Fisica Universitaria Sears Zemansky 12va Edicion Vol PDF

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YOUNG • FREEDMAN SEARS • ZEMANSKY Física universitaria Volumen 1 Decimosegunda edición FACTORES DE CONVERSIÓN DE UNIDADES Longitud Aceleración 1 m 5 100 cm 5 1000 mm 5 106 mm 5 109 nm 1 m/s2 5 100 cm/s2 5 3.281 ft/s2 1 km 5 1000 m 5 0.6214 mi 1 cm/s2 5 0.01 m/s2 5 0.03281 ft/s2 1 m 5 3.281 ft 5 39.3...

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YOUNG • FREEDMAN SEARS • ZEMANSKY

Física universitaria Volumen 1

Decimosegunda edición

FACTORES DE CONVERSIÓN DE UNIDADES Longitud 1 m 5 100 cm 5 1000 mm 5 106 mm 5 109 nm 1 km 5 1000 m 5 0.6214 mi 1 m 5 3.281 ft 5 39.37 in 1 cm 5 0.3937 in 1 in. 5 2.540 cm 1 ft 5 30.48 cm 1 yd 5 91.44 cm 1 mi 5 5280 ft 5 1.609 km 1 Å 5 10210 m 5 1028 cm 5 1021 nm 1 milla náutica 5 6080 ft 1 año luz 5 9.461 3 1015 m

Área 1 cm2 5 0.155 in2 1 m2 5 104 cm2 5 10.76 ft2 1 in2 5 6.452 cm2 1 ft 5 144 in2 5 0.0929 m2

Volumen 1 litro 5 1000 cm3 5 1023 m3 5 0.03531 ft3 5 61.02 in3 1 ft3 5 0.02832 m3 5 28.32 litros 5 7.477 galones 1 galón 5 3.788 litros

Tiempo 1 min 5 60 s 1 h 5 3600 s 1 d 5 86,400 s 1 año 5 365.24 d 5 3.156 3 107 s

Ángulo 1 rad 5 57.30° 5 180°/p 1° 5 0.01745 rad 5 p/180 rad 1 revolución 5 360° 5 2p rad 1 rev/min (rpm) 5 0.1047 rad/s

Rapidez 1 m/s 5 3.281 ft/s 1 ft/s 5 0.3048 m/s 1 mi/min 5 60 mi/h 5 88 ft/s 1 km/h 5 0.2778 m/s 5 0.6214 mi/h 1 mi/h 5 1.466 ft/s 5 0.4470 m/s 5 1.609 km/h 1 furlong/14 días 5 1.662 3 1024 m/s

Aceleración 1 m/s2 5 100 cm/s2 5 3.281 ft/s2 1 cm/s2 5 0.01 m/s2 5 0.03281 ft/s2 1 ft/s2 5 0.3048 m/s2 5 30.48 cm/s2 1 mi/h # s 5 1.467 ft/s2 Masa 1 kg 5 103 g 5 0.0685 slug 1 g 5 6.85 3 1025 slug 1 slug 5 14.59 kg 1 u 5 1.661 3 10227 kg 1 kg tiene un peso de 2.205 lb cuando g 5 9.80 m>s2 Fuerza 1 N 5 105 dinas 5 0.2248 lb 1 lb 5 4.448 N 5 4.448 3 105 dinas Presión 1 Pa 5 1 N/m2 5 1.450 3 1024lb/in2 5 0.209 lb/ft2 1 bar 5 105 Pa 1 lb/in2 5 6895 Pa 1 lb/ft2 5 47.88 Pa 1 atm 5 1.013 3 105 Pa 5 1.013 bar 5 14.7 lb/in2 5 2117 lb/ft2 1 mm Hg 5 1 torr 5 133.3 Pa Energía 1 J 5 107ergs 5 0.239 cal 1 cal 5 4.186 J (con base en caloría de 15°) 1 ft # lb 5 1.356 J 1 Btu 5 1055 J 5 252 cal 5 778 ft # lb 1 eV 5 1.602 3 10219 J 1 kWh 5 3.600 3 106 J Equivalencia masa-energía 1 kg 4 8.988 3 1016 J 1 u 4 931.5 MeV 1 eV 4 1.074 3 1029 u Potencia 1 W 5 1 J/s 1 hp 5 746 W 5 550 ft # lb/s 1 Btu/h 5 0.293 W

