Fisica para ciencias e ingenieria Vol. 1 Bauer-Westfall PDF

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Fisica para ciencias e ingenieria Vol. 1 Bauer-Westfall CASTRO HERNANDEZ JESUS SEBASTIAN

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Bauer. Física para ingeniería y ciencias Alejandra González Fisica para ingenieria y ciencias - Bauer Vol. manuela cano Física, 6t a Edición - Jerry D. Wilson, Ant hony J. Buffa y Bo Lou franki vallejo

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Física

para ingeniería y ciencias

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Física para ingeniería y ciencias

volumen 1

Revisión técnica Jorge Álvarez Díaz Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, Campus Cuernavaca, México Enrique Adelaido Bravo Medina Universidad Nacional Autónoma de México Ángel de Andrea González Universidad Carlos III, Madrid, España Carlos Gutiérrez Aranzeta Instituto Politécnico Nacional, México Joel Ibarra Escutia Instituto Tecnológico de Toluca Adolfo Finck Pastrana Universidad Iberoamericana, Ciudad de México Misael Flores Rosas Instituto Politécnico Nacional, México Antonio Gen Mora Universidad Iberoamericana, Ciudad de México Wendi Olga López Yépez Universidad Nacional Autónoma de México Miguel Ángel Pascual Iglesias Universidad Politécnica de Madrid, España Mauro Ricardo Pintle Monroy Instituto Politécnico Nacional, México Víctor F. Robledo Rella Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, Campus Ciudad de México Honorino Rubio García Universidad de Oviedo, España Marcela M. Villegas Garrido Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, Campus Estado de México Phillip Von Bülow Universidad Anáhuac, Campus México Norte, México

MÉXICO • BOGOTÁ • BUENOS AIRES • CARACAS • GUATEMALA • MADRID • NUEVA YORK SAN JUAN • SANTIAGO • SÃO PAULO • AUCKLAND • LONDRES • MILÁN • MONTREAL NUEVA DELHI • SAN FRANCISCO • SINGAPUR • ST. LOUIS • SIDNEY • TORONTO

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Director Higher Education: Miguel Ángel Toledo Castellanos Editor sponsor: Pablo E. Roig Vázquez Coordinadora editorial: Marcela I. Rocha Martínez Editora de desarrollo: Ana L. Delgado Rodríguez Supervisor de producción: Zeferino García García Traducción: Sergio Sarmiento Ortega, Thomas Werner Bartenbach, Carlos Rafael Reynoso Pohlenz FÍSICA PARA INGENIERÍA Y CIENCIAS. Volumen 1 Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, por cualquier medio, sin la autorización escrita del editor.

DERECHOS RESERVADOS © 2011 respecto a la primera edición en español por McGRAW-HILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE C.V. A Subsidiary of The McGraw-Hill Companies, Inc. Edificio Punta Santa Fe Prolongación Paseo de la Reforma 1015, Torre A Piso 17, Colonia Desarrollo Santa Fe, Delegación Álvaro Obregón C.P. 01376, México, D.F. Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana, Reg. Núm. 736 ISBN 978-607-15-0545-3 Traducido de la primera edición de University Physics with Modern Physics by Wolfgang Bauer and Gary D. Westfall Copyright © 2011 by The McGraw-Hill Companies, Inc. All rights reserved. ISBN: 978-0-07-285736-8 1234567890

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Impreso en China

Printed in China

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3.1 Linear Momentum

Contenido breve PARTE 3: OSCILACIONES Y ONDAS

El panorama general 1

PARTE 1: MECÁNICA DE PARTÍCULAS PUNTUALES 1 2 3 4 5 6

Visión general 7 Movimiento en línea recta 35 Movimiento en dos y tres dimensiones 71 Fuerza 100 Energía cinética, trabajo y potencia 140 Energía potencial y conservación de la energía 168

7 Momento y colisiones 205

PARTE 2: OBJETOS EXTENSOS, MATERIA Y MOVIMIENTO CIRCULAR 8 9 10 11 12 13

Sistemas de partículas y objetos extensos 246 Movimiento circular 279 Rotación 312

