema es el poundal, que se define como la fuerza necesaria para acelerar una masa una libra a la velocidad de un pie por segundo al cuadrado. Las unidades de babosa y poundal están diseñados para evitar una constante de proporcionalidad en la segunda ley de Newton .

La fuerza libras tiene un equivalente métrico, menos comúnmente utilizado que el newton: el kilogramo-fuerza (kgf) (a veces kilopondio), es la fuerza ejercida por la gravedad de serie en un kilogramo de masa. El kilogramo-fuerza conduce a un suplente, pero unidad de masa rara vez se utiliza: la babosa métrica (a veces taza o hyl) es que la masa que se acelera a 1 m • s ^-2 cuando se somete a una fuerza de 1 kgf. El kilogramo-fuerza no es una parte del moderno sistema SI, y en general está en desuso; sin embargo, todavía ve usar para algunos propósitos como expresando chorro de empuje, la bicicleta habló la tensión, la configuración de la llave de par y par de salida del motor. Otras unidades arcanos de fuerza incluyen el sthène que es equivalente a 1000 N y la kip que es equivalente a 1.000 lbf.