Fisica para Ciencias e Ingenieria Vol 1 Giancoli 4a Ed PDF

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ICIÓN V O L U M E N I FÍSICA A RT A CU ED para CIENCIAS e INGENIERÍA GIANCOLI Constantes fundamentales Cantidad Símbolo Valor aproximado Mejor valor actual† Rapidez de la luz en el vacío c 3.00 * 108 m s 2.99792458 * 108 m s Constante gravitacional G 6.67 * 10–11 N m2 kg 2 6.6742(10) * 10–11 N m2 kg...

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Fisica para Ciencias e Ingenieria Vol 1 Giancoli 4a Ed Adrian Cheverez Sanchez

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Física para Ciencias e Ingenieria Vol. 1 Sept ima Edición VICT OR BARRAZA CEJA Física universit aria Volumen 1 SEARS • ZEMANSKY Decimosegunda edición Decimosegunda edición D… Edward Past rana Física universit aria Paul Fernández

A RT A

CU

ICIÓN

V O L U M E N

I

FÍSICA

ED

para

CIENCIAS e INGENIERÍA

GIANCOLI

Constantes fundamentales Cantidad

Símbolo

Valor aproximado

Mejor valor actual†

Rapidez de la luz en el vacío Constante gravitacional Número de Avogadro Constante de gas

c G

3.00 * 108 m s 6.67 * 10–11 N m2 kg 2 6.02 * 1023 mol–1 8.314 J mol K = 1.99 cal mol K = 0.0821 L atm mol K 1.38 * 10–23 J K 1.60 * 10–19 C 5.67 * 10–8 W m2 K4 8.85 * 10–12 C 2 N m2 4p * 10–7 T m A 6.63 * 10–34 J s 9.11 * 10–31 kg = 0.000549 u = 0.511 MeV c2 1.6726 * 10–27 kg = 1.00728 u = 938.3 MeV c2 1.6749 * 10–27 kg = 1.008665 u = 939.6 MeV c2 1.6605 * 10–27 kg = 931.5 MeV c2

2.99792458 * 108 m s 6.6742(10) * 10–11 N m2 kg 2 6.0221415(10) * 1023 mol–1 8.314472(15) J mol K

Constante de Boltzmann Carga sobre electrón Constante de Stefan-Boltzmann Permitividad del espacio libre Permeabilidad del espacio libre Constante de Planck Masa en reposo del electrón

NA R k e

s 0

m0 h

= A1 c2m0 B

me

Masa en reposo del protón

mp

Masa en reposo del neutrón

mn

Unidad de masa atómica (1 u)

1.3806505(24) * 10–23 J K 1.60217653(14) * 10 –19 C 5.670400(40) * 10–8 W m2 K4 8.854187817 p * 10–12 C 2 N m2 1.2566370614 p * 10 –6 T m A 6.6260693(11) * 10–34 J s 9.1093826(16) * 10–31 kg = 5.4857990945(24) * 10–4 u 1.67262171(29) * 10–27 kg = 1.00727646688(13) u 1.67492728(29) * 10–27 kg = 1.00866491560(55) u 1.66053886(28) * 10–27 kg = 931.494043(80) MeV c2

†

CODATA (12/05), Peter J. Mohr y Barry N. Taylor, National Institute of Standards and Technology. Los números entre paréntesis indican incertidumbres experimentales de una desviación estándar en los dígitos finales. Los valores sin paréntesis son exactos (es decir, cantidades definidas).