14 Oscilaciones 455 15 Ondas 492 16 Sonido 524

PARTE 4: FÍSICA TÉRMICA 17 18 19 20

Temperatura 556 El calor y la primera ley de la termodinámica 581 Gases ideales 614 La segunda ley de la termodinámica 649

Apéndice A: Matemáticas Primer A-1 Apéndice B: Masas de isótopos, energías de enlace y vidas medias A-9 Apéndice C: Propiedades de los elementos A-19 Respuestas de problemas y preguntas seleccionadas RES-1

Equilibrio estático 354 Gravitación 381 Sólidos y fluidos 417

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Acerca de los autores Wolfgang Bauer

nació en Alemania y obtuvo un doctorado en física nuclear teórica en la Universidad de Giessen en 1987. Después de una beca de investigación posdoctoral en el California Institute of Technology, fue nombrado catedrático de la Michigan State University en 1988. Ha trabajado en una gran variedad de temas de física computacional, desde la superconductividad a alta temperatura hasta las explosiones de supernovas; pero se ha interesado especialmente en colisiones nucleares relativistas. Quizás es más conocido por su trabajo sobre transiciones de fase de la materia nuclear en colisiones de iones pesados. En años recientes, el doctor Bauer ha enfocado gran parte de su investigación y de su cátedra en temas relativos a la energía, incluyendo fuentes de combustibles fósiles, modos de usar más eficientemente la energía y, especialmente, fuentes de energía alternativas y neutras al carbono. Actualmente trabaja como presidente del departamento de Física y Astronomía, así como director del Institute for Cyber-Enabled Research.

Gary D. Westfall

comenzó su carrera en el Center for Nuclear Studies de la Universidad de Texas en Austin, donde hizo su doctorado en física nuclear experimental en 1975. De ahí se trasladó al Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), en Berkeley, California, para llevar a cabo su trabajo posdoctoral en física nuclear de alta energía, y luego permaneció como científico de cátedra. Mientras estuvo en el LBNL, el doctor Westfall fue conocido internacionalmente por su trabajo sobre el modelo nuclear de bola de fuego y el uso de la fragmentación para producir núcleos lejos de la estabilidad. En 1981, el doctor Westfall ingresó al National Superconducting Cyclotron Laboratory (NSCL) en la Michigan State University (MSU), como profesor investigador; ahí concibió, construyó y operó el detector MSU 4π. Su investigación basada en el uso del detector 4p produjo información acerca de la respuesta de la materia nuclear cuando se le comprime en un colapso de supernova. En 1987, el doctor Westfall ingresó al Departamento de Física y Astronomía de la MSU como profesor asociado, mientras continuaba llevando a cabo su investigación en el NSCL. En 1994, el doctor Westfall ingresó a la STAR Collaboration, que actualmente lleva a cabo experimentos en el Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) en el Brookhaven National Laboratory, en Long Island, Nueva York.

La asociación Westfall-Bauer Los doctores Bauer y Westfall han colaborado en la

investigación de física nuclear y en investigación física educativa durante más de dos décadas. La asociación comenzó en 1988, cuando ambos autores dieron conferencias en la misma convención y decidieron ir a esquiar juntos después de la sesión. En esa ocasión, Westfall contrató a Bauer para unirse como catedrático en la Michigan State University (en parte amenazándolo con empujarlo del teleférico si se rehusaba). Obtuvieron fondos de NSF para desarrollar nuevas técnicas de enseñanza y de laboratorio, hicieron CD multimedios de física para sus estudiantes en la Lyman Briggs School, y coescribieron un libro de texto en CD-ROM llamado cliXX Physik. En 1992, fueron de los primeros en adoptar la internet para enseñar y aprender, desarrollando la primera versión de su sistema on-line para tareas en casa. En años subsiguientes, participaron en la creación del LearningOnline Network con CAPA, que se usa ahora en más de 70 universidades y escuelas superiores en Estados Unidos y en otras partes del mundo. Desde 2008, Bauer y Westfall han sido parte de un equipo de profesores, ingenieros y físicos que investigan el uso de la enseñanza asistida por compañeros en el programa de física introductoria. Este proyecto ha recibido financiamiento del Programa de Expansión de Talentos de NSF STEM, y sus mejores prácticas se han incorporado en este libro de texto.

