Física - Jerry D. Wilson PDF

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Factores de conversión Masa 1 g  10 3 kg  Fuerza 1 N  0.225 lb 1 kg  10 3 g 1 lb  4.45 N 1 u  1.66  10 24 g  1.66  10 27 kg   Peso equivalente de una masa de 1 kg en 1 tonelada métrica  1000 kg la superficie terrestre  2.2 lb  9.8 N Longitud 1 nm  10 9 m  Presión 1 Pa (Nm2 )  1.45...

Description

Factores de conversión Masa

Longitud

Área

1 1 1 1

g  10 3 kg kg  10 3 g u  1.66  10 24 g  1.66  10 27 kg tonelada métrica  1000 kg

Fuerza

1 N  0.225 lb 1 lb  4.45 N Peso equivalente de una masa de 1 kg en la superficie terrestre  2.2 lb  9.8 N

1 1 1 1 1 1 1

nm  10 9 m cm  10 2 m  0.394 pulg m  10 3 km  3.28 ft  39.4 pulg km  10 3 m  0.621 mi pulg  2.54 cm  2.54  10 2 m ft  0.305 m  30.5 cm mi  5280 ft  1609 m  1.609 km

Presión

1 Pa (Nm2 )  1.45  10 4 lbpulg2  7.5  10 3 torr (mm Hg) 1 torr (mm Hg)  133 Pa (Nm2 )  0.02 lbpulg2 1 atm  14.7 lbpulg2  1.013  10 5 Nm2  30 pulg Hg  76 cm Hg 1 lbpulg2  6.90  10 3 Pa (Nm2 ) 1 bar  10 5 Pa 1 milibar  10 2 Pa













1 cm2  10 4 m2  0.1550 pulg2  1.08  10 3 ft2 1 m2  10 4 cm2  10.76 ft 2  1550 pulg2 1 pulg2  6.94  10 3 ft 2  6.45 cm2  6.45  10 4 m2 1 ft 2  144 pulg2  9.29  10 2 m2  929 cm2











Energía

1 J  0.738 ftlb  0.239 cal  9.48  10 4 Btu  6.24  10 18 eV 1 kcal  4186 J  3.968 Btu 1 Btu  1055 J  778 ftlb  0.252 kcal 1 cal  4.186 J  3.97  10 3 Btu  3.09 ftlb 1 ftlb  1.36 J  1.29  10 3 Btu 1 eV  1.60  10 19 J 1 kWh  3.6  10 6 J 









Volumen

1 cm3  10 6 m3  3.53  10 5 ft 3  6.10  10 2 pulg3 1 m3  10 6 cm3  10 3 L  35.3 ft 3  6.10  10 4 pulg3  264 gal 1 litro  10 3 cm3  10 3 m3  1.056 ct  0.264 gal = 0.035 3 ft 3 1 pulg3  5.79  10 4 ft 3  16.4 cm3  1.64  10 5 m3 1 ft 3  1728 pulg3  7.48 gal  0.0283 m3  28.3 L 1 ct  2 pt  946 cm3  0.946 L 1 gal  4 ct  231 pulg3  0.134 ft 3  3.785 L 











Potencia



Ángulo

Rapidez

1 h  60 min  3600 s 1 día  24 h  1440 min  8.64  10 4 s 1 año  365 días  8.76  10 3 h  5.26  10 5 min  3.16  10 7 s 1 rad  57.3° 1°  0.0175 rad 60°  p3 rad 15°  p12 rad 90°  p2 rad 30°  p6 rad 180°  p rad 45°  p4 rad 360°  2p rad 1 revmin  (p30) rads  0.1047 rads 1 ms  3.60 kmh  3.28 fts  2.24 mih 1 kmh  0.278 ms  0.621 mih  0.911 fts 1 fts  0.682 mih  0.305 ms  1.10 kmh 1 mih  1.467 fts  1.609 kmh  0.447 ms 60 mih  88 fts







Tiempo

1 W  0.738 ftlbs  1.34  10 3 hp  3.41 Btuh 1 ftlbs  1.36 W  1.82  10 3 hp 1 hp  550 ftlbs  745.7 W  2545 Btuh

Equivalentes 1 u  1.66  10 27 kg 4 931.5 MeV masa-energía 1 masa de electrón  9.11  10 31 kg  5.49  10 4 u 4 0.511 MeV 1 masa de protón  1.672 62  10 27 kg  1.007 276 u 4 938.27 MeV 1 masa de neutrón  1.674 93  10 27 kg  1.008 665 u 4 939.57 MeV 









