¿Cuál es la causa de la fuerza normal? [duplicar]

Me he estado preguntando, ¿qué causa que exista la fuerza normal?

En clase, el maestro en realidad nunca lo explica, solo dice "Tiene que estar ahí porque algo tiene que contrarrestar la gravedad". Si bien entiendo que esto es cierto, nunca explica por qué . Cada vez que le pregunto a alguien más, siempre responde de manera similar, diciendo "Tiene que estar ahí, porque el objeto no está acelerando", y esto se ha vuelto muy frustrante.

Entonces, ¿cuál es la causa de la fuerza normal? Según mi razonamiento, tiene que ser una de las cuatro fuerzas fundamentales. (Gravedad, electromagnetismo, fuerza débil o fuerza fuerte). Me parecería que el electromagnetismo tendría más sentido (electrones en las capas externas de los átomos que se repelen entre sí),

Sin embargo, justo cuando pensé que esto tenía que ser correcto, leí algo en línea sobre "ciertas partículas fundamentales que se repelen entre sí cuando sus funciones de onda se superponen". Todavía no he estudiado mecánica cuántica, así que no estoy muy seguro de qué hacer con eso.

Si alguien pudiera arrojar algo de luz sobre esto para mí sería muy apreciado.

Vaya, tu pregunta me pareció muy simple y de nivel elemental. Pero nos has hecho pensar en algo realmente interesante. ¿Es el principio de exclusión de los fermiones la razón principal de esto? ¿O puedes explicar la fuerza normal solo con electromagnetismo? ¡buena pregunta!
¿No se ha hecho ya esta pregunta? Alguien debería proporcionar un enlace a la pregunta similar (algo sobre "pararse en el suelo", no puedo ubicarlo de inmediato) para evitar duplicados.
Y de hecho es la fuerza EM.
Posibles duplicados: physics.stackexchange.com/q/1077/2451 y enlaces allí.

Respuestas (3)

Suponiendo que por "fuerza normal" te refieres a la que actúa contra la fuerza que sujeta el objeto a la superficie: es electromagnético. Como un ejemplo simple, considere dos átomos que interactúan. Básicamente, la fuerza entre estos átomos surge de tres fuentes:

  • La repulsión de sus núcleos.
  • La repulsión de las nubes de electrones.
  • La atracción del núcleo de cada átomo a los electrones del otro átomo.

Si graficas la energía potencial total de estas contribuciones como una función de la separación de los átomos, obtienes algo que se parece más o menos a esto:

Gráfico de potencial de Lennard-Jones
(fuente: wikimedia.org )

Sabiendo que la fuerza es el gradiente negativo de la energía potencial, puedes decir que los átomos experimentan una fuerza de repulsión cuando están muy cerca y una fuerza de atracción cuando están más separados. La fuerza repulsiva se vuelve más grande cuanto más cerca están los átomos, esencialmente sin límite, por lo que no importa qué fuerza esté empujando a los átomos juntos, el sistema alcanzará algún punto de equilibrio donde las fuerzas estén balanceadas (excepto bajo ciertas condiciones extremas que nunca ocurren en la Tierra). ). Esto ilustra cómo los átomos son capaces de resistir las fuerzas que los unen.

Obviamente, la historia real es mucho más complicada porque los objetos reales están hechos de moléculas y hay muchos tipos diferentes de interacciones.

