Fuerza 1

Fuerza

Descomposicin de las fuerzas que actan sobre un slido situado en un planoinclinado.

En fsica, la fuerza es una magnitudvectorial que mide la intensidad delintercambio de momento lineal entre dospartculas o sistemas de partculas . Segnuna definicin clsica, fuerza es todo agentecapaz de modificar la cantidad demovimiento o la forma de los materiales. Nodebe confundirse con los conceptos deesfuerzo o de energa.

En el Sistema Internacional de Unidades, launidad de medida de fuerza es el newtonque se representa con el smbolo: N ,nombrada as en reconocimiento a IsaacNewton por su aportacin a la fsica,especialmente a la mecnica clsica. El newton es una unidad derivada que se define como la fuerza necesaria paraproporcionar una aceleracin de 1m/s a un objeto de 1kg de masa.

IntroduccinLa fuerza es un modelo matemtico de intensidad de las interacciones, junto con la energa. As por ejemplo lafuerza gravitacional es la atraccin entre los cuerpos que tienen masa, el peso es la atraccin que la Tierra ejercesobre los objetos en las cercanas de su superficie, la fuerza elstica es el empuje o tirantez que ejerce un resortecomprimido o estirado respectivamente, etc. En fsica hay dos tipos de ecuaciones de fuerza: las ecuaciones"causales" donde se especifica el origen de la atraccin o repulsin: por ejemplo la ley de la gravitacin universal deNewton o la ley de Coulomb y las ecuaciones de los efectos (la cual es fundamentalmente la segunda ley deNewton).La fuerza es una magnitud fsica de carcter vectorial capaz de deformar los cuerpos (efecto esttico), modificar suvelocidad o vencer su inercia y ponerlos en movimiento si estaban inmviles (efecto dinmico). En este sentido lafuerza puede definirse como toda accin o influencia capaz de modificar el estado de movimiento o de reposo de uncuerpo (imprimindole una aceleracin que modifica el mdulo o la direccin de su velocidad).Comnmente nos referimos a la fuerza aplicada sobre un objeto sin tener en cuenta al otro objeto u objetos con losque est interactuando y que experimentarn, a su vez, otras fuerzas. Actualmente, cabe definir la fuerza como unente fsico-matemtico, de carcter vectorial, asociado con la interaccin del cuerpo con otros cuerpos queconstituyen su entorno.

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Historia

Busto de Arqumedes.

El concepto de fuerza fue descrito originalmente por Arqumedes,si bien nicamente en trminos estticos. Arqumedes y otroscreyeron que el "estado natural" de los objetos materiales en laesfera terrestre era el reposo y que los cuerpos tendan, por smismos, hacia ese estado si no se actuaba sobre ellos en modoalguno. De acuerdo con Aristteles la perseverancia delmovimiento requera siempre una causa eficiente (algo que parececoncordar con la experiencia cotidiana, donde las fuerzas defriccin pueden pasar desapercibidas).

Galileo Galilei (1564-1642) sera el primero en dar una definicindinmica de fuerza, opuesta a la de Arqumedes, estableciendoclaramente la ley de la inercia, afirmando que un cuerpo sobre elque no acta ninguna fuerza permanece en movimiento inalterado.Esta ley, que refuta la tesis de Arqumedes, an hoy da no resultaobvio para la mayora de las personas sin formacin cientfica.

Se considera que fue Isaac Newton el primero que formulmatemticamente la moderna definicin de fuerza, aunquetambin us el trmino latino vis impressa ('fuerza impresa') y vismotrix para otros conceptos diferentes. Adems, Isaac Newtonpostul que las fuerzas gravitatorias variaban segn la ley de lainversa del cuadrado de la distancia.

Charles Coulomb fue el primero que comprob que la interaccin entre cargas elctricas o electrnicas puntualestambin vara segn la ley de la inversa del cuadrado de la distancia (1784).En 1798, Henry Cavendish logr medir experimentalmente la fuerza de atraccin gravitatoria entre dos masaspequeas utilizando una balanza de torsin. Gracias a lo cual pudo determinar el valor de la constante de lagravitacin universal y, por tanto, pudo calcular la masa de la Tierra.Con el desarrollo de la electrodinmica cuntica, a mediados del siglo XX, se constat que la "fuerza" era unamagnitud puramente macroscpica surgida de la conservacin del momento lineal o cantidad de movimiento parapartculas elementales. Por esa razn las llamadas fuerzas fundamentales suelen denominarse "interaccionesfundamentales".