Temperatura

TF  95 TC  32 TC  59 (TF  32) TK  TC  273

Fuerza cgs

1 dina  10 5 N  2.25  10 6 lb

Energía cgs

1 erg  10 7 J  7.38  10 6 ftlb









SEXTA EDICIÓN

FÍSICA

SEXTA EDICIÓN

FÍSICA Jerry D. Wilson Lander University Greenwood, SC

Anthony J. Buffa California Polytechnic State University San Luis Obispo, CA

Bo Lou Ferris State University Big Rapids, MI

TRADUCCIÓN Ma. de Lourdes Amador Araujo Traductora profesional

REVISIÓN TÉCNICA Alberto Lima Sánchez Preparatoria de la Universidad La Salle

Datos de catalogación bibliográfica WILSON, JERRY; ANTHONY J. BUFA; BO LOU Física. Sexta edición PEARSON EDUCACIÓN, México, 2007 ISBN: 978-970-26-0851-6 Formato: 21  27 cm

Páginas: 912

Authorized translation from the English Language edition, entitled College Physics, Sixth Edition by Jerry D. Wilson, Anthony J. Buffa and Bo Lou, published by Pearson Education Inc., publishing as PRENTICE HALL INC., Copyright © 2007. All rights reserved. ISBN 0-13-149579-8 Versión en español de la obra titulada College Physics, Sexta edición, de Jerry D. Wilson, Anthony J. Buffa y Bo Lou, publicada originalmente en inglés por Pearson Education Inc., publicada como PRENTICE HALL INC., Copyright © 2007. Todos los derechos reservados. Esta edición en español es la única autorizada. Edición en español Editor: Enrique Quintanar Duarte e-mail: [email protected] Editor de desarrollo: Felipe Hernández Carrasco Supervisor de producción: Enrique Trejo Hernández Edición en inglés Senior Editor: Erik Fahlgren Associate Editor: Christian Botting Editor in Chief, Science: Dan Kaveney Executive Managing Editor: Kathleen Schiaparelli Assistant Managing Editor: Beth Sweeten Manufacturing Buyer: Alan Fischer Manufacturing Manager: Alexis Heydt-Long Director of Creative Services: Paul Belfanti Creative Director: Juan López Art Director: Heather Scott Director of Marketing, Science: Patrick Lynch Media Editor: Michael J. Richards Senior Managing Editor, Art Production and Management: Patricia Burns Manager, Production Technologies: Matthew Haas

Managing Editor, Art Management: Abigail Bass Art Editor: Eric Day Art Studio: ArtWorks Image Coordinator: Cathy Mazzucca Mgr Rights & Permissions: Zina Arabia Photo Researchers: Alexandra Truitt & Jerry Marshall Research Manager: Beth Brenzel Interior and Cover Design: Tamara Newnam Cover Image: Greg Epperson/Index Stock Imagery Managing Editor, Science Media: Nicole Jackson Media Production Editors: William Wells, Dana Dunn Editorial Assistant: Jessica Berta Production Assistant: Nancy Bauer Production Supervision/Composition: Prepare, Inc.

SEXTA EDICIÓN, 2007 D.R. © 2007 por Pearson Educación de México, S.A. de C.V. Atlacomulco Núm. 500, 5° Piso Col. Industrial Atoto 53519, Naucalpan de Juárez, Edo. de México Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana. Reg. Núm. 1031. Prentice Hall es una marca registrada de Pearson Educación de México, S.A. de C.V. Reservados todos los derechos. Ni la totalidad ni parte de esta publicación pueden reproducirse, registrarse o transmitirse, por un sistema de recuperación de información, en ninguna forma ni por ningún medio, sea electrónico, mecánico, fotoquímico, magnético o electroóptico, por fotocopia, grabación o cualquier otro, sin permiso previo por escrito del editor. El préstamo, alquiler o cualquier otra forma de cesión de uso de este ejemplar requerirá también la autorización del editor o de sus representantes. ISBN 10: 970-26-0851-1 ISBN 13: 978-970-26-0851-6 Impreso en México. Printed in Mexico. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 - 10 09 08

acerca de los autores Jerry D. Wilson nació en Ohio y es profesor emérito de física y ex director de la División de Ciencias Físicas y Biológicas de Lander University en Greenwood, Carolina del Sur. Recibió el grado de licenciado en ciencias de la Universidad de Ohio, el grado de maestro en ciencias del Union College y, en 1970, el grado de doctor en física de la Universidad de Ohio. Obtuvo el grado de maestro en ciencias mientras trabajaba como físico especialista en el comportamiento de materiales. Cuando estudiaba el doctorado, el profesor Wilson inició su carrera docente impartiendo cursos de física. Durante ese tiempo, fue coautor de un texto de física, del que actualmente circula la undécima edición. En combinación con su carrera docente, el profesor Wilson ha continuado con su labor de escribir libros, y es autor o coautor de seis textos. Aunque actualmente se ha retirado como profesor de tiempo completo, continúa escribiendo libros y artículos. Actualmente escribe la columna titulada The Curiosity Corner, que se publica semanalmente en periódicos locales y que también se encuentra disponible en Internet.

