Fisica ( Vol 2 ) Principios con Aplicaciones_Giancoli _ 6a_Ed PDF

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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 2 Número de Avogadro NA 6.02 * 1023 mol–1 6.0221415(10) * 1023 mol–1 Constan...

Description

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 NA R

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

k e s  0 = A1
c2m0 B m0 h me

Masa en reposo del protón

mp

Masa en reposo del neutrón

mn

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

Unidad de masa atómica

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
03), 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, son cantidades definidas).

Otros datos útiles

El alfabeto griego

Equivalente en joule (1 cal) Cero absoluto (0 K) Aceleración de la gravedad en la superficie de la Tierra (prom.) Rapidez del sonido en el aire Densidad del aire (seco) Tierra: Masa Radio (medio) Luna: Masa Radio (medio) Sol: Masa Radio (medio) Distancia Tierra-Sol (media) Distancia Tierra-Luna (media)

4.186 J –273.15°C 9.80 m
s2 (= g) 343 m
s 1.29 kg
m3

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

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

Propiedades del agua

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°

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 kg
m3

Calor de fusión (0°C) 333 kJ
kg (80 kcal
kg) Calor de vaporización 2260 kJ
kg (100°C) (539 kcal
kg) Calor específico (15°C) 4186 J
kg
C° (1.00 kcal
kg
C°) Índice de refracción 1.33

Fórmulas geométricas útiles. Áreas, volúmenes Circunferencia de círculo C = pd = 2pr Área de círculo

A = pr2 =

Área de rectángulo

A = lw

Exponentes [Véase apéndice A-2 para detalles]

d r

pd2 4

Aan BAam B = an + m Aan BAbn B = (ab)n m Aan B = anm

C

l

a –1 =

w

1 a

1

h

A = bh

b Área de triángulo

A =

1 2

hb

h

h b

Triángulo rectángulo (Pitágoras)

A = 4pr2 V = 43 pr3

a

1

[Ej.: Aa5 BAa –2 B = a3]

a = an - m am

an a n n = a b b b

x =

h

V = lwh

–b P 3b2 - 4ac

.

2a

l

w

Logaritmos [apéndice A-8; tabla p. A-11] A = 2prl + 2pr2 V = pr2l

Cono circular recto: área superficial volumen

A = pr2 + pr 3r2 + h2 V = 13 pr2h

l

Si y = 10x,

r

x

Si y = e ,

n(n - 1)

x2 + 2
1 si x V 1

entonces entonces

x = log10 y = log y. x = loge y = ln y.

log(ab) = log a + log b a log a b = log a - log b b log an = n log a

h r

Expansión binomial [apéndice A-5]

L 1 + nx

n

La ecuación con incógnita x en la forma ax2 + bx + c = 0, tiene soluciones

r

Cilindro (recto): área superficial volumen

(1 + x)n = 1 + nx +

d

Fórmula cuadrática [apéndice A-4]

c b

Sólido rectangular: volumen

1

b

c 2 = a 2 + b2

Esfera: área superficial volumen

4 Ejemplo: A a4 B = a 1 = n a0 = 1 a

a4 = 21a

Aan BAa –m B =

h

c

a –n

a2 = 1a Área de paralelogramo

[Ejemplo: Aa3 BAa2 B = a5] [Ejemplo: Aa3 BAb3 B = (ab)3] 2 Ejemplo: Aa3 B = a6

Fracciones

n(n - 1)(n - 2) 3
2
1

x3 + p

c a = es lo mismo que ad = bc b d

[para x2 6 1]

[Ejemplo: (1 + 0.01)3 L 1.03] 1 1 –1 [Ejemplo: = = (1 - 0.01) 2 L 1 - A – 12 B(0.01) L 1.005] 10.99 11 - 0.01

a a b b ad = bc c a b d

Fórmulas trigonométricas [apéndice A-7] )

ot

p

hip

(hi

sen u =

sa enu

op (opuesto) cos u =

θ

ady (adyacente) ady2 + op2 = hip2 tan u =

tan u =

op hip

sen(180° - u) = sen u sen(90° - u) = cos u

ady

cos(90° - u) = sen u

hip

sen 12 u = 3(1 - cos u)
2

op ady

(Teorema de Pitágoras)

sen u cos u

sen2 u + cos2 u = 1 sen 2u = 2 sen u cos u cos 2u = (cos2 u - sen2 u) = (1 - 2 sen2 u) = (2 cos2 u - 1)

cos(180° - u) = – cos u f 0 6 u 6 90° cos 12 u = 3(1 + cos u)
2

[para pequeños u f 0.2 rad] u2 [para pequeños u f 0.2 rad] cos u L 1 2 sen(A P B) = sen A cos B P cos A sen B cos(A P B) = cos A cos B7sen A sen B sen u L u

Para cualquier triángulo: c2 = a2 + b2 - 2ab cos g sen b sen g sen a = = a b c

(ley de cosenos) (ley de senos)

c α

β

b

a γ

Conversiones de unidades (equivalentes) Longitud

Tiempo

1 in = 2.54 cm 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 (EUA) = 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 (al) = 9.461 * 1015 m 1 parsec = 3.26 al = 3.09 * 1016 m

1 día = 8.64 * 104 s

Volumen

1 año = 3.156 * 107 s

Masa 1 unidad de masa atómica (u) = 1.6605 * 10–27 kg 1 kg = 0.0685 slug [1 kg tiene un peso de 2.20 lb donde g = 9.80 m
s2.]