Fuerza en mecnica newtonianaLa fuerza se puede definir a partir de la derivada temporal del momento lineal:

Si la masa permanece constante, se puede escribir:

(*)

donde m es la masa y a la aceleracin, que es la expresin tradicional de la segunda ley de Newton. En el caso de laesttica, donde no existen aceleraciones, las fuerzas actuantes pueden deducirse de consideraciones de equilibrio.La ecuacin (*) es til sobre todo para describir el movimiento de partculas o cuerpos cuya forma no es relevante para el problema planteado. Pero incluso si se trata de estudiar la mecnica de slidos rgidos se necesitan postulados adicionales para definir la velocidad angular del slido, o su aceleracin angular as como su relacin con las fuerzas

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aplicadas. Para un sistema de referencia arbitrario la ecuacin (*) debe substituirse por:[1]

Donde:

Fuerzas de contacto y fuerzas a distanciaEn un sentido estricto, todas las fuerzas naturales son fuerzas producidas a distancia como producto de la interaccinentre cuerpos; sin embargo desde el punto de vista macroscpico, se acostumbra a dividir a las fuerzas en dos tiposgenerales: Fuerzas de contacto, las que se dan como producto de la interaccin de los cuerpos en contacto directo; es decir,

chocando sus superficies libres (como la fuerza normal). Fuerzas a distancia, como la fuerza gravitatoria o la coulmbica entre cargas, debido a la interaccin entre

campos (gravitatorio, elctrico, etc.) y que se producen cuando los cuerpos estn separados cierta distancia unosde los otros, por ejemplo: el peso.

Fuerzas internas y de contacto

FN representa la fuerza normal ejercidapor el plano inclinado sobre el objeto

situado sobre l.

En los slidos, el principio de exclusin de Pauli conduce junto con laconservacin de la energa a que los tomos tengan sus electrones distribuidosen capas y tengan impenetrabilidad a pesar de estar vacos en un 99%. Laimpenetrabilidad se deriva de que los tomos sean "extensos" y que loselectrones de las capas exteriores ejerzan fuerzas electrostticas de repulsinque hacen que la materia sea macroscpicamente impenetrable.

Lo anterior se traduce en que dos cuerpos puestos en "contacto"experimentarn superficialmente fuerzas resultantes normales (oaproximadamente normales) a la superficie que impedirn el solapamiento delas nubes electrnicas de ambos cuerpos.Las fuerzas internas son similares a las fuerzas de contacto entre ambos cuerpos y si bien tienen una forma mscomplicada, ya que no existe una superficie macroscpica a travs de la cual se den la superficie. La complicacin setraduce por ejemplo en que las fuerzas internas necesitan ser modelizadas mediante un tensor de tensiones en que lafuerza por unidad de superficie que experimenta un punto del interior depende de la direccin a lo largo de la cual seconsideren las fuerzas.Lo anterior se refiere a slidos, en los fluidos en reposo las fuerzas internas dependen esencialmente de la presin, yen los fluidos en movimiento tambin la viscosidad puede desempear un papel importante.

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FriccinLa friccin en slidos puede darse entre sus superficies libres en contacto. En el tratamiento de los problemasmediante mecnica newtoniana, la friccin entre slidos frecuentemente se modeliza como una fuerza tangente sobrecualquiera de los planos del contacto entre sus superficies, de valor proporcional a la fuerza normal.El rozamiento entre slido-lquido y en el interior de un lquido o un gas depende esencialmente de si el flujo seconsidera laminar o turbulento y de su ecuacin constitutiva.

Fuerza gravitatoria

Fuerzas gravitatorias entre dos partculas.

En mecnica newtoniana la fuerza de atraccin entredos masas, cuyos centros de gravedad estn lejoscomparadas con las dimensiones del cuerpo,[2] vienedada por la ley de la gravitacin universal de Newton:

Donde:es la fuerza que acta sobre el cuerpo 2,

ejercida por el cuerpo 1. constante de la gravitacin universal.

vector de posicin relativo delcuerpo 2 respecto al cuerpo 1.

es el vector unitario dirigido desde 1 haca 2.masas de los cuerpos 1 y 2.