CONSTANTES NUMÉRICAS Constantes físicas fundamentales* Nombre

Símbolo

Valor

Rapidez de la luz Magnitud de carga del electrón Constante gravitacional Constante de Planck Constante de Boltzmann Número de Avogadro Constante de los gases Masa del electrón Masa del protón Masa del neutrón Permeabilidad del espacio libre Permitividad del espacio libre

c e G h k NA R me mp mn m0 P0 5 1/m 0c 2 1/4pP0

2.99792458 3 108 m/s 1.60217653(14) 3 10219 C 6.6742(10) 3 10211 N # m2 /kg2 6.6260693(11) 3 10234 J # s 1.3806505(24) 3 10223 J/K 6.0221415(10) 3 1023 moléculas/mol 8.314472(15) J/mol # K 9.1093826(16) 3 10231 kg 1.67262171(29) 3 10227 kg 1.67492728(29) 3 10227 kg 4p 3 1027 Wb/A # m 8.854187817 c 3 10212 C2/N # m2 8.987551787 c 3 109 N # m2 /C2

Otras constante útiles Equivalente mecánico del calor Presión atmosférica estándar Cero absoluto Electrón volt Unidad de masa atómica Energía del electrón en reposo Volumen del gas ideal (0 °C y 1 atm) Aceleración debida a la gravedad (estándar)

1 atm 0K 1 eV 1u mec 2 g

4.186 J/cal (15° caloría ) 1.01325 3 105 Pa 2273.15 °C 1.60217653(14) 3 10219 J 1.66053886(28) 3 10227 kg 0.510998918(44) MeV 22.413996(39) litros/mol 9.80665 m/s2

*Fuente: National Institute of Standards and Technology (http://physics.nist.gov/cuu). Los números entre paréntesis indican incertidumbre en los dígitos finales del número principal; por ejemplo, el número 1.6454(21) significa 1.6454 6 0.0021. Los valores que no indican incertidumbre son exactos.

Datos astronómicos† Cuerpo

Masa (kg)

Sol Luna Mercurio Venus Tierra Marte Júpiter Saturno Urano Neptuno Plutón‡

1.99 7.35 3.30 4.87 5.97 6.42 1.90 5.68 8.68 1.02 1.31

†

3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3

1030 1022 1023 1024 1024 1023 1027 1026 1025 1026 1022

Radio (m) 6.96 1.74 2.44 6.05 6.38 3.40 6.91 6.03 2.56 2.48 1.15

3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3

108 106 106 106 106 106 107 107 107 107 106

Radio de la órbita (m)

Periodo de la órbita

— 3.84 5.79 1.08 1.50 2.28 7.78 1.43 2.87 4.50 5.91

— 27.3 d 88.0 d 224.7 d 365.3 d 687.0 d 11.86 y 29.45 y 84.02 y 164.8 y 247.9 y

3 3 3 3 3 3 3 3 3 3

108 1010 1011 1011 1011 1011 1012 1012 1012 1012

Fuente: NASA Jet Propulsion Laboratory Solar System Dynamics Group (http://ssd.jlp.nasa.gov) y P. Kenneth Seidelmann, ed., Explanatory Supplement to the Astronomical Almanac (University Science Books, Mill Valley, CA, 1992), pp. 704-706. Para cada cuerpo, “radio” es el radio en su ecuador y “radio de la órbita” es la distancia media desde el Sol (en el caso de los planetas) o desde la Tierra (en el caso de la Luna). ‡ En agosto de 2006 la Unión Astronómica Internacional reclasificó a Plutón y a otros pequeños objetos que giran en órbita alrededor del Sol como “planetas enanos”.