Otros datos útiles

El alfabeto griego

Equivalente de Joule (1 cal) Cero absoluto (0 K) Aceleración debida a la gravedad en la superficie de la Tierra (promedio) Rapidez del sonido en el aire (20°C) Densidad del aire (seco)

4.186 J

9.80 m s2 (= g) 343 m s 1.29 kg m3

Tierra: Masa Radio (medio) Tierra: Masa Radio (medio) Sol: Masa Radio (medio) Distancia Tierra-Sol (media) Distancia Tierra-Luna (media)

5.98 * 1024 kg 6.38 * 103 km 7.35 * 1022 kg 1.74 * 103 km 1.99 * 1030 kg 6.96 * 105 km 149.6 * 106 km 384 * 103 km

–273.15°C

Alfa Beta Gamma Delta Epsilon Zeta Eta Theta Iota Kappa Lambda Mu

¢

™ ¶

a b g d ,e z h u i k l m

Nu Xi Omicron Pi Rho Sigma Tau Upsilon Phi Chi Psi Omega

ß © £ °

n j o p r s t y f, w x c v

Valores de algunos números p = 3.1415927 e = 2.7182818

12 = 1.4142136 13 = 1.7320508

ln 2 = 0.6931472 ln 10 = 2.3025851

Signos y símbolos matemáticos r = L Z 7 W 6 V

es proporcional a es igual a es aproximadamente igual a no es igual a es mayor que es mucho mayor que es menor que es mucho menor que

g x ¢x ¢x S 0 n!

log10 e = 0.4342945 1 rad = 57.2957795°

Propiedades del agua es menor que o igual a es mayor que o igual a suma de valor promedio de x cambio en x x tiende a cero

n(n - 1)(n - 2) p (1)

Densidad (4°C)

1.000 * 103 kg m3

Calor de fusión (0°C)

333 kJ kg (80 kcal kg)

Calor de vaporización (100°C) Calor específico (15°C)

2260 kJ kg (539 kcal kg) 4186 J kg C° (1.00 kcal kg C°)

Índice de refracción

1.33

Conversión de unidades (equivalentes) Longitud

Tiempo

1 in. = 2.54 cm (definición) 1 cm = 0.3937 in. 1 ft = 30.48 cm 1 m = 39.37 in. = 3.281 ft 1 mi = 5280 ft = 1.609 km 1 km = 0.6214 mi 1 milla náutica (E.U.A.) = 1.151 mi = 6076 ft = 1.852 km 1 fermi = 1 femtómetro (fm) = 10–15 m 1 angstrom (Å) = 10 –10 m = 0.1 nm 1 año-luz (a-l) (ly) = 9.461 * 1015 m 1 parsec = 3.26 ly = 3.09 * 1016 m

1 día = 8.640 * 104 s

Volumen

1 año = 3.156 * 107 s

Masa 1 unidad de masa atómica (u) = 1.6605 * 10 –27 kg

1 kg = 0.06852 slug

[1 kg tiene un peso de 2.20 lb donde g = 9.80 m!s2.]

Fuerza 1 lb = 4.448 N 1 N = 105 dina = 0.2248 lb

Energía y trabajo

1 litro (L) = 1000 mL = 1000 cm3 = 1.0 * 10–3 m3 = 1.057 cuarto (E.U.A.) = 61.02 in.3 1 gal (U.S.) = 4 cuarto (E.U.A.) = 231 in.3 = 3.785 L = 0.8327 gal (inglés) 1 cuarto (E.U.A.) = 2 pintas (E.U.A.) = 946 mL 1 pinta (inglesa) = 1.20 pintas (E.U.A.) = 568 mL

1 m3 = 35.31 ft3

1 J = 107 ergs = 0.7376 ft!lb 1 ft!lb = 1.356 J = 1.29 * 10–3 Btu = 3.24 * 10 –4 kcal 1 kcal = 4.19 * 103 J = 3.97 Btu 1 eV = 1.602 * 10–19 J 1 kWh = 3.600 * 106 J = 860 kcal 1 Btu = 1.056 * 103 J

Potencia

Rapidez 1 mi!h = 1.4667 ft!s = 1.6093 km!h = 0.4470 m!s 1 km!h = 0.2778 m!s = 0.6214 mi!h 1 ft!s = 0.3048 m!s (exacta) = 0.6818 mi!h = 1.0973 km!h 1 m!s = 3.281 ft!s = 3.600 km!h = 2.237 mi!h 1 knot = 1.151 mi!h = 0.5144 m!s