Cuando la masa de uno de los cuerpos es muy grande en comparacin con la del otro (por ejemplo, si tienedimensiones planetarias), la expresin anterior se transforma en otra ms simple:

Donde:es la fuerza del cuerpo de gran masa ("planeta") sobre el cuerpo pequeo.es un vector unitario dirigido desde el centro del "planeta" al cuerpo de pequea masa.es la distancia entre el centro del "planeta" y el del cuerpo pequeo.

Fuerzas de campos estacionariosEn mecnica newtoniana tambin es posible modelizar algunas fuerzas constantes en el tiempo como campos defuerza. Por ejemplo la fuerza entre dos cargas elctricas inmviles, puede representarse adecuadamente mediante laley de Coulomb:

Donde:es la fuerza ejercida por la carga 1 sobre la carga 2.

una constante que depender del sistema de unidades para la carga.vector de posicin de la carga 2 respecto a la carga 1.

valor de las cargas.

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Tambin los campos magnticos estticos y los debidos a cargas estticas con distribuciones ms complejas puedenresumirse en dos funciones vectoriales llamadas campo elctrico y campo magntico tales que una partcula enmovimiento respecto a las fuentes estticas de dichos campos viene dada por la expresin de Lorentz:

Donde:es el campo elctrico.es el campo magntico.es la velocidad de la partcula.es la carga total de la partcula.

Los campos de fuerzas no constantes sin embargo presentan una dificultad especialmente cuando estn creados porpartculas en movimiento rpido, porque en esos casos los efectos relativistas de retardo pueden ser importantes, y lamecnica clsica, da lugar a un tratamiento de accin a distancia que puede resultar inadecuado si las fuerzascambian rpidamente con el tiempo.

Fuerza elctricaLa fuerza elctrica tambin son de accin a distancia, pero a veces la interaccin entre los cuerpos acta como unafuerza atractiva mientras que, otras veces, tiene el efecto inverso, es decir puede actuar como una fuerza repulsiva.

Unidades de fuerzaEn el Sistema Internacional de Unidades (SI) y en el Cegesimal (cgs), el hecho de definir la fuerza a partir de la masay la aceleracin (magnitud en la que intervienen longitud y tiempo), conlleva a que la fuerza sea una magnitudderivada. Por en contrario, en el Sistema Tcnico la fuerza es una Unidad Fundamental y a partir de ella se define launidad de masa en este sistema, la unidad tcnica de masa, abreviada u.t.m. (no tiene smbolo). Este hecho atiende alas evidencias que posee la fsica actual, expresado en el concepto de fuerzas fundamentales, y se ve reflejado en elSistema Internacional de Unidades. Sistema Internacional de Unidades (SI)

newton (N) Sistema Tcnico de Unidades

kilogramo-fuerza (kgf) o kilopondio (kp)

Sistema Cegesimal de Unidades dina (dyn)

Sistema anglosajn de unidades Poundal Libra fuerza (lb

f)

KIP (= 1000 lbf)Equivalencias

1 newton = 100000 dinas1 kilogramo-fuerza = 9,80665 newtons1 libra fuerza 4,448222 newtons

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Fuerza en mecnica relativistaEn relatividad especial la fuerza se debe definir slo como derivada del momento lineal, ya que en este caso la fuerzano resulta simplemente proporcional a la aceleracin:

De hecho en general el vector de aceleracin y el de fuerza ni siquiera sern paralelos, slo en el movimiento circularuniforme y en cualquier movimiento rectilneo sern paralelos el vector de fuerza y aceleracin pero en general se elmdulo de la fuerza depender tanto de la velocidad como de la aceleracin.