SEARS • ZEMANSKY

física unIverSitaria

ESTRATEGIAS PARA RESOLVER PROBLEMAS ESTRATEGIA PARA RESOLVER PROBLEMAS

PÁGINA

ESTRATEGIA PARA RESOLVER PROBLEMAS

PÁGINA

1.1

Cómo resolver problemas de física

3

11.1

Equilibrio de un cuerpo rígido

359

1.2

Conversiones de unidades

7

13.1

1.3

Suma de vectores

18

Movimiento armónico simple I: Descripción del movimiento

427

2.1

Movimiento con aceleración constante

51

13.2

Movimiento armónico simple II: Energía

430

3.1

Movimiento de proyectil

82

14.1

Ecuación de Bernoulli

469

15.1

Ondas mecánicas

494

15.2

Ondas estacionarias

510

16.1

Intensidad del sonido

538

16.2

Efecto Doppler

554

17.1

Expansión térmica

578

17.2

Problemas de calorimetría

589

17.3

Conducción de calor

593

18.1

Gas ideal

613

18.2

Teoría cinética molecular

623

19.1

Primera ley de la termodinámica

654

20.1

Máquinas térmicas

677

3.2

Velocidad relativa

5.1

Primera ley de Newton: Equilibrio de una partícula

137

Segunda ley de Newton: Dinámica de partículas

143

6.1

Trabajo y energía cinética

188

7.1

Problemas donde se utiliza energía mecánica I

217

5.2

92

7.2

Problemas utilizando energía mecánica II

225

8.1

Conservación del momento lineal

255

9.1

Energía rotacional

299

10.1

Dinámica rotacional de cuerpos rígidos

320

ACTIVIDADES ACTIVPHYSICS ONLINETM ONLINE

www.masteringphysics.com 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 2.1.5 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7

Análisis del movimiento con diagramas Análisis del movimiento con gráficas Predicción de un movimiento con base en gráficas Predicción de un movimiento con base en ecuaciones Estrategias para resolver problemas de cinemática Esquiador en competencia de descenso Se deja caer limonada desde un globo aerostático Los cinturones de seguridad salvan vidas Frenado con derrape Caída de un saltador con garrocha Auto arranca y luego se detiene Resolución de problemas con dos vehículos Auto alcanza a camión Cómo evitar un choque por atrás Magnitudes de fuerza Paracaidista Cambio de tensión Deslizamiento en una rampa Carrera de automóviles Levantar una caja Bajar una caja Despegue de cohete Camión que tira de una caja Empujar una caja hacia arriba contra una pared Esquiador que baja una cuesta Esquiador y cuerda de remolque Salto con garrocha Camión que tira de dos cajas Máquina de Atwood modificada Resolución de problemas de movimiento de proyectiles Dos pelotas que caen Cambio de la velocidad en x Aceleraciones x y y de proyectiles Componentes de la velocidad inicial Práctica de tiro al blanco I Práctica de tiro al blanco II

4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 6.10 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8 7.9 7.10 7.11 7.12 7.13 7.14

Magnitud de aceleración centrípeta Resolución de problemas de movimiento circular Carrito que viaja en una trayectoria circular Pelota que se balancea en una cuerda Automóvil que describe círculos en una pista Satélites en órbita Cálculos de trabajo Frenado de un elevador que asciende Frenado de un elevador que baja Salto inverso con bungee Bolos con impulso de resorte Rapidez de un esquiador Máquina de Atwood modificada Momento lineal y cambio de energía Choques y elasticidad Conservación del momento lineal y choques Problemas de choques Choque de autos: dos dimensiones Rescate de un astronauta Problemas de explosión Deslizador y carrito Péndulo que golpea una caja Péndulo persona-proyectil, boliche Cálculo de torcas Viga inclinada: torcas y equilibrio Brazos de palanca Dos pintores en una viga Conferencia desde una viga Inercia rotacional Cinemática rotacional Rotojuego: Enfoque de dinámica Escalera que cae Mujeres y elevador de volante: enfoque de dinámica Carrera entre un bloque y un disco Mujeres y elevador de volante: enfoque de energía Rotojuego: enfoque de energía La bola le pega al bate

8.1 8.2

Características de un gas Análisis conceptual de la distribución de Maxwell-Boltzmann 8.3 Análisis cuantitativo de la distribución de Maxwell-Boltzmann 8.4 Variables de estado y ley del gas ideal 8.5 Trabajo efectuado por un gas 8.6 Calor, energía térmica y primera ley de la termodinámica 8.7 Capacidad calorífica 8.8 Proceso isocórico 8.9 Proceso isobárico 8.10 Proceso isotérmico 8.11 Proceso adiabático 8.12 Proceso cíclico: estrategias 8.13 Proceso cíclico: problemas 8.14 Ciclo de Carnot 9.1 Ecuaciones y gráficas de posición 9.2 Descripción del movimiento vibratorio 9.3 Energía de vibración 9.4 Dos formas de medir la masa del joven Tarzán 9.5 Mono tira a Tarzán 9.6 Liberación de un esquiador que vibra I 9.7 Liberación de un esquiador que vibra II 9.8 Sistemas vibratorios de uno y dos resortes 9.9 Vibrojuego 9.10 Frecuencia de péndulo 9.11 Arriesgado paseo con péndulo 9.12 Péndulo físico 10.1 Propiedades de las ondas mecánicas 10.2 Rapidez de las ondas en una cuerda 10.3 Rapidez del sonido en un gas 10.4 Ondas estacionarias en cuerdas 10.5 Afinación de un instrumento de cuerda: ondas estacionarias 10.6 Masa de una cuerda y ondas estacionarias 10.7 Pulsos y frecuencia del pulso 10.8 Efecto Doppler: introducción conceptual 10.9 Efecto Doppler: problemas 10.10 Ondas complejas: análisis de Fourier