Dedicatoria

Este libro está dedicado a nuestras familias. Sin su paciencia, aliento y apoyo, no podríamos haberlo terminado. vi

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Nota de los autores física

La es una ciencia floreciente, animada por el reto de cambio intelectual, y presenta innumerables problemas de investigación sobre temas que van desde las más grandes galaxias hasta las más pequeñas partículas subatómicas. Los físicos han logrado aportar a nuestro mundo entendimiento, orden, congruencia y predictibilidad, y continuarán con este cometido en el futuro. Sin embargo, cuando abrimos la mayoría de los libros de texto de introducción a la física, encontramos otra historia. La física se presenta como una ciencia terminada en la que los principales progresos sucedieron en el tiempo de Newton, o quizás a principios del siglo xx. Sólo hacia el final de los libros de texto convencionales se cubre la “física moderna”, e incluso esta cobertura a menudo incluye únicamente descubrimientos realizados hasta la década de 1960. Nuestra motivación principal para escribir este libro es cambiar esta percepción entretejiendo de manera adecuada la apasionante física contemporánea en todo el texto. La física es una disciplina estimulante y dinámica, que está continuamente en la frontera de nuevos descubrimientos y aplicaciones que cambian la vida. Para ayudar a los estudiantes a percibir esto, necesitamos contar toda la emocionante historia de nuestra ciencia integrando adecuadamente la física contemporánea dentro del curso de primer año, basado en el cálculo. Tan sólo el primer semestre ofrece muchas oportunidades para hacer esto, al vincular resultados de la investigación física en dinámica no lineal, caos, complejidad y alta energía, en el programa introductorio. Como estamos realizando investigación de manera activa en este campo, sabemos que muchos de los resultados de vanguardia están accesibles en su esencia para el estudiante de primer año. Autores en muchos otros campos, tales como la biología y la química, ya incorporan la investigación contemporánea en sus libros de texto, y reconocen los cambios sustanciales que están afectando los fundamentos de sus disciplinas. Esta integración de la investigación contemporánea da a los estudiantes la impresión de que la biología y la química son lo último en emprendimientos de investigación. Los fundamentos de la física, por otro lado, descansan en terreno mucho más firme; pero los nuevos avances son igualmente intrigantes y apasionantes, si no es que más. Necesitamos encontrar una manera de compartir con nuestros estudiantes los avances en la física. Creemos que hablar acerca del amplio tema de la energía ofrece un gran aliciente introductorio para captar el interés de los estudiantes. Los conceptos de fuentes de energía (fósil, renovable, nuclear, etc.), eficiencia energética, fuentes alternativas de energía y efectos ambientales de las decisiones de suministro de energía (calentamiento global) son mucho más accesibles en el nivel de física introductoria. Constatamos que los temas de energía detonan el interés de nuestros estudiantes como ningún otro tema actual, y hemos tratado diferentes aspectos de energía en todo nuestro libro. Además de estar expuesto al estimulante mundo de la física, los estudiantes se benefician en gran medida al obtener la capacidad de resolver problemas y pensar lógicamente acerca de una situación. La física se basa en un conjunto central de ideas que es fundamental para toda la ciencia. Reconocemos esto y proporcionamos un útil método de resolución de problemas (descrito en el capítulo 1) que se usa en todo el libro. Este método de resolución de problemas se basa en un formato de pasos múltiples que ambos hemos desarrollado con los estudiantes en nuestras clases. Considerando todo esto, y junto al deseo de escribir un libro de texto cautivante, hemos creado lo que esperamos que sea una herramienta que capte la imaginación de los estudiantes y los prepare para cursos futuros en los campos que elijan (con la esperanza, lo reconocemos, de convencer en el camino por lo menos a unos pocos estudiantes para que estudien física como carrera). Fue de gran ayuda en este enorme trabajo contar con la realimentación de más de 300 personas, incluyendo un consejo de asesores, varios colaboradores, revisores de manuscritos y participantes en grupos de enfoque, como también lo fueron las pruebas de campo de nuestras ideas con aproximadamente 4 000 estudiantes en nuestras clases introductorias de física en la Michigan State University. ¡Gracias a todos! —Wolfgang Bauer y Gary D. Westfall vii