Todo es irrelevante excepto el principio de exclusión.
El principio de exclusión entra en juego solo cuando tienes una densidad de electrones muy alta. Eso sucede, por ejemplo, en una enana blanca, pero no en las interacciones intermoleculares normales.
El principio de exclusión es bastante relevante para la estabilidad de la materia normal: simplemente aplicándolo junto con el principio de incertidumbre se puede obtener el orden de magnitud correcto para el módulo volumétrico de los metales (consulte la sección 3.4.2 aquí ). Las fuerzas electromagnéticas son relevantes pero "en la otra dirección" (después de que todos los sólidos son estables a presión cero). Si los electrones fueran bosones, la materia no sería estable (ver el teorema 3.2 aquí ).
@David --- eso no es cierto. El principio de exclusión también es importante en la solidez cotidiana de la materia.
@mmc: el primer enlace habla sobre el límite de alta densidad, que no se aplica a la materia normal. Aunque tendré que mirar el segundo. Definitivamente estoy de acuerdo en que el PEP juega un papel en la estabilidad sólida en el sentido de que evita que todos los electrones colapsen en el estado fundamental, pero realmente creo recordar haber leído en alguna parte sobre cómo, dada la estructura atómica de la materia, la repulsión de Coulomb produce la fuerza de contacto. . Supongo que tendré que buscar una fuente.
@David El encabezado de la sección dice "límite de alta densidad" porque el límite de alta densidad de toda la materia es un gas Fermi degenerado. Pero los metales están bien aproximados por un gas de Fermi incluso a presión cero y los módulos de volumen que aparecen en la tabla 3.2 para Li y Al coinciden con los valores de "presión cero" .
@mmc: OK, pero ¿qué pasa con los no metales?
@David La parte repulsiva de los potenciales interatómicos generalmente se atribuye al principio de exclusión de Pauli. Un análisis más cuantitativo de los diferentes "componentes" de la interacción entre átomos y moléculas se puede ver aquí ( Δ mi r mi pags es el componente de la energía de enlace debido al principio de exclusión de Pauli).
@David: Carl Sagan solía atribuir erróneamente la repulsión a los efectos de Coulomb, y otros divulgadores lo siguen, así que esto es probablemente lo que recuerdas.
@Ron: No lo creo; No habría confiado en una fuente de divulgación científica sobre esto.
David, tienes razón, puedes ver mi elaboración en el otro hilo (titulado algo así como "pararse en el suelo")
@ChrisGerig Recuerdo tu elaboración en este hilo . Solo nos estaba pidiendo que creyéramos en su palabra, ya que no dio ninguna explicación (recuerde que di muchas fuentes , FWIW). Escriba una respuesta más detallada para que podamos abordar este problema correctamente (es decir, no diciendo "¡Tengo razón!").

La fuerza normal no se debe realmente a ninguna de las cuatro fuerzas de la naturaleza. Las fuerzas de la naturaleza no son todas las fuerzas en el sentido macroscópico, son solo las partículas bosónicas fundamentales en una descripción moderna de la teoría cuántica de campos.

La fuerza normal se debe casi exclusivamente al principio de exclusión de Pauli. Esto se debe a que los electrones tienen la propiedad de que dos electrones no pueden estar en el mismo estado cuántico. Dos electrones no pueden estar exactamente en el mismo punto.

Pero podrías estar pensando, "las partículas de dos puntos en tres dimensiones nunca pueden estar en el mismo punto, ¡es infinitamente improbable!" En la mecánica cuántica, las partículas se distribuyen en una función de onda, y la condición de que no puedan estar en el mismo punto significa que dondequiera que se superponga su dispersión, la función de onda es cero. La función de onda está en 6 dimensiones para 2 partículas, por lo que es difícil de visualizar, pero los ceros aparecen en la parte diagonal, donde coinciden las dos posiciones de la partícula.

Cuando pones dos objetos en contacto, las funciones de onda de los electrones se juntan y la escala promedio de variación aumenta ligeramente debido a la exclusión. La tasa de cambio de la función de onda es el impulso del electrón y, a medida que los empuja más cerca, cuesta energía. Esta es la fuente de la fuerza normal. No existiría si los electrones fueran bosones elementales.