REVISIÓN TÉCNICA MÉXICO Ricardo Pintle Monroy Rafael Mata Carlos Gutiérrez Aranzeta Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica-Zacatenco

José Arturo Tar Ortiz Peralta Omar Olmos López Víctor Bustos Meter José Luis Salazar Laureles Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey Campus Toluca

Daniel Zalapa Zalapa Centro de Enseñanza Técnica Industrial Guadalajara

COSTA RICA Diego Chaverri Polini Universidad Latina de Costa Rica San José

Juan Meneses Rimola Instituto Tecnológico de Costa Rica Cartago

Randall Figueroa Mata Universidad Hispanoamericana San José

ESPAÑA José M. Zamarro Minguell Universidad de Murcia Campus del Espinardo Murcia

Lorena Vega López Centro Universitario de Ciencias Exactas e Ingenierías Universidad de Guadalajara

Fernando Ribas Pérez

Sergio Flores

Universidad de Vigo Escola Universitaria de Enxeñería Técnica Industrial Vigo

Instituto de Ingeniería y Tecnología Universidad Autónoma de Ciudad Juárez

Stefano Chiussi

ARGENTINA Ema Aveleyra

Universidad de Vigo Escola Técnica Superior de Enxeñeiros de Telecomunicacións Vigo

Universidad de Buenos Aires Buenos Aires

Miguel Ángel Hidalgo

Alerino Beltramino UTN Regional Buenos Aires Buenos Aires

Universidad de Alcalá de Henares Campus Universitario Alcalá de Henares

Miguel Ángel Altamirano

PERÚ Yuri Milachay Vicente

UTN Regional Córdoba Córdoba

Universidad Peruana de Ciencias Aplicadas Lima

COLOMBIA Fernando Molina Focazzio Pontificia Universidad Javeriana Bogotá

VENEZUELA Mario Caicedo Álvaro Restuccia Jorge Stephany

Jaime Isaza Ceballos

Universidad Simón Bolívar Caracas

Escuela Colombiana de Ingeniería Bogotá

SEARS • ZEMANSKY

física unIverSitaria Decimosegunda edición volumen 1

HUGH D. YOUNG CARNEGIE MELLON UNIVERSITY

ROGER A. FREEDMAN UNIVERSITY OF CALIFORNIA, SANTA BARBARA CON LA COLABORACIÓN DE

A. LEWIS FORD texas a&m university TRADUCCIÓN

VICTORIA A. FLORES FLORES traductora profesional especialista en el área de ciencias REVISIÓN TÉCNICA

ALBERTO RUBIO PONCE GABRIELA DEL VALLE DÍAZ MUÑOZ HÉCTOR LUNA GARCÍA JOSÉ ANTONIO EDUARDO ROA NERI departamento de ciencias básicas universidad autónoma metropolitana, unidad azcapotzalco, méxico

Addison-Wesley

Datos de catalogación bibliográfica YOUNG, HUGH D. y ROGER A. FREEDMAN Física universitaria volumen 1. Decimosegunda edición PEARSON EDUCACIÓN, México, 2009 ISBN: 978-607-442-288-7 Área: Ciencias Formato: 21 3 27 cm