"Fuerza" gravitatoriaEn la teora de la relatividad general el campo gravitatorio no se trata como un campo de fuerzas real, sino como unefecto de la curvatura del espacio-tiempo. Una partcula msica que no sufre el efecto de ninguna otra interaccinque la gravitatoria seguir una trayectoria geodsica de mnima curvatura a travs del espacio-tiempo, y por tanto suecuacin de movimiento ser:

Donde:son las coordenadas de posicin de la partcula.

el parmetro de arco, que es proporcional al tiempo propio de la partcula.

son los smbolos de Christoffel correspondientes a la mtrica del espacio-tiempo.La fuerza gravitatoria aparente procede del trmino asociado a los smbolos de Christoffel. Un observador en "cadalibre" formar un sistema de referencia en movimiento en el que dichos smbolos de Christoffel son nulos, y portanto no percibir ninguna fuerza gravitatoria tal como sostiene el principio de equivalencia que ayud a Einstein aformular sus ideas sobre el campo gravitatorio.

Fuerza electromagnticaEl efecto del campo electromagntico sobre una partcula relativista viene dado por la expresin covariante de lafuerza de Lorentz:

Donde:

son las componentes covariantes de la cuadrifuerza experimentada por la partcula.

son las componentes del tensor de campo electromagntico.son las componentes de la cuadrivelocidad de la partcula.

La ecuacin de movimiento de una partcula en un espacio-tiempo curvo y sometida a la accin de la fuerza anteriorviene dada por:

Donde la expresin anterior se ha aplicado el convenio de sumacin de Einstein para ndices repetidos, el miembrode la derecha representa la cuadriaceleracin y siendo las otras magnitudes:

son las componentes contravarianetes de la cuadrifuerza electromagntica sobre la partcula.

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es la masa de la partcula.

Fuerza en fsica cuntica

Fuerza en mecnica cunticaEn mecnica cuntica no resulta fcil definir para muchos sistemas un equivalente claro de la fuerza. Esto sucedeporque en mecnica cuntica un sistema mecnico queda descrito por una funcin de onda o vector de estado que en general representa a todo el sistema en conjunto y no puede separarse en partes. Slo para sistemas donde elestado del sistema pueda descomponerse de manera no ambigua en la forma donde cada una de esasdos partes representa una parte del sistema es posible definir el concepto de fuerza. Sin embargo en la mayora desistemas interesanes no es posible esta descomposicin. Por ejemplo si consideramos el conjunto de electrones de untomo, que es un conjunto de partculas idnticas no es posible determinar una mangitud que represente la fuerzaentre dos electrones concretos, porque no es posible escribir una funcin de onda que describa por separado los doselectrones.Sin embargo, en el caso de una partcula aislada sometida a la accin de una fuerza conservativa es posible describirla fuerza mediante un potencial externo e introducir la nocin de fuerza. Esta situacin es la que se da por ejemplo enel modelo atmico de Schrdinger para un tomo hidrogenoide donde el electrn y el ncleo son discernibles uno deotro. En ste y otros casos de una partcula aislada en un potencial el teorema de Ehrenfest lleva a una generalizacinde la segunda ley de Newton en la forma:

Donde:es el valor esperado del momento lineal de la partcula.

es la funcin de onda de la partcula y su compleja conjugada.es el potencial del que derivar las "fuerzas".

denota el operador nabla.En otros casos como los experimentos de colisin o dispersin de partculas elementales de energa positiva que sondisparados contra otras partculas que hacen de blanco, como los experimentos tpicos llevados a cabo enaceleradores de partculas a veces es posible definir un potencial que est relacionado con la fuerza tpica queexperimentar una partcula en colisin, pero aun as en muchos casos no puede hablarse de fuerza en el sentidoclsico de la palabra.

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Fuerzas fundamentales en teora cuntica de campos

Cuadro explicativo de las 4 fuerzas fundamentales.

En teora cuntica de campos, el trmino "fuerza" tieneun sentido ligeramente diferente al que tiene enmecnica clsica debido a la dificultad especficasealada en la seccin anterior de definir unequivalente cuntico de las fuerzas clsicas. Por esarazn el trmino "fuerza fundamental" en teoracuntica de campos se refiere al modo de interaccinentre partculas o campos cunticos, ms que a unamedida concreta de la interaccin de dos partculas ocampos.

