miniatura|A figura ilustra situacións nas que o concepto de forza é importante: a tracción nunha corda, a forza gravitacional e a forza magnética. En física, a forza é unha magnitude física que mide a razón de cambio do momento lineal entre dúas partículas ou sistemas de partículas. Segundo unha definición clásica, forza é calquera acción ou influencia capaz de modificar a forma dos materiais ou a cantidade de movemento, producindo unha variación no estado de equilibrio ou de movemento dun corpo, é dicir, capaz de imprimirlle unha aceleración.
Matematicamente , onde p é o momento lineal. A aceleración que experimenta un corpo é, por definición, proporcional á suma das forzas (ou forza neta) que actúa sobre el. A constante de proporcionalidade entre a forza neta e a aceleración denomínase masa (inercial) do corpo. Estas dúas afirmacións resúmense na Lei Fundamental da Dinámica ou Segunda Lei de Newton: ∑ onde representa as forzas que actúan sobre o corpo, a súa masa e a súa aceleración.
As forzas, ao igual que as aceleracións, son magnitudes vectoriais. As magnitudes vectoriais represéntanse matematicamente mediante vectores. A suma na Segunda Lei de Newton é, polo tanto, unha suma vectorial.
Posto que as forzas soamente modifican o estado de movemento dun corpo, para que un corpo se mova non é necesario que actúe sobre el unha forza. As forzas só son necesarias para pór en movemento un corpo que está inmóbil ou para alterar a velocidade dun que está en movemento. Un corpo en movemento sobre o que non actúa ningunha forza seguirá movéndose en liña recta e a velocidade constante indefinidamente. Este feito foi recollido en forma de lei por primeira vez por Newton, na chamada Lei da Inercia ou Primeira Lei de Newton. A observación de que para manter en movemento un corpo non é necesario exercer ningunha acción sobre el era radicalmente contraria á visión clásica, defendida por Aristóteles, que postulaba que un corpo sobre o que non se exercía ningunha influencia sempre terminaba por se deter. O cambio conceptual recollido na Lei da Inercia e o concepto de forza constituíu o punto de partida do desenvolvemento da dinámica moderna e, con ela, da física que hoxe coñecemos.
No Sistema Internacional de Unidades, a unidade de medida de forza é o newton que se representa co símbolo N, nomeada así en recoñecemento a Isaac Newton pola súa achega á física, especialmente á mecánica clásica. O newton é unha unidade derivada do Sistema Internacional de Unidades que se define como a forza necesaria para proporcionar unha aceleración de 1 m/s² a un obxecto de 1 kg de masa.
O concepto de forza non debe confundirse cos de esforzo ou de enerxía. O aparato que permite medir forzas denomínase dinamómetro.
Distintos aspectos da forza A forza é un modelo matemático de intensidade das interaccións, xunto coa enerxía. Así, por exemplo, a forza gravitacional é a atracción entre os corpos que teñen masa, o peso é a atracción que a Terra exerce sobre os obxectos nas proximidades da súa superficie, a forza elástica é o pulo ou tensión que exerce un resorte comprimido ou estirado, respectivamente etc. En física, hai dous tipos de ecuacións de forza: as "de causas", nas cales se especifica a orixe da atracción ou repulsión como, por exemplo, a lei da gravitación universal de Newton ou a lei de Coulomb; e as "de efectos", as cales son, fundamentalmente, formas da segunda lei de Newton.
A forza é unha magnitude física de carácter vectorial capaz de deformar os corpos (efecto estático), modificar a súa velocidade ou vencer a súa inercia, e poñelos en movemento se estaban inmóbiles (efecto dinámico). Neste sentido, a forza pode definirse como toda acción ou influencia capaz de modificar o estado de movemento ou de repouso dun corpo (imprimíndolle unha aceleración que modifica o módulo ou a dirección da súa velocidade).
Comunmente referímonos á forza aplicada sobre un obxecto sen ter en conta ao outro obxecto u obxectos cos que está interactuando, e que experimentarán, á súa vez, outras forzas. Actualmente, cabe definir a forza como un ente fisicomatemático, de carácter vectorial, asociado coa interacción do corpo con outros corpos que constitúen a súa contorna.
Historia miniatura|200px|Busto de Arquímedes. O concepto de forza describiuno orixinariamente Arquímedes, se ben unicamente en termos estáticos. Arquímedes e outros creron que o "estado natural" dos obxectos materiais na esfera terrestre era o repouso e que os corpos tendían, por si mesmos, cara ese estado se non se actuaba sobre eles en modo algún. De acordo con Aristóteles, a perseveranza do movemento requiría sempre unha causa eficiente (algo que parece concordar coa experiencia cotiá, onde as forzas de fricción poden pasar desapercibidas).
Galileo Galilei (1564-1642) sería o primeiro en dar unha definición dinámica de forza, oposta á de Arquímedes, establecendo claramente a lei da inercia, afirmando que un corpo sobre o que non actúa ningunha forza permanece en movemento inalterado. Esta lei, que refuta a tese de Arquímedes, aínda hoxe en día non resulta obvia para a maioría das persoas sen formación científica.
Considérase que foi Isaac Newton o primeiro que formulou matematicamente a moderna definición de forza, aínda que tamén usou o termo latino vis impressa ('forza impresa') e vis motrix para outros conceptos diferentes. Ademais postulou que as forzas gravitacionais variaban segundo a lei da inversa do cadrado da distancia.
En 1784, Charles Coulomb foi o primeiro que comprobou que a interacción entre cargas eléctricas ou electrónicas puntuais tamén varía segundo a lei da inversa do cadrado da distancia.