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Contenido Prefacio xi Desarrollo de 360° xix Agradecimientos xxiii Lo que hemos aprendido/Guía de estudio para examen 87 Preguntas de opción múltiple/Preguntas/Problemas 92

El panorama general 1

PARTE 1: MECÁNICA DE PARTÍCULAS PUNTUALES

1

4

4.1 4.2

Tipos de fuerzas 101 Vector de fuerza gravitacional, peso y masa 103 4.3 Fuerza neta 105 4.4 Leyes de Newton 106 4.5 Cuerdas y poleas 109 4.6 Aplicación de las leyes de Newton 112 4.7 Fuerza de fricción 118 4.8 Aplicaciones de la fuerza de fricción 123 Lo que hemos aprendido/Guía de estudio para examen 126 Preguntas de opción múltiple/Preguntas/Problemas 132

Visión general 7 1.1 ¿Por qué estudiar física? 8 1.2 Trabajo con números 9 1.3 Sistema de unidades SI 11 1.4 Las escalas de nuestro mundo 14 1.5 Estrategia general para resolución de problemas 16 1.6 Vectores 23 Lo que hemos aprendido/Guía de estudio para examen 28 Preguntas de opción múltiple/Preguntas/Problemas 30

2

5

Movimiento en línea recta 35 2.1 2.2

Introducción a la cinemática 36 Vector de posición, vector de desplazamiento y distancia 36 2.3 Vector velocidad, velocidad media y rapidez 40 2.4 Vector de aceleración 43 2.5 Soluciones en computadora y fórmulas de diferencia 44 2.6 Determinación del desplazamiento y la velocidad a partir de la aceleración 46 2.7 Movimiento con aceleración constante 47 2.8 Reducción de movimiento en más de una dimensión a una dimensión 56 Lo que hemos aprendido/Guía de estudio para examen 59 Preguntas de opción múltiple/Preguntas/Problemas 64

3

Movimiento en dos y tres dimensiones 71 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6

Sistemas de coordenadas tridimensionales 72 Velocidad y aceleración en un plano 73 Movimiento ideal de proyectil 74 Altura máxima y alcance de un proyectil 78 Movimiento realista de proyectil 83 Movimiento relativo 84

Fuerza 100

Energía cinética, trabajo y potencia 140 5.1 La energía en nuestra vida diaria 141 5.2 Energía cinética 143 5.3 Trabajo 145 5.4 Trabajo realizado por una fuerza constante 145 5.5 Trabajo realizado por una fuerza variable 152 5.6 Fuerza de resorte 153 5.7 Potencia 157 Lo que hemos aprendido/Guía de estudio para examen 159 Preguntas de opción múltiple/Preguntas/Problemas 164

6

Energía potencial y conservación de la energía 168 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7

Energía potencial 169 Fuerzas conservativas y no conservativas 171 Trabajo y energía potencial 173 Energía potencial y fuerza 174 Conservación de la energía mecánica 177 Trabajo y energía para la fuerza de resorte 181 Fuerzas no conservativas y el teorema del trabajo y la energía 186 6.8 Energía potencial y estabilidad 190 Lo que hemos aprendido/Guía de estudio para examen 192 Preguntas de opción múltiple/Preguntas/Problemas 198

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Contenido

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Lo que hemos aprendido/Guía de estudio para examen 370 Preguntas de opción múltiple/Preguntas/Problemas 373