Ángulo 1 radián (rad) = 57.30° = 57°18¿ 1° = 0.01745 rad 1 rev!min (rpm) = 0.1047 rad!s

1 W = 1 J!s = 0.7376 ft!lb!s = 3.41 Btu!h 1 hp = 550 ft!lb!s = 746 W

Presión 1 atm = 1.01325 bar = 1.01325 * 105 N!m2 = 14.7 lb!in.2 = 760 torr 1 lb!in.2 = 6.895 * 103 N!m2 1 Pa = 1 N!m2 = 1.450 * 10–4 lb!in.2

Multiplicadores métricos (SI)

Unidades SI derivadas y sus abreviaturas Cantidad

Unidad

Abreviatura

Fuerza

newton

N

Energía y trabajo

joule

J

Potencia

watt

W

Presión

pascal

Pa

Frecuencia

hertz

Hz

Carga eléctrica

coulomb

C

Potencial eléctrico

volt

V

Resistencia eléctrica

ohm

"

Capacitancia

farad

F

Campo magnético

tesla

T

Flujo magnético

weber

Wb

Inductancia

henry

H

†

En términos de Unidades base†

kg!m!s2 kg!m2!s2 kg!m2!s3 kg!Am!s2 B s–1 A!s kg!m2!AA!s3 B kg!m2!AA2 !s3 B A2 !s4!Akg!m2 B kg!AA!s2 B kg!m2!AA!s2 B kg!m2!As2 !A2 B

kg = kilogramo (masa), m = metro (longitud), s = segundo (tiempo), A = ampere (corriente eléctrica).

Prefijo

Abreviatura

yotta zeta exa peta tera giga mega kilo hecto deca deci centi mili micro nano pico femto atto zepto yocto

Y Z E P T G M k h da d c m

m n p f a z y

Valor

1024 1021 1018 1015 1012 109 106 103 102 101 10 –1 10 –2 10 –3 10 –6 10 –9 10 –12 10 –15 10 –18 10 –21 10 –24

FÍSICA para

CIENCIAS E INGENIERÍA

FÍSICA para

CIENCIAS E INGENIERÍA C U A RTA E D I C I Ó N

D O U G L A S C . G I A NCOL I

TRADUCCIÓN Ma. de Lourdes Amador Araujo Traductora profesional REVISIÓN TÉCNICA Víctor Robledo Rella División de Ingeniería y Arquitectura Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, campus Ciudad de México Francisco Ábrego Rodríguez Departamento de Física Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, campus Monterrey

Datos de catalogación bibliográfica

GIANCOLI, DOUGLAS C. Física para ciencias e ingeniería. Cuarta edición PEARSON EDUCACIÓN, México, 2008 ISBN: 978-970-26-1225-4 Área: Física Formato: 21 × 27 cm

Páginas: 632

Authorized translation from the English language edition, entitled Physics for scientists and engineers with modern physics 4th ed. by Douglas C. Giancoli published by Pearson Education, Inc., publishing as PRENTICE HALL, INC., Copyright © 2008. All rights reserved. ISBN 013-227358-6 Traducción autorizada de la edición en idioma inglés, Physics for scientists and engineers with modern physics 4ª ed., por Douglas C. Giancoli publicada por Pearson Education, Inc., publicada como PRENTICE HALL INC., Copyright © 2008. Todos los derechos reservados. Esta edición en español es la única autorizada. Edición en español Editor:

Rubén Fuerte Rivera e-mail: [email protected] Editor de desarrollo: Felipe Hernández Carrasco Supervisor de producción: José D. Hernández Garduño Edición en inglés President, ESM: Paul Corey Sponsoring Editor: Christian Botting Production Editor: Frank Weihenig, Prepare Inc. Executive Managing Editor: Kathleen Schiaparelli Art Director and Interior & Cover Designer: John Christiana Manager, Art Production: Sean Hogan Senior Development Editor: Karen Karlin Copy Editor: Jocelyn Phillips Proofreader: Marne Evans Buyer: Alan Fischer Art Production Editor: Connie Long Illustrators: Audrey Simonetti and Mark Landis Photo Researchers: Mary Teresa Giancoli and Truitt & Marshall Senior Administrative Coordinator: Trisha Tarricone Composition: Emilcomp/Prepare Inc. Photo credits appear on page A-44 which constitutes a continuation of the copyright page. CUARTA EDICIÓN, 2008 D.R. © 2008 por Pearson Educación de México, S.A. de C.V. Atlacomulco 500-5° piso Industrial Atoto 53519, Naucalpan de Juárez, Edo. de México E-mail: [email protected] 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: 970-26-1225-X ISBN 13: 978-970-26-1225-4 Impreso en México. Printed in Mexico. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 - 11 10 09 08

Contenido

3

CINEMÁTICA EN DOS O EN TRES DIMENSIONES: VECTORES

3–1 3–2 3–3

Vectores y escalares Suma de vectores: Método gráfico Resta de vectores y multiplicación de un vector por un escalar Suma de vectores por medio de componentes Vectores unitarios Cinemática vectorial Movimiento de proyectiles Resolución de problemas que implican el movimiento de un proyectil Velocidad relativa RESUMEN 74 PREGUNTAS 75 PROBLEMAS 75 ROBLEMAS GENERALES 80

3–4 3–5 3–6 3–7 3–8 3–9

4

PREFACIO A LOS ESTUDIANTES

xix xxiii

Volumen 1

4–8

1

INTRODUCCIÓN, MEDICIONES, ESTIMACIONES

1–1 1–2 1–3

La naturaleza de la ciencia 2 Modelos, teorías y leyes 2 Medición e incertidumbre; cifras significativas 3 Unidades, estándares y el sistema SI 6 Conversión de unidades 8 Orden de magnitud: Estimación rápida 9 Dimensiones y análisis dimensional 12 RESUMEN 14 PREGUNTAS 14 PROBLEMAS 14 PROBLEMAS GENERALES 16

1–4 1–5 1–6 *1–7

2 2–1 2–2 2–3 2–4 2–5 2–6 2–7 *2–8 *2–9

1

DESCRIPCIÓN DEL MOVIMIENTO: CINEMÁTICA EN UNA DIMENSIÓN 18 Marcos de referencia y desplazamiento Velocidad promedio Velocidad instantánea Aceleración Movimiento con aceleración constante Resolución de problemas Caída libre de objetos Aceleración variable; cálculo integral Análisis gráfico e integración numérica RESUMEN 43 PREGUNTAS 43 PROBLEMAS 44 PROBLEMAS GENERALES 48

4–1 4–2 4–3 4–4 4–5 4–6 4–7

DINÁMICA: LEYES DE NEWTON DEL MOVIMIENTO

51 52 52 54 55 59 59 62 64 71

83

Fuerza 84 Primera ley de Newton del movimiento 84 Masa 86 Segunda ley de Newton del movimiento 86 Tercera ley de Newton del movimiento 89 Fuerza de gravedad (peso) y fuerza normal 92 Resolución de problemas con las leyes de Newton: Diagramas de cuerpo libre 95 Resolución de problemas: Un enfoque general 102 RESUMEN 102 PREGUNTAS 103 PROBLEMAS 104 PROBLEMAS GENERALES 109

5

APLICACIONES DE LAS LEYES DE NEWTON: FRICCIÓN, MOVIMIENTO

5–1

Aplicaciones de las leyes de Newton que implican fricción 113 Movimiento circular uniforme: Cinemática 119 Dinámica del movimiento circular uniforme 122 Curvas en las carreteras: peraltadas y sin peralte 126 Movimiento circular no uniforme 128 Fuerzas dependientes de la velocidad: Arrastre y velocidad terminal 129 RESUMEN 130 PREGUNTAS 131 PROBLEMAS 132 PROBLEMAS GENERALES 136