+1 Pero también necesitas fuerzas atractivas para obtener materia condensada. Es difícil obtener fuerzas normales de un gas Fermi ideal :-)
@mmc: tienes razón, pero estaba dando por sentada la atracción electrostática. La sorpresa es que incluso cuando solo los electrones y los protones sienten una fuerza mutua, se obtiene materia estable.
Entonces, ¿necesita tener tanto la interacción electromagnética como el principio de exclusión de Pauli para tener una fuerza normal?
@Ratz: necesita la atractiva interacción electrostática entre los electrones y los núcleos para evitar que los electrones salgan volando de los núcleos. Aparte de eso, solo necesita el principio de exclusión.
@Ratz, esto es falso. La principal causa de la fuerza normal es la electrostática, no la exclusión de Pauli. Este último está en una escala demasiado pequeña. Puede verificar esto con una tonelada de profesores legítimos si no me cree.
@ChrisGerig: Lo comprobé por mí mismo, hace mucho tiempo, y estás equivocado. Hay un sentido en el que tiene razón, en que las contribuciones de "energía electrostática" en algún método de cálculo son grandes y otras contribuciones más pequeñas, pero esta no es la forma correcta de comparar contribuciones. La neutralidad neta de los átomos, asumiendo que son distribuciones de carga clásicas, conduce a una fuerza electrostática exactamente cero a larga distancia. Los pequeños enredos conducen a las atracciones de Londres. La forma de demostrar que es Pauli es reemplazar los electrones con electrones bosónicos que giran, y luego la materia colapsa.
Está usted equivocado. Sin repetir.
@ChrisGerig: Ok--- aquí hay una pregunta. Supongamos que tengo dos tipos diferentes de electrones, duplico el campo de electrones y tengo dos campos de electrones con la misma masa y carga, solo que son distinguibles. Suponga que ahora pone en contacto algo de materia del electrón-1 con materia del electrón-2. ¿Repelerían? ¿Aunque sea por poco tiempo? ¿Qué crees que sucede? La única diferencia aquí es cero fuerza de Pauli. Puedo decírtelo, pero por favor resuélvelo. No me equivoco, lo sé por leer la literatura clásica y también por resolverlo de forma independiente, no estoy citando a la autoridad (nunca lo hago).

No tengo idea si alguna vez leerás esto, podrías hacerlo porque, por lo que puedo decir, eres un usuario, pero TODAS las respuestas dadas aquí son completamente incorrectas. La Fn ocurre simplemente como una reacción a la gravedad que empuja hacia abajo sobre una superficie, según la Tercera Ley de Newton.

Eso es todo.

Para responder a su pregunta de qué fuerza hay detrás de Fn, la respuesta es GRAVEDAD, y ciertamente no electromagnetismo.

Lamento que estés malinterpretando "causa". La gravedad es una fuerza de atracción, por lo que empujaría a alguien a través del suelo [si no hubiera una fuerza normal, por supuesto, que es el punto de este problema]. En concreto, lo único que nos dice la 3ª Ley de Newton es que debe existir una "fuerza normal", pero no qué es ni de dónde procede.
Sí, esta respuesta realmente pierde el punto. Y lo que es peor, para ser precisos, la fuerza normal ni siquiera es una fuerza de reacción de la tercera ley a la gravedad. Este es un error común. La fuerza normal no tiene que ser igual y opuesta a la fuerza de la gravedad (por ejemplo, ascensor acelerado, superficies no verticales, etc.)
Si esto fuera cierto, uno también podría empujar cosas hacia arriba en el techo. Además, la fuerza de reacción de la gravedad es la fuerza que tira de la Tierra en la dirección de otro objeto.
Esto está mal, y también lo está la explicación de Chris Gerig por qué (David tiene razón). El socio de la tercera ley de la gravedad de la Tierra sobre un bloque de madera es la gravedad del bloque sobre la Tierra. La contraparte de la tercera ley de la fuerza normal sobre el bloque por la Tierra es la fuerza normal sobre la Tierra por el bloque. Es por eso que puedes hacer que las cosas se hundan en la arena, o en el agua, o romper cosas, o por qué puedes superar la fricción estática, y es por eso que el movimiento es incluso posible. Los socios de la tercera ley actúan sobre DIFERENTES cuerpos: si yo te empujo, tú me empujas. No significa que otra cosa deba empujarte hacia atrás para que nunca puedas moverte.