Anthony J. Buffa recibió el grado de licenciado en ciencias físicas del Rensselaer Polytechnic Institute en Troy, Nueva York, y el grado de doctor en física de la Universidad de Illinois, en Urbana-Champaign. En 1970, el profesor Buffa se incorporó al cuerpo docente de California Polytechnic State University, en San Luis Obispo. Se retiró recientemente y ahora es maestro de medio tiempo en Cal Poly, como profesor emérito de física. Ha realizado trabajos de investigación en física nuclear en diferentes laboratorios de aceleradores de partículas, incluido el LAMPF en Los Alamos National Laboratory. Trabajó como investigador asociado en el departamento de radioanalítica durante 16 años. El principal interés del profesor Buffa sigue siendo la docencia. En el Cal Poly ha impartido cursos que van desde la introducción a la física hasta la mecánica cuántica; también desarrolló y supervisó numerosos experimentos de laboratorio e impartió cursos de física a los profesores de primaria y secundaria en los talleres organizados por la National Science Foundation (NSF). Combinando la física con su interés por el arte y la arquitectura, el doctor Buffa realiza trabajo artístico y hace sus propios dibujos, que utiliza para reforzar la efectividad de su labor en la enseñanza de la física. Además de continuar en la docencia, durante su retiro parcial, él y su esposa tratan de viajar más y esperan disfrutar de sus nietos durante mucho tiempo.

Bo Lou es profesor de física en Ferris State University en Michigan. Sus responsabilidades primordiales como docente son impartir cursos de introducción a la física y de laboratorio en el nivel de licenciatura. El profesor Lou enfatiza la importancia de la comprensión conceptual de las leyes y los principios básicos de la física y de sus aplicaciones prácticas al mundo real. También es un defensor entusiasta del uso de la tecnología en la enseñanza y el aprendizaje. El profesor Lou recibió los grados de licenciado y de maestro en ciencias en ingeniería óptica de la Universidad de Zhejiang, en China, en 1982 y 1985, respectivamente, y el grado de doctor en física en el campo de materia condensada de la Universidad Emory en 1989. El doctor Lou, su esposa Lingfei y su hija Alina residen actualmente en Big Rapids, Michigan. La familia Lou disfruta de los viajes, la naturaleza y el tenis.

vii

contenido abreviado Prefacio

XIX

Parte Uno: Mecánica 1 2 3 4 5 6

Medición y resolución de problemas

1

Cinemática: descripción del movimiento Movimiento en dos dimensiones Fuerza y movimiento Trabajo y energía

32

17 18 19 20 21

Corriente eléctrica y resistencia Circuitos eléctricos básicos Magnetismo

568

591

623

Inducción y ondas electromagnéticas Circuitos de corriente alterna

656

686

67

Parte Cinco: Óptica

103

22 Reflexión y refracción de la luz 705 23 Espejos y lentes 729 24 Óptica física: la naturaleza ondulatoria

140

Cantidad de movimiento lineal y choques 177

7 Movimiento circular y gravitacional 8 Movimiento rotacional y equilibrio 9 Sólidos y fluidos 297

216 256

de la luz

760

25 La visión y los instrumentos ópticos

792

Apéndices Parte Dos: Termodinámica 10 Temperatura y teoría cinética 11 Calor 367 12 Termodínamica 397

I Repaso de matemáticas (con ejemplos) para Física A-1

338

II Teoría cinética de los gases III Datos planetarios

Parte Tres: Oscilaciones y movimiento ondulatorio 13 Vibraciones y ondas 14 Sonido 467

IV Lista alfabética de elementos químicos

A-7

V Propiedades de isótopos seleccionados

A-7

Respuestas a los ejercicios de refuerzo

Índice

Parte Cuatro: Electricidad y magnetismo

y capacitancia

viii

536

A-6

Respuestas a los ejercicios con número impar A-17

433

15 Cargas, fuerzas y campos eléctricos 16 Potencial eléctrico, energía

A-5

505

I-1

A-10

Contenido Prefacio 1

4 FUERZA Y MOVIMIENTO

XIX

Medición y resolución de problemas 1

1.1 ¿Por qué estudiar física? 2 1.1 Por qué y cómo medimos 2 1.2 Unidades SI de longitud, masa y tiempo 3 A fondo: 1.2 ¿Qué es el tiempo? 6 1.3 Más acerca del sistema métrico 7 1.4 Análisis de unidades 10 1.5 Conversión de unidades 12 A fondo: 1.3 ¿Es importante la conversión de unidades? 16 1.6 Cifras significativas 17 1.7 Resolución de problemas 20 Repaso del capítulo 24 Ejercicios 25 A fondo:

5

2

CINEMÁTICA: DESCRIPCIÓN DEL MOVIMIENTO 32

2.1 Distancia y rapidez: cantidades escalares 33 2.2 Desplazamiento unidimensional y velocidad: cantidades vectoriales 35 APRENDER DIBUJANDO: Coordenadas cartesianas y desplazamiento unidimensional 35 2.3 Aceleración 40 APRENDER DIBUJANDO: Signos de la velocidad y la aceleración 42 2.4 Ecuaciones de cinemática (aceleración constante) 45 2.5 Caída libre 49 A fondo: 2.1 Galileo Galilei y la Torre Inclinada de Pisa 51 Repaso del capítulo 56 Ejercicios 57

3

MOVIMIENTO EN DOS DIMENSIONES

103

4.1 Los conceptos de fuerza y fuerza neta 104 4.2 Inercia y la primera ley de Newton del movimiento 105 4.3 Segunda ley de Newton del movimiento 106 A fondo: 4.1 Gravedades (g) de fuerza y efectos sobre el cuerpo humano 108 4.4 Tercera ley de Newton del movimiento 112 A fondo: 4.2 Navegando contra el viento: virada 115 4.5 Más acerca de las leyes de Newton: diagramas de cuerpo libre y equilibrio traslacional 116 APRENDER DIBUJANDO: Fuerzas sobre un objeto en un plano inclinado y diagramas de cuerpo libre 116 4.6 Fricción 121 Repaso del capítulo 130 Ejercicios 131

TRABAJO Y ENERGÍA

140

5.1 Trabajo efectuado por una fuerza constante 141 APRENDER DIBUJANDO: Trabajo: área bajo la curva de F contra x 142 APRENDER DIBUJANDO: Cómo determinar el signo del trabajo 143 5.2 Trabajo efectuado por una fuerza variable 145 5.3 El teorema trabajo-energía: energía cinética 148 5.4 Energía potencial 152 5.5 Conservación de la energía 155 A fondo: 5.1 La potencia de la gente: el uso de la energía del cuerpo 156 APRENDER DIBUJANDO: Intercambio de energía: una pelota que cae 161 5.6 Potencia 164 A fondo: 5.2 Conversión de energía híbrida 164 Repaso del capítulo 168 Ejercicios 169

6

Cantidad de movimiento lineal y choques 177 6.1 Cantidad de movimiento lineal 178 6.2 Impulso 182

67

3.1 Componentes del movimiento 68 3.2 Suma y resta de vectores 73 APRENDER DIBUJANDO: Diagrame y sume 80 3.3 Movimiento de proyectiles 81 3.4 Velocidad relativa 90 Repaso del capítulo 94 Ejercicios 95 ix

x

Contenido

6.3 Conservación de la cantidad de movimiento lineal 185 A fondo: 6.1 Las bolsas de aire del automóvil y las bolsas de aire en Marte 186 6.4 Choques elásticos e inelásticos 191 6.5 Centro de masa 198 6.6 Propulsión a chorro y cohetes 204 Repaso del capítulo 207 Ejercicios 207

7

MOVIMIENTO CIRCULAR Y GRAVITACIONAL 216

7.1 Medición angular 217 7.2 Rapidez y velocidad angulares 219 APRENDER DIBUJANDO: La aproximación de ángulo pequeño 219 7.3 Movimiento circular uniforme y aceleración centrípeta 223 A fondo: 7.1 La centrífuga: separación de componentes de la sangre 225 7.4 Aceleración angular 228 7.5 Ley de la gravitación de Newton 231 A fondo: 7.2 Exploración espacial: ayuda de la gravedad 238 7.6 Leyes de Kepler y satélites terrestres 238 A fondo: 7.3 “Ingravidez”: efectos sobre el cuerpo humano 245 Repaso del capítulo 247 Ejercicios 248

8

MOVIMIENTO ROTACIONAL Y EQUILIBRIO 256

8.1 Cuerpos rígidos, traslaciones y rotaciones 257 8.2 Momento de fuerza, equilibrio y estabilidad 259 8.3 Dinámica rotacional 270 A fondo: 8.1 Estabilidad en acción 271 8.4 Trabajo rotacional y energía cinética 277 8.5 Cantidad de movimiento angular 280 A fondo: 8.2 ¿Resbalar o rodar hasta parar? Frenos antibloqueo 281 Repaso del capítulo 287 Ejercicios 288