5–2 5–3 5–4 *5–5 *5–6

CIRCULAR Y ARRASTRE

112

19 20 22 24 28 30 34 39 40

vii

6

GRAVITACIÓN Y SÍNTESIS DE NEWTON

6–1 6–2

Ley de Newton de la gravitación universal 140 Forma vectorial de la ley de Newton de la gravitación universal 143 Gravedad cerca de la superficie de la Tierra: Aplicaciones geofísicas 143 Satélites e “ingravidez” 146 Leyes de Kepler y síntesis de Newton 149 Campo gravitacional 154 Tipos de fuerzas en la naturaleza 155 El principio de equivalencia, la curvatura del espacio y los agujeros negros 155 RESUMEN 157 PREGUNTAS 157 PROBLEMAS 158 PROBLEMAS GENERALES 160

6–3 6–4 6–5 *6–6 6–7 *6–8

Fuerza

139

Desplazamiento

9

9–1 9–2 9–3 9–4

9–5 9–6 9–7 9–8 9–9 *9–10

CANTIDAD DE MOVIMIENTO LINEAL Y COLISIONES

214

Cantidad de movimiento lineal y su relación con la fuerza 215 Conservación de la cantidad de movimiento 217 Colisiones e impulso 220 Conservación de la energía y de la cantidad de movimiento lineal en colisiones 222 Colisiones elásticas en una dimensión 222 Colisiones inelásticas 225 Colisiones en dos o en tres dimensiones 227 Centro de masa (CM) 230 Centro de masa y movimiento traslacional 234 Sistemas de masa variable: propulsión de cohetes 236 RESUMEN 239 PREGUNTAS 239 PROBLEMAS 240 PROBLEMAS GENERALES 245

10 M

OVIMIENTO ROTACIONAL

248

10–1 10–2

7 7–1 7–2 7–3 7–4

8 8–1 8–2 8–3 8–4 8–5 8–6 8–7 8–8 *8–9

viii

TRABAJO Y ENERGÍA

163

Trabajo realizado por una fuerza constante 164 Producto escalar de dos vectores 167 Trabajo efectuado por una fuerza variable 168 Energía cinética y el principio del trabajo y la energía 172 RESUMEN 176 PREGUNTAS 177 PROBLEMAS 177 PROBLEMAS GENERALES 180

CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA 183 Fuerzas conservativas y fuerzas no conservativas 184 Energía potencial 186 Energía mecánica y su conservación 189 Resolución de problemas usando la conservación de la energía mecánica 190 La ley de la conservación de la energía 196 Conservación de la energía con fuerzas disipativas: Resolución de problemas 197 Energía potencial gravitacional y velocidad de escape 199 Potencia 201 Diagramas de energía potencial; equilibrio estable y equilibrio inestable 204 RESUMEN 205 PREGUNTAS 205 PROBLEMAS 207 PROBLEMAS GENERALES 211 CONTENIDO

Cantidades angulares 249 Naturaleza vectorial de las cantidades angulares 254 10–3 Aceleración angular constante 255 10–4 Torca 256 10–5 Dinámica rotacional: Torca e inercia rotacional 258 10–6 Resolución de problemas de dinámica rotacional 260 10–7 Determinación de momentos de inercia 263 10–8 Energía cinética rotacional 265 10–9 Movimiento rotacional más traslacional: Rodamiento 267 *10–10 ¿Por qué desacelera una esfera rodante? 273 RESUMEN 274 PREGUNTAS 275 PROBLEMAS 276 PROBLEMAS GENERALES 281