La teora cuntica de campos trata de dar unadescripcin de las formas de interaccin existentesentre las diferentes formas de materia o camposcunticos existentes en el Universo. As el trmino"fuerzas fundamentales" se refiere actualmente a losmodos claramente diferenciados de interaccin queconocemos. Cada fuerza fundamental quedar descritapor una teora diferente y postular diferenteslagrangianos de interaccin que describan como es esemodo peculiar de interaccin.

Cuando se formul la idea de fuerza fundamental seconsider que existan cuatro "fuerzas fundamentales": la gravitatoria, la electromagntica, la nuclear fuerte y lanuclear dbil. La descripcin de las "fuerzas fundamentales" tradicionales es la siguiente:1. La gravitatoria es la fuerza de atraccin que una masa ejerce sobre otra, y afecta a todos los cuerpos. La gravedad

es una fuerza muy dbil y de un slo sentido, pero de alcance infinito.2. La fuerza electromagntica afecta a los cuerpos elctricamente cargados, y es la fuerza involucrada en las

transformaciones fsicas y qumicas de tomos y molculas. Es mucho ms intensa que la fuerza gravitatoria,puede tener dos sentidos (atractivo y repulsivo) y su alcance es infinito.

3. La fuerza o interaccin nuclear fuerte es la que mantiene unidos los componentes de los ncleos atmicos, yacta indistintamente entre dos nucleones cualesquiera, protones o neutrones. Su alcance es del orden de lasdimensiones nucleares, pero es ms intensa que la fuerza electromagntica.

4. La fuerza o interaccin nuclear dbil es la responsable de la desintegracin beta de los neutrones; los neutrinosson sensibles nicamente a este tipo de interaccin (aparte de la gravitatoria) electromagntica y su alcance es anmenor que el de la interaccin nuclear fuerte.

Sin embargo, cabe sealar que el nmero de fuerzas fundamentales en el sentido anteriormente expuesto depende denuestro estado de conocimiento, as hasta finales de los aos 1960 la interaccin dbil y la interaccinelectromagntica se consideraban fuerzas fundamentales diferentes, pero los avances tericos permitieron establecerque en realidad ambos tipos de interaccin eran manifestaciones fenomenolgicamente diferentes de la misma"fuerza fundamental", la interaccin electrodbil. Se tiene la sospecha de que en ltima instancia todas las "fuerzasfundamentales" son manifestaciones fenomenolgicas de una nica "fuerza" que sera descrita por algn tipo deteora unificada o teora del todo.

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Referencias[1] W. Noll (2007): "On the concept of Force" (http:/ / www. math. cmu. edu/ ~wn0g/ Force. pdf)[2][2] Si esta condicin no se cumple la expresin resultante es diferente debido a que las zonas ms cercanas entre cuerpos tienen una influencia

mayor que las zonas ms alejadas

Bibliografa Landau & Lifshitz: Mecnica, Ed. Revert, Barcelona, 1991. ISBN 84-291-4081-6.

Enlaces externos Wikimedia Commons alberga contenido multimedia sobre Fuerza. Commons Wikiquote alberga frases clebres de o sobre Fuerza. Wikiquote Wikcionario tiene definiciones y otra informacin sobre fuerza.Wikcionario Segunda y tercera leyes de Newton. Definiciones de fuerza y masa. (http:/ / www. uco. es/ users/ mr. ortega/

fisica/ archivos/ monytex/ LFM07. PDF) Fuerza central y conservativa. (http:/ / www. sc. ehu. es/ sbweb/ fisica/ celeste/ kepler/ fuerza. htm) Preguntas sobre fuerzas. (http:/ / apuntes. infonotas. com/ pages/ fisica/ fuerzas/ faq-fisica-1. php)

