¿De dónde viene una fuerza normal?

Siendo más específicos, digamos que coloco un objeto encima de una mesa, esto dará como resultado que la mesa aplique una fuerza normal sobre el objeto.

Mi pregunta es: ¿Por qué existe esta fuerza? ¿Es por la existencia de fuerzas eléctricas entre la mesa y el objeto que hace una "repulsión", o incluso porque el objeto "deforma" la estructura de la mesa y las fuerzas intramoleculares están tratando de "arreglarla" (hacer que la mesa , que es un sólido, vuelve a su estructura normal, de esa manera aplicando una fuerza)?Es un dibujo tonto, pero representa un poco la situación.

Si no está dispuesto a aceptar varios gestos de mano de alto nivel, entonces tiene que ponerse manos a la obra y lidiar con la complejidad de las fuerzas intermoleculares. Pero no digas que no te lo advertí. física.stackexchange.com/q/1077

Respuestas (3)

No son exactamente fuerzas eléctricas o intra/intermoleculares como conjeturas en tu pregunta. Más bien, en última instancia, son fuerzas de intercambio, por ejemplo, https://en.wikipedia.org/wiki/Exchange_interaction . A medida que dos objetos macroscópicos se acercan (muy cerca), las capas de electrones que rodean a sus respectivos átomos comienzan a afectarse entre sí. Y dos electrones (porque son fermiones) no pueden ocupar simultáneamente el mismo estado (estar en "el mismo lugar al mismo tiempo", coloquialmente), más conocido como el Principio de Exclusión de Pauli, https://en.wikipedia. org/wiki/Pauli_exclusion_principle (enlace agregado después de que noté que @Qmechanic editó esa etiqueta en la pregunta original :)

Entonces, cuando intenta juntar los objetos macroscópicos, forzando así demasiados electrones en los estados disponibles de la capa atómica, el estado general de múltiples partículas que describe esa colección de electrones (determinado por el determinante de Slater, por ejemplo, https://en.wikipedia .org/wiki/Slater_determinant ) necesariamente da cero probabilidad de encontrar dos electrones en el mismo estado. Y eso da lugar al efecto/apariencia macroscópica de una "fuerza", evitando que los objetos macroscópicos estén "en el mismo lugar al mismo tiempo".

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Otro efecto que involucra fuerzas de intercambio (no relacionado con la pregunta del operador sobre las fuerzas normales, per se , pero quizás más interesante físicamente en general) es el condensado de Bose-Einstein, https://en.wikipedia.org/wiki/Bose%E2%80% 93Einstein_condensado

Aquí, un gas de bosones se sobreenfría para que la mayoría de las "partículas" constituyentes caigan en el estado de energía más bajo. Y eso es posible porque los bosones no están sujetos al principio de exclusión de Pauli, por lo que una gran cantidad de ellos pueden ocupar el mismo estado. Y luego, esta colección macroscópica exhibe algunas propiedades cuánticas notables que esperaría que solo fueran observables a nivel microscópico.

Pero, ahora, no podría preparar un condensado tan notable compuesto de fermiones, como electrones, exactamente por la misma razón discutida anteriormente, excepto por https://en.wikipedia.org/wiki/Fermionic_condensate#Fermionic_superfluids donde los fermiones son emparejados de modo que cada par de fermiones actúe como un bosón.

Un video interesante que discute todo esto está en http://learner.org/resources/series213.html Haga clic en el enlace [vod] a lo largo del lado derecho del Programa 6. Mecánica cuántica macroscópica La segunda mitad de este video entrevista a Deborah Jin ( y algunos de sus estudiantes de posgrado), quienes produjeron el primer condensado fermiónico, discutiendo la física involucrada. (Desafortunadamente, el video es de 2010 y una edición más reciente de Physics Today publicó el obituario de Jin, que también analiza sus logros).