11

CANTIDAD DE MOVIMIENTO ANGULAR: ROTACIÓN GENERAL

11–1

284

Cantidad de movimiento angular: objetos que giran en torno a un eje fijo 11–2 Producto cruz vectorial: Torca como vector 11–3 Cantidad de movimiento angular de una partícula 11–4 Cantidad de movimiento angular y torca para un sistema de partículas: movimiento general 11–5 Cantidad de movimiento angular y torca para un cuerpo rígido 11–6 Conservación de la cantidad de movimiento angular *11–7 El trompo y el giroscopio *11–8 Marcos de referencia en rotación: fuerzas inerciales *11–9 El efecto Coriolis RESUMEN 302 PREGUNTAS 303 PROBLEMAS 303 PROBLEMAS GENERALES

308

285 289 291 292 294 297 299 300 301

14 O

369

SCILACIONES

14–1 14–2 14–3 14–4 14–5 *14–6 14–7 14–8

12 EE

QUILIBRIO ESTÁTICO: LASTICIDAD Y FRACTURA

12–1 12–2 12–3 12–4 12–5 *12–6 *12–7

Las condiciones para el equilibrio 312 Resolución de problemas de estática 313 Estabilidad y equilibrio 317 Elasticidad: Esfuerzo y deformación unitaria 318 Fractura 322 Armaduras y puentes 324 Arcos y domos 327 RESUMEN 329 PREGUNTAS 329 PROBLEMAS 330 PROBLEMAS GENERALES 334

13 F

LUIDOS

13–1 13–2 13–3 13–4 13–5 13–6 13–7 13–8 13–9 13–10 *13–11 *13–12 *13–13 *13–14

311

339

Fases de la materia 340 Densidad y gravedad específica 340 Presión en fluidos 341 Presión atmosférica y presión manométrica 345 Principio de Pascal 346 Medición de la presión: Manómetros y barómetros 346 Flotación y el principio de Arquímedes 348 Fluidos en movimiento; tasa de flujo y la ecuación de continuidad 352 Ecuación de Bernoulli 354 Aplicaciones del principio de Bernoulli: Torricelli, aviones, pelotas de béisbol y ataque isquémico transitorio 356 Viscosidad 358 Flujo en tubos: Ecuación de Poiseuille, flujo sanguíneo 358 Tensión superficial y capilaridad 359 Las bombas y el corazón 361 RESUMEN 361 PREGUNTAS 362 PROBLEMAS 363 PROBLEMAS GENERALES 367

Oscilaciones de un resorte 370 Movimiento armónico simple 372 Energía en el oscilador armónico simple 377 Movimiento armónico simple relacionado con movimiento circular uniforme 379 El péndulo simple 379 El péndulo físico y el péndulo de torsión 381 Movimiento armónico amortiguado 382 Oscilaciones forzadas: resonancia 385 RESUMEN 387 PREGUNTAS 388 PROBLEMAS 388 PROBLEMAS GENERALES 392

15 M

OVIMIENTO ONDULATORIO

395

15–1 15–2

Características del movimiento ondulatorio 396 Tipos de ondas: Transversales y longitudinales 398 15–3 Energía transportada por las ondas 402 15–4 Representación matemática de una onda viajera 404 *15–5 La ecuación de onda 406 15–6 El principio de superposición 408 15–7 Reflexión y transmisión 409 15–8 Interferencia 410 15–9 Ondas estacionarias: Resonancia 412 *15–10 Refracción 415 *15–11 Difracción 416 RESUMEN 417 PREGUNTAS 417 PROBLEMAS 418 PROBLEMAS GENERALES 422

16 S

ONIDO

16–1 16–2 16–3 16–4 *16–5 16–6 16–7 *16–8 *16–9

424

Características del sonido 425 Representación matemática de ondas longitudinales 426 Intensidad del sonido: decibeles 427 Fuentes del sonido: Cuerdas vibrantes y columnas de aire 431 Calidad del sonido y ruido: Superposición 436 Interferencia de las ondas de sonido: Pulsos 437 El efecto Doppler 439 Ondas de choque y el estampido sónico 443 Aplicac...