Fuentes y contribuyentes del artculo 10

Fuentes y contribuyentes del artculoFuerza Fuente: http://es.wikipedia.org/w/index.php?oldid=74151174 Contribuyentes: .Jos, AVIADOR, Acratta, Agguizar, Airunp, Aitorzubiaurre, Alan, AleMaster23, Alefisico, Algarabia,Alhen, Aliman5040, Allforrous, Amifonlas, Andreasmperu, Angel GN, Antonorsi, Antur, Armin76, Arturomania, Ascnder, Asqueladd, Atila rey, Axxgreazz, Aipni-Lovrij, BF14, Baiji,Balles2601, Banfield, Bernard, BetoCG, BlackBeast, Bolitocha 123456789123456789, Brayan, Bruswil, Bucephala, BuenaGente, Cantabriasuancesmola, Carlos Quesada, Carlos5025, Carmin,Cinevoro, Cobalttempest, Coco10100, ConnieGB, Coren, Ctrl Z, Danielba894, DanielithoMoya, David0811, Davidlopez3, Davidlud, Davius, Deleatur, Delphidius, Dermot, Diegusjaimes,Dionisio, Dominican, Dorieito, Dorieo, Dreitmen, Durero, Edmenb, Edslov, Eduardosalg, El Moska, Ellinik, Elsenyor, Emiduronte, Emijrp, Emilyum, Emmanuel yo, Ener6, Equi, ErKomandante, Erfil, Escalda, Fixertool, Fmercury1980, Foundling, Fran89, FrancoGG, Fsd141, FucKenci.Fiek, Furado, Gabysola, Gaeddal, Gaijin, Gaius iulius caesar, Galandil, Galio,Ganmedes, Genba, George McFinnigan, GermanX, Ggenellina, Ghettha, Gonis, Gothmog, Greek, Gsrdzl, Gusama Romero, Gusgus, Gtz, HHKakuzu, HUB, Halfdrag, Helmy oved,HernandoJoseAJ, Homeron10, House, Huevocarton, Humberto, Icvav, Igna, Isha, JMCC1, JacobRodrigues, Jarisleif, Jarke, Javier Cobos Hernando, Jcaraballo, Jelf45, Jersy2109, Jfzaa, Jgalgarra,Jjafjjaf, Jkbw, Jlozanogarrote, Jmsrrgpllg, Jmvkrecords, Joelous, Jomra, Joniale, Jorge c2010, JorgeGG, Joseaperez, Juandavidnobato, Juanmlleras, Julie, Karshan, Kender00, Kevin 1000,Kismalac, Knaverit, Kokoo, Komputisto, Kordas, Kraenar, Kved, La Mantis, Laura Fiorucci, LeafGreen, Leitoxx, Leonpolanco, Leydi F. Avila, Limbo@MX, Lockoca, Lourdes Cardenal,Lucasburchard, Luis1970, LyingB, Mafores, Maldoror, Manolo456, Manolocagazo, Mansoncc, Manuel Gonzlez Olaechea y Franco, Manuelhernandezp, Manuelt15, Manw, Maquedasahag,MarcoAurelio, Maria y liriana uv, Matdrodes, Matiasasb, Maveric149, Mel 23, Mercenario97, Michelle Jackson, Montgomery, Moriel, MrCharro, Mushii, NACLE, Netito777, Nicop, Nioger,Nixn, Orgullomoore, Ortisa, Oscar ., Overgeo, PakoStile, Pan con queso, PeiT, Pello, Petronas, Petruss, PhJ, Poco a poco, Ponalgoyya, Ppja, Prietoquilmes, Prolactino, Plux, Racso, Ramon00,Rastrojo, Ravave, Raystorm, Retama, Ricardogpn, Rigenea, Rizome, Rjgalindo, Robalgri, Robdjq, Roberpl, Roger de Lauria, Rosarino, Rubpe19, Ruy Pugliesi, SUPERanonimusXD, Sa, Santga,Santiperez, Santirom, Savh, Sebrev, SimnK, Skyhack, Snakeyes, Srbanana, SuperBraulio13, Superzerocool, Tano4595, Technopat, TeleMania, Tharrik, The Darck Wilmer, Tirithel, Tomatejc,Topeangel, Torrente3, Travelour, Triku, UA31, VanKleinen, Vatelys, Vic Fede, Vitamine, Votinus, Waka Waka, Xalox059, XanaG, Xenoforme, Xuankar, Ymskylt, Yoquese09, Yrithinnd,ZafradaXD, conversion script, du-148-221-250-39.prodigy.net.mx, 1312 ediciones annimas

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FuerzaIntroduccin Historia Fuerza en mecnica newtoniana Fuerzas de contacto y fuerzas a distancia Fuerzas internas y de contacto Friccin Fuerza gravitatoria Fuerzas de campos estacionarios Fuerza elctrica Unidades de fuerza

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