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Las cuatro fuerzas

Para intentar comprender el Universo, deberíamos entender cómo funciona, cuáles son sus piezas fundamentales. Vamos a ver entonces qué interacciones  son las que tenemos que tener en cuenta.

Hoy en día los físicos sabemos que solo hay cuatro formas en las que las partículas pueden interaccionar entre sí. Es decir, toda relación entre la materia (y radiación, ya veremos más adelante en qué se diferencian) solo puede ser debida a estas cuatro fuerzas. Cualquier tipo de conexión que imaginemos entre dos objetos, cualquier tipo de movimiento siempre serán causado por una de estas fuerzas, o una combinación de ellas. Veamos cuáles son:

Interacción gravitatoria.

Es la causante de la relación entre todas las partículas solo por el hecho de tener masa. Es decir, todas las partículas con masa se ven atraídas unas por otras a causa de la gravedad. Depende por tanto de la cantidad de masa que tienen los cuerpos, pero también de la distancia a la que se encuentren, de modo que a mayor distancia, menor es la atracción. Así que cuanto mayores son las masas, la interacción es más fuerte, pero cuanto más lejos están, es más débil, aunque su alcance es infinito.

La gravedad depende de las masas y de las distancias.

La gravedad depende de las masas y de las distancias.

A nivel atómico es la interacción menos importante ya que, aunque estén muy cerca, estamos hablando de partículas con muy poca masa. Sin embargo a grandes escalas (estrellas, planetas, galaxias), aunque los cuerpos estén muy muy lejos, sus enormes masas hacen que sea la interacción más importante, y la responsable de casi todos los fenómenos astrofísicos que podemos observar.

Interacción electromagnética

Es la que actúa entre todas los objetos cargados eléctricamente. Al contrario que la gravitatoria, además de atractiva puede ser repulsiva y hacer que los objetos se alejen entre sí. Dependerá por tanto de la cantidad de carga los objetos y al igual que la gravitatoria de la distancia a la que estos se encuentran, siendo también su alcance infinito. Los objetos con carga de mismo signo se repelerán, y con carga de signo contrario se atraerán. Es la fuerza responsable de que los electrones (de carga negativa) se vean atraídos por los núcleos (de carga positiva) y formen átomos, de los que está compuesta toda la materia.

La interacción electromagnética es la responsable de que los electrones orbiten en torno a los nucleos de los átomos.

La interacción electromagnética es la responsable de que los electrones orbiten en torno a los nucleos de los átomos.

Sucede que además es una fuerza mucho, pero mucho más fuerte que la de la gravedad, 1036 veces más fuerte. Entonces, si su alcance es infinito como el de la gravedad, y su intensidad mucho mayor, ¿Por qué es menos importante que la gravedad cuando hablamos de estrellas, planetas etc.? Bueno, pues porque la gravedad siempre es atractiva y una masa atraerá a cualquier masa que pase cerca. Esta se va acumulando y poco a poco puede llegar a formar objetos supermasivos, que cada vez tendrán más capacidad de atracción, como las estrellas y galaxias. Sin embargo no todas las partículas tienen carga, y además estas no solo se atraen, también se repelen, así que es mucho más difícil formar objetos supercargados, que tengan tanta carga como masa tienen las estrellas. Es decir, hay muchos menos imanes (por ejemplo) con  una capacidad de atracción por su carga tan grande  puede ser la masa de una estrella.

Sin embargo, aunque mucho menos importante en que la interacción gravitatoria, no podemos olvidar la influencia de la interacción electromagnética en algunos fenómenos astrofísicos (manchas y llamaradas solares, quásares etc.)

Interacción nuclear fuerte.

Algunos ya habréis estudiado en el instituto que los núcleos de los átomos están formados por protones de carga positiva y por neutrones, sin carga. Pero oye, has dicho que las partículas positivas se repelen, ¿Cómo es posible que los protones se unan para formar núcleos y no se repelan entre sí?

La interacción nuclear fuerte es la responsable de que los protones y los neutrones estén unidos.     La interacción nuclear fuerte es la responsable de que los protones y los neutrones estén unidos.

La interacción nuclear fuerte es la responsable de que los protones y los neutrones estén unidos.

Efectivamente los protones entre si se repelen pero sucede hay una fuerza, la interacción nuclear fuerte, mayor que la electromagnética, que actúa a muy corta distancia (la del radio de un núcleo atómico) y que hace que los protones y neutrones se sientan atraídos, compensando la repulsión electrostática. Es la interacción más intensa que existe, 1038 veces mayor que la de la gravedad, pero su alcance es minúsculo, de unos 10-15 m.

Así, si nosotros acercamos dos protones estos se repelerán al tener misma carga y cuanto más cerca estén, se repelerán con más fuerza. Pero si seguimos acercando llegará un punto en el que empieza a actuar la interacción nuclear fuerte y entonces empiezan a atraerse.

Interacción nuclear débil.

Es la responsable de que partículas subatómicas (quarks y  leptones) formen otras partículas  o de la desintegración radiactiva de los núcleos atómicos. Como la interacción nuclear fuerte solo es capaz de actuar en escalas muy pequeñas incluso menores que la interacción fuerte, y aunque se denomine débil es 1025 veces más intensa que la gravitatoria.

Como las dos interacciones nucleares son de muy poco alcance, en astrofísica apenas tienen importancia, salvo para explicar la formación de partículas o las reacciones nucleares que tienen lugar en las estrellas.

Entonces ya vemos que a nivel interplanetario prácticamente solo debemos preocuparnos de la interacción gravitatoria. Esta debe explicar todo lo que sucede en el Universo. Cualquier movimiento ha de ser causado por la gravedad. ¡Pues genial! la gravedad solo depende de la masa y de la distancia, así que solo necesitamos conocer masas y distancias para poder predecir cualquier tipo de movimiento ¿No?

Bueno… es fácil cuando tenemos solo dos cuerpos, como un planeta y una estrella:

Orbitas de un sistema con un planeta y una estrella.

Orbitas de un sistema con un planeta (rosa) y una estrella (amarillo).

O un planeta, una estrella y un cometa:

Orbitas de una estrella(amarillo). un planeta (rosa) y un cometa (azul)

Orbitas de una estrella (amarillo). un planeta (rosa) y un cometa (azul).

O un planeta, su satélite y una estrella…. bueno, esto ya se complica un poco…

Orbitas de un planeta(rosa), con un satélite (azul) en torno a una estrella (amarillo)

Orbitas de un planeta (rosa), con un satélite (azul) en torno a una estrella (amarillo).

Y  si ya ponemos un sistema binario de dos estrellas…

Orbitas de un sistema binario de dos estrellas dos estellas (rosa y amarillo) y un planeta (azul)

Orbitas de un sistema binario de dos estrellas dos estellas (rosa y amarillo) y un planeta (azul).

Como veis la cosa se puede complicar mucho, mucho. Estas imágenes últimas las he hecho con un simulador muy divertido, lo tenéis online y también os lo podéis descargar. PhET

Hay muchos jueguitos de simulaciones de orbitas, os ánimo a que busquéis y probéis alguno.

Podéis haceros una idea de los tamaños atómicos, nucleares, planetarios etc, con la herramienta que os enseñamos en La escala del Universo.

Ah, y recordad que…