9

SÓLIDOS Y FLUIDOS

297

9.1 Sólidos y módulos de elasticidad 298 9.2 Fluidos: presión y el principio de Pascal 302 A fondo: 9.1 La osteoporosis y la densidad mineral ósea (DMO) 304 A fondo: 9.2 Un efecto atmosférico: posible dolor de oído 311 A fondo: 9.3 Medición de la presión arterial 312 9.3 Flotabilidad y el principio de Arquímedes 313 9.4 Dinámica de fluidos y ecuación de Bernoulli 319 *9.5 Tensión superficial, viscosidad y ley de Poiseuille 324 A fondo: 9.4 Los pulmones y el primer aliento del bebé 325 Repaso del capítulo 329 Ejercicios 330

10 Temperatura y teoría cinética

338

10.1 Temperatura y calor 339 10.2 Las escalas de temperatura Celsius y Fahrenheit 340 A fondo: 10.1 Temperatura del cuerpo humano 343 10.3 Leyes de los gases, temperatura absoluta y la escala de temperatura Kelvin 343 A fondo: 10.2 Sangre caliente contra sangre fría 344 10.4 Expansión térmica 350 APRENDER DIBUJANDO: Expansión térmica de área 351 10.5 La teoría cinética de los gases 354 A fondo: 10.3 Difusión fisiológica en procesos vitales 357 *10.6 Teoría cinética, gases diatómicos y teorema de equipartición 357 Repaso del capítulo 360 Ejercicios 361

11 calor

367

11.1 Definición y unidades de calor 368 11.2 Calor específico y calorimetría 370 11.3 Cambios de fase y calor latente 374 APRENDER DIBUJANDO: De hielo frío a vapor caliente 377 11.4 Transferencia de calor 379 A fondo: 11.1 Regulación fisiológica de la temperatura corporal 380 A fondo: 11.2 Física, la industria de la construcción y la conservación de la energía 384 A fondo: 11.3 El efecto invernadero 388 Repaso del capítulo 390 Ejercicios 391

Contenido

12 Termodinámica

397

12.1 Sistemas, estados y procesos termodinámicos 398 12.2 Primera ley de la termodinámica 399 12.3 Procesos termodinámicos para un gas ideal 403 APRENDER DIBUJANDO: Apoyarse en isotermas 409 12.4 Segunda ley de la termodinámica y entropía 410 A fondo: 12.1 Vida, orden y la segunda ley 414 12.5 Máquinas de calor y bombas térmicas 414 APRENDER DIBUJANDO: Representación del trabajo en ciclos térmicos 415 A fondo: 12.2 La termodinámica y el cuerpo humano 420 12.6 Ciclo de Carnot y máquinas de calor ideales 422 Repaso del capítulo 425 Ejercicios 426

13 VIBRACIONES Y ONDAS

433

13.1 Movimiento armónico simple 434 APRENDER DIBUJANDO: Oscilación en un pozo parabólico de potencia 437 13.2 Ecuaciones de movimiento 439 13.3 Movimiento ondulatorio 446 13.4 Propiedades de las ondas 449 A fondo: 13.1 Terremotos, ondas sísmicas y sismología 450 13.5 Ondas estacionarias y resonancia 454 A fondo: 13.2 Resonancias deseables e indeseables 458 Repaso del capítulo 459 Ejercicios 460

14 Sonido

xi

14.6 Instrumentos musicales y características del sonido 491 Repaso del capítulo 496 Ejercicios 498

15 Cargas, fuerzas y campos eléctricos 505 15.1 15.2 15.3 15.4

Carga eléctrica 506 Carga electrostática 508 Fuerza eléctrica 512 Campo eléctrico 517 APRENDER DIBUJANDO: Uso del principio de superposición para determinar la dirección del campo eléctrico 518 APRENDER DIBUJANDO: Trazado de líneas eléctricas de fuerza 521 A fondo: 15.1 Relámpagos y pararrayos 523 A fondo: 15.2 Campos eléctricos en las fuerzas policiacas y en la naturaleza: armas paralizantes y peces eléctricos 524 15.5 Conductores y campos eléctricos 526 *15.6 Ley de Gauss para campos eléctricos: un enfoque cualitativo 528 Repaso del capítulo 529 Ejercicios 530

16 POTENCIAL ELÉCTRICO, ENERGÍA Y CAPACITANCIA 536 16.1 Energía pote...