Momento y colisiones 205 7.1 Momento lineal 206 7.2 Impulso 208 7.3 Conservación del momento lineal 210 7.4 Colisiones elásticas en una dimensión 212 7.5 Colisiones elásticas en dos o tres dimensiones 216 7.6 Colisiones totalmente inelásticas 220 7.7 Colisiones parcialmente inelélasticas 227 7.8 El billar y el caos 228 Lo que hemos aprendido/Guía de estudio para examen 229 Preguntas de opción múltiple/Preguntas/Problemas 235

PARTE 2: OBJETOS EXTENSOS, MATERIA Y MOVIMIENTO CIRCULAR

8

12

La ley de gravitación de Newton 382 Gravitación cerca de la superficie terrestre 387 12.3 Gravitación dentro de la Tierra 389 12.4 Energía potencial gravitacional 391 12.5 Las leyes de Kepler y el movimiento planetario 395 12.6 Órbitas satelitales 400 12.7 Materia oscura 405 Lo que hemos aprendido/Guía de estudio para examen 407 Preguntas de opción múltiple/Preguntas/Problemas 410

13

Sistemas de partículas y objetos extensos 246

Los átomos y la composición de la materia 418 13.2 Estados de la materia 420 13.3 Tensión, compresión y corte 421 13.4 Presión 425 13.5 Principio de Arquímedes 430 13.6 Movimiento de un fluido ideal 434 13.7 Viscosidad 442 13.8 Turbulencia y fronteras de la investigación en el flujo de fluidos 444 Lo que hemos aprendido/Guía de estudio para examen 445 Preguntas de opción múltiple/Preguntas/Problemas 449

Movimiento circular 279 Coordenadas polares 280 Coordenadas angulares y desplazamiento angular 281 9.3 Velocidad angular, frecuencia angular y periodo 283 9.4 Aceleración angular y centrípeta 286 9.5 Fuerza centrípeta 289 9.6 Movimiento circular y lineal 293 9.7 Más ejemplos de movimiento circular 296 Lo que hemos aprendido/Guía de estudio para examen 300 Preguntas de opción múltiple/Preguntas/Problemas 305

PARTE 3: OSCILACIONES Y ONDAS

14

Equilibrio estático 354 11.1 11.2 11.3

Condiciones del equilibrio 355 Ejemplos sobre equilibrio estático 357 Estabilidad de estructuras 366

Oscilaciones 455 14.1 Movimiento armónico simple 456 14.2 Movimiento pendular 464 14.3 Trabajo y energía en las oscilaciones armónicas 466 14.4 Movimiento armónico amortiguado 470 14.5 Movimiento armónico forzado y resonancia 477 14.6 Espacio de fase 479 14.7 Caos 480 Lo que hemos aprendido/Guía de estudio para examen 481 Preguntas de opción múltiple/Preguntas/Problemas 485

Rotación 312 10.1 Energía cinética de rotación 313 10.2 Cálculo del momento de inercia 314 10.3 Rodadura sin deslizamiento 322 10.4 Momento de torsión 326 10.5 Segunda ley de Newton para la rotación 328 10.6 Trabajo de un momento de torsión 332 10.7 Momento angular 335 10.8 Precesión 341 10.9 Momento angular cuantizado 343 Lo que hemos aprendido/Guía de estudio para examen 343 Preguntas de opción múltiple/Preguntas/Problemas 346

11

Sólidos y fluidos 417 13.1

9.1 9.2

10

Gravitación 381 12.1 12.2

8.1 Centro de masa y centro de gravedad 247 8.2 Momento del centro de masa 251 8.3 Movimiento de cohetes 256 8.4 Cálculo del centro de masa 259 Lo que hemos aprendido/Guía de estudio para examen 266 Preguntas de opción múltiple/Preguntas/Problemas 272

9

ix

15

Ondas 492 15.1 Movimiento ondulatorio 493 15.2 Osciladores acoplados 494 15.3 Descripción matemática de las ondas 495 15.4 Derivación de la ecuación de onda 498 15.5 Ondas en ...