Páginas: 760

Authorized adaptation from the English language edition, entitled University Physics with Modern Physics 12th ed., (chapters 1-20) by Hugh D. Young, Roger A. Freedman; contributing author, A. Lewis Ford published by Pearson Education, Inc., publishing as Addison-Wesley, Copyright © 2008. All rights reserved. ISBN 9780321501219 Adaptación autorizada de la edición en idioma inglés, titulada University Physics with Modern Physics 12ª ed., (capítulos 1-20) de Hugh D. Young, Roger A. Freedman; con la colaboración de A. Lewis Ford, publicada por Pearson Education, Inc., publicada como Addison-Wesley, 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: Enrique Trejo Hernández Edición en inglés Vice President and Editorial Director: Adam Black, Ph.D. Senior Development Editor: Margot Otway Editorial Manager: Laura Kenney Associate Editor: Chandrika Madhavan Media Producer: Matthew Phillips Director of Marketing: Christy Lawrence Managing Editor: Corinne Benson Production Supervisor: Nancy Tabor Production Service: WestWords, Inc. Illustrations: Rolin Graphics Text Design: tani hasegawa

Cover Design: Yvo Riezebos Design Manufacturing Manager: Pam Augspurger Director, Image Resource Center: Melinda Patelli Manager, Rights and Permissions: Zina Arabia Photo Research: Cypress Integrated Systems Cover Printer: Phoenix Color Corporation Printer and Binder: Courier Corporation/Kendallville Cover Image: The Millau Viaduct, designed by Lord Norman Foster, Millau, France. Photograph by Jean-Philippe Arles/Reuters/Corbis

DECIMOSEGUNDA EDICIÓN VERSIÓN IMPRESA, 2009 DECIMOSEGUNDA EDICIÓN E-BOOK, 2009 D.R. © 2009 por Pearson Educación de México, S.A. de C.V. Atlacomulco No. 500-5° piso Col. Industrial Atoto 53519, Naucalpan de Juárez, Edo. de México e-mail: [email protected] Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana. Reg. Núm. 1031. Addison-Wesley 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. Impreso en México. Printed in Mexico. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 – 13 12 11 10

Addison-Wesley es una marca de

www.pearsoneducacion.net

ISBN VERSIÓN IMPRESA: 978-607-442-288-7 ISBN E-BOOK:

CONTENIDO BREVE Mecánica

Ondas/Acústica

1 2 3

Unidades, cantidades físicas y vectores

4 5 6 7

Leyes del movimiento de Newton

107

Aplicación de las leyes de Newton

136

Trabajo y energía cinética

181

Energía potencial y conservación de la energía

213

Momento lineal, impulso y choques

247

Rotación de cuerpos rígidos

285

8 9 10 11 12 13 14

Movimiento en línea recta

36

15 16

Movimiento en dos o en tres dimensiones

71

Termodinámica

1

Dinámica del movimiento rotacional 316 Equilibrio y elasticidad

354

Gravitación

383

Movimiento periódico

419

Mecánica de fluidos

456

17 18 19 20

Ondas mecánicas

487

Sonido y el oído

527

Temperatura y calor

570

Propiedades térmicas de la materia

610

La primera ley de la termodinamica

646

La segunda ley de la termodinámica

673

APÉNDICES A B C D E F

El sistema internacional de unidades Relaciones matemáticas útiles El alfabeto griego Tabla periódica de los elementos Factores de conversión de unidades Constantes numéricas Respuestas a los problemas con número impar

A-1 A-3 A-4 A-5 A-6 A-7 A-9

SOBRE LOS AUTORES Hugh D. Young es profesor emérito de física en Carnegie Mellon University, en Pittsburgh, PA. Cursó sus estudios de licenciatura y posgrado en Carnegie Mellon, donde obtuvo su doctorado en teoría de partículas fundamentales bajo la dirección de Richard Cutkosky, hacia el final de la carrera académica de éste. Se unió al claustro de profesores de Carnegie Mellon en 1956 y también ha sido profesor visitante en la Universidad de California en Berkeley durante dos años. La carrera del profesor Young se ha centrado por completo en la docencia en el nivel de licenciatura. Ha escrito varios libros de texto para ese nivel y en 1973 se convirtió en coautor de los bien conocidos libros de introducción a la física de Francis Sears y Mark Zemansky. A la muerte de éstos, el profesor Young asumió toda la responsabilidad de las nuevas ediciones de esos textos, hasta que se le unió el profesor Freedman para elaborar Física Universitaria. El profesor Young practica con entusiasmo el esquí, el montañismo y la caminata. También ha sido durante varios años organista asociado en la Catedral de San Pablo, en Pittsburgh, ciudad en la que ha ofrecido numerosos recitales. Durante el verano viaja con su esposa Alice, en especial a Europa y a la zona desértica de los cañones del sur de Utah.

Roger A. Freedman es profesor en la Universidad de California,...