@Nat no "básicamente", es decir, y por ejemplo, son ambas abreviaturas de frases en latín que significan exactamente lo que escribiste
@Nat (y en KyleKanos), Caramba, chicos, esto es divertido :). Y solo para que conste (aunque no tengo idea de por qué demonios querríamos un registro sobre algo de esto :), quise decir "por ejemplo". Es decir (solo para obtener un ie ), hay muchas, muchas páginas web sobre fuerzas de intercambio y sobre el determinante de Slater, y solo estaba ilustrando una de esas muchas. El operador debe buscar en Google estos términos para discusiones más o menos matemáticas/técnicas.
@Nat , por favor, no edite la publicación solo para eliminar mis citas de wikipedia. Lo hice rodar hacia atrás. Está completamente claro a partir de la pregunta del operador que aún no está familiarizado con estos términos. Así que necesita alguna explicación. Y le acabo de dar algunas citas, y él puede hacer preguntas de seguimiento si tiene algún interés o más preguntas sobre esos conceptos. Pero su perfil no dice nada sobre sus antecedentes, por lo que no quería molestarme en tratar de explicarlos, ya que no tengo idea de cómo lanzar una discusión así. O si el operador está interesado en absoluto.
@Nat Oh, lo siento. Pensé erróneamente que tenía algo que ver con esto, por ejemplo, cosas.
Sin electromagnetismo, las fuerzas de intercambio no harían nada aquí. Los electrones y los núcleos no se mantendrían unidos, y la mesa sería simplemente un montón de partículas no unidas, que no generarían ninguna fuerza normal. Así que es incorrecto negar la naturaleza electromagnética de la fuerza normal.
@Ruslan Estoy de acuerdo, además no habría fuerza de intercambio o sería dramáticamente más pequeño sin electromagnetismo. Una función de onda del electrón representa un campo electromagnético cuántico . Sin electromagnetismo el electrón se convierte en neutrino. Buena suerte con la fuerza de intercambio entre neutrinos sosteniendo una taza sobre una mesa.
@safesphere, ¿no podría, en teoría, siempre que hubiera una manera de acercar lo suficiente a los neutrinos, hacer que un grupo denso de neutrinos repela otro grupo denso de neutrinos empujando contra el primero?
@ tox123 Hipotéticamente, probablemente podría, aunque los neutrinos generalmente se separan cerca de la velocidad de la luz, por lo que esto no sería realista de lograr. En cualquier caso, el punto aquí es que con el electromagnetismo eliminado, la fuerza de intercambio ni siquiera mantendría unida la mesa.
@Ruslan y safesphere, etc. No estaba negando (como en su comentario "... incorrecto negar ...") el electromagnetismo. Balbuceé, diciendo: "No es exactamente..." y "Más bien, es en última instancia...", precisamente para evitar negarlo rotundamente. Obviamente, el mundo y la naturaleza de la materia (en la medida en que existiría cualquier cosa incluso reconocible como "materia") sería enorme y fundamentalmente diferente sin E&M. Pero me concentré en las fuerzas de intercambio, porque esa >>es la típica explicación de libro de texto<< a la pregunta del operador sobre qué sucede en el nivel atómico que mantiene separados a los objetos. ¿Alguien no está de acuerdo con eso?
¿Es esta su teoría o tiene alguna prueba? Me parece totalmente lógico una simple repulsión eléctrica, pero por supuesto pregunto porque no estoy seguro de eso.
@santimirandarp Ja, ja :) No, no es "mi teoría"; No tengo teorías :) Como en mi comentario sobre el tuyo, respondiendo a Ruslan/safesphere, es lo que leí en un libro de texto, pero ahora que preguntas, no puedo recordar exactamente cuál, probablemente del primer o segundo año de posgrado. curso qm. Y recuerdo la explicación precisamente porque yo mismo estaba un poco sorprendido, probablemente habría adivinado previamente en la línea de "electrostática" si alguna vez hubiera pensado en ello. Al igual que el op y algunos otros comentarios aquí. De todos modos, como pides implícitamente, una referencia sería buena. ¿Alguien sabe de uno, de improviso?...
Genial, gracias.., es interesante. Habría pensado en el potencial de Lenard Jones, por ejemplo...

Esencialmente sucede lo mismo cuando colocas un objeto sobre una mesa que cuando lo cuelgas de un resorte. El equilibrio se alcanza cuando el resorte se extiende lo suficiente como para proporcionar una fuerza ascendente sobre el objeto igual a la atracción de la gravedad sobre el objeto. [Puede haber oscilaciones antes de que se alcance el equilibrio.] La mesa también se deforma cuando colocas un objeto sobre ella, aunque no notas la deformación a menos que tengas un equipo de medición especial (o la mesa esté desvencijada).

Las fuerzas que intervienen en la deformación tanto del muelle como de la mesa son fundamentalmente electromagnéticas.

Solo pongo esto como respuesta porque no tengo la reputación para comentar. Si escucha las conferencias de Feynman, enumera varios ejemplos de resultados experimentales que han sido, con un gran orden de precisión, predichos con éxito por la electrodinámica cuántica (QED). Las Leyes de Newton se pueden derivar de los supuestos básicos de QED.

Así que supongo que si quieres conocer la razón más fundamental por la que existe una fuerza normal, ve a estudiar QED.