En 1798, Henry Cavendish logrou medir experimentalmente a forza de atracción gravitacional entre dúas masas pequenas utilizando unha balanza de torsión, grazas ao cal puido determinar o valor da constante da gravitación universal, que lle permitiu calcular a masa da Terra.
Co desenvolvemento da electrodinámica cuántica, a mediados do século XX, constatouse que a "forza" era unha magnitude puramente macroscópica xurdida da conservación do momento lineal ou cantidade de movemento para partículas elementais. Por esta razón, as chamadas forzas fundamentais adoitan denominarse "interaccións fundamentais".
Natureza vectorial das forzas A forza, ao igual que a velocidade ou a aceleración, é unha magnitude vectorial, que se caracteriza por ter: Módulo. Número positivo que indica a intensidade da forza. Dirección. Coincide coa da recta sobre a cal actúa. Sentido. Indica a súa orientación sobre a recta na que actúa. Punto de aplicación. Indica o punto no cal se aplica a forza.
Forza na mecánica newtoniana A forza pódese definir a partir da derivada temporal do momento linear:
Se a masa permanece constante, pódese escribir:
onde m é a masa e a a aceleración, que é a expresión tradicional da segunda lei de Newton. No caso da estática, onde non existen aceleracións, as forzas actuantes poden deducirse de consideracións de equilibrio.
A ecuación é útil sobre todo para describir o movemento de partículas ou corpos cunha forma que non é relevante para o problema formulado. Pero mesmo se se trata de estudar a mecánica de sólidos ríxidos precísanse postulados adicionais para definir a velocidade angular do sólido, ou a súa aceleración angular así como a súa relación coas forzas aplicadas. Para un sistema de referencia arbitrario a ecuación debe substituírse por:W. Noll (2007): "On the concept of Force"
Onde:
Forzas de contacto e forzas a distancia Nun sentido estrito, todas as forzas naturais son forzas producidas a distancia como produto da interacción entre corpos; non obstante, dende o punto de vista macroscópico, adóitanse dividir as forzas en dos tipos xerais: Forzas de contacto, as que se dan como produto da interacción dos corpos en contacto directo; é dicir, impactando as súas superficies libres (como a forza normal). Forzas a distancia, como a forza gravitacional ou a de Coulomb entre cargas, debida á interacción entre campos (gravitacional, eléctrico etc.) e que se producen cando os corpos están separados certa distancia uns dos outros, por exemplo, o peso.
Forzas internas e de contacto thumb|150px|FN representa a forza normal exercida polo plano inclinado sobre o obxecto situado sobre el. Nos sólidos, o principio de exclusión de Pauli conduce xunto coa conservación da enerxía a que os átomos teñan os seus electróns distribuídos en capas e teñan impenetrabilidade a pesar de estar baleiros nun 99 %. A impenetrabilidade derívase de que os átomos sexan "extensos" e que os electróns das capas exteriores exerzan forzas electrostáticas de repulsión que fan que a materia sexa macroscopicamente impenetrable.
O anterior tradúcese en que dous corpos postos en contacto experimentarán superficialmente forzas resultantes normais (ou aproximadamente normais) á superficie que impedirán o solapamento das nubes electrónicas de ambos os corpos.
As forzas internas son similares ás forzas de contacto entre ambos os corpos e se ben teñen unha forma máis complicada, xa que non existe unha superficie macroscópica a través da cal se dean a superficie. A complicación tradúcese por exemplo en que as forzas internas necesitan ser modelizadas mediante un tensor de tensións en que a forza por unidade de superficie que experimenta un punto do interior depende da dirección ao longo da cal se consideren as forzas.
O anterior refírese a sólidos, nos fluídos en repouso as forzas internas dependen esencialmente da presión, e nos fluídos en movemento tamén a viscosidade pode desempeñar un papel importante.
Fricción A fricción en sólidos pode darse entre as súas superficies libres en contacto. No tratamento dos problemas mediante mecánica newtoniana, a fricción entre sólidos frecuentemente modelízase como unha forza tanxente sobre calquera dos planos do contacto entre as súas superficies, de valor proporcional á forza normal.
O rozamento entre sólido-líquido e no interior dun líquido ou un gas depende esencialmente de se o fluxo se considera laminar ou turbulento e da súa ecuación constitutiva.
Forza gravitacional (Newton) miniatura|250px|Forzas gravitacionais entre dous partículas. Na mecánica newtoniana a forza de atracción entre dúas masas, con centros de gravidade que están afastados comparados coas dimensións do corpo,Se esta condición non se cumpre a expresión resultante é diferente debido a que as zonas máis próximas entre corpos teñen unha influencia maior que as zonas máis afastadas. vén dada pola lei da gravitación universal de Newton:
Onde: é a forza que actúa sobre o corpo 2, exercida polo corpo 1. constante da gravitación universal. vector de posición relativo do corpo 2 respecto ao corpo 1. é o vector unitario dirixido dende 1 cara a 2. masas dos corpos 1 e 2.
Cando a masa dun dos corpos é moi grande en comparación coa do outro (por exemplo, se ten dimensións planetarias), a expresión anterior se transforma en outra máis simple:
Onde: é a forza dun corpo de gran masa (como un planeta ou unha estrela) sobre o corpo pequeno. é un vector unitario dirixido dende o centro do corpo de gran masa ao corpo de menor masa. é a distancia entre o centro do corpo de gran masa e o de menor masa.
Forzas de campos estacionarios Na mecánica newtoniana tamén é posible modelizar algunhas forzas constantes no tempo como campos de forza. Por exemplo a forza entre dúas cargas eléctricas inmóbiles, pode representarse adecuadamente mediante a lei de Coulomb:
Onde: é a forza exercida pola carga 1 sobre a carga 2. unha constante que dependerá do sistema de unidades para a carga. vector de posición da carga 2 respecto á carga 1. valor das cargas.