Fuerza 1 lb = 4.45 N 1 N = 105 dina = 0.225 lb

Energía y trabajo

1 litro (L) = 1000 mL = 1000 cm3 = 1.0 * 10–3 m3 = 1.057 (qt EUA)
61.02 in3 1 galón (EUA)
4 qt (EUA)
231 in3
3.785 L 0.8327 galón (inglés) 1 cuarto (qt, EUA)
2 pintas (EUA)
946 mL 1 pinta (inglesa)
1.20 pintas (EUA)
568 mL 1 m3 = 35.31 ft3

1 J = 107 ergs = 0.738 ft lb 1 ft lb = 1.36 J = 1.29 * 10–3 Btu = 3.24 * 10–4 kcal 1 kcal = 4.186 * 103 J = 3.97 Btu 1 eV = 1.602 * 10–19 J 1 kWh = 3.60 * 106 J = 860 kcal

Potencia

Rapidez

1 W = 1 J
s = 0.738 ft lb
s = 3.42 Btu
h

1 mi
h = 1.467 ft
s = 1.609 km
h = 0.447 m
s 1 km
h = 0.278 m
s = 0.621 mi
h 1 ft
s = 0.305 m
s = 0.682 mi
h 1 m
s = 3.281 ft
s = 3.600 km
h = 2.237 mi
h 1 nudo = 1.151 mi
h = 0.5144 m
s

1 hp = 550 ftlb
s = 746 W

Presión 1 atm = 1.013 bar = 1.013 * 105 N
m2 = 14.7 lb
in2 = 760 torr

Ángulo

1 lb
in2 = 6.90 * 103 N
m2

1 radián (rad) = 57.30° = 57°18¿

1 Pa = 1 N
m2 = 1.45 * 10–4 lb
in2

1° = 0.01745 rad 1 rev
min (rpm) = 0.1047 rad
s

Multiplicadores métricos (SI)

Unidades SI derivadas y sus abreviaturas Cantidad Fuerza Energía y trabajo Potencia Presión Frecuencia Carga eléctrica Potencial eléctrico Resistencia eléctrica Capacitancia Campo magnético Flujo magnético Inductancia

Unidad newton joule watt pascal hertz coulomb volt ohm farad tesla weber henry

Abreviatura N J W Pa Hz C V  F T Wb 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

Valor

yotta zeta exa peta tera giga mega kilo hecto deka 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

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 2 PRINCIPIOS CON APLICACIONES

FÍSICA 2 PRINCIPIOS CON APLICACIONES SEXTA EDICIÓN

DOUGLAS C. GIANCOLI

TRADUCCIÓN: Víctor Campos Olguín Traductor profesional REVISIÓN TÉCNICA: Agustín Vázquez Sánchez Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey Campus Estado de México Alberto Lima Sánchez Profesor de Física Preparatoria-Universidad La Salle Tufik Zambrano Profesor de Física Gimnasio la Fontana Bogotá, Colombia

José Vicente Contreras Julio Profesor de Física y Matemáticas Sección Bachillerato Gimnasio Británico Bogotá, Colombia Sebastián Torres Gutiérrez Profesor de Física Colegio Jordán de Sajonia Bogotá, Colombia Hernando Julio Garrido Insignares Profesor de Física Instituto Técnico Central Bogotá, Colombia

Datos de catalogación bibliográfica GIANCOLI, C. DOUGLAS FÍSICA 2. Principios con aplicaciones. Sexta edición PEARSON EDUCACIÓN, México, 2009 ISBN: 978-970-26-1578-1 Área: Universitarios Formato: 21 × 27 cm

Páginas: 528

Authorized translation from the English language edition, entitled Physics: principles with applications 6th ed., by Douglas C. Giancoli, published by Pearson Education, Inc., publishing as PRENTICE HALL, INC., Copyright © 2005. All rights reserved. ISBN 0-13-060620-0 Traducción autorizada de la edición en idioma inglés, titulada Physics: principles with applications 6a. ed., de Douglas C. Giancoli, publicada por Pearson Education, Inc., publicada como PRENTICE HALL, INC., Copyright © 2005. 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: José D. Hernández Garduño

Editor-in-Chief, Science: John Challice Senior Acquisitions Editor: Erik Fahlgren Senior Development Editor: Karen Karlin Vice President of Production and Manufacturing: David Riccardi Executive Managing Editor: Kathleen Schiaparelli Senior Production Editor: Susan Fisher Production Editor: Chirag Thakkar Manufacturing Manager: Trudy Pisciotti Manufacturing Buyer: Alan Fischer Managing Editor, Audio and Visual Assets: Patricia Burns AV Project Managers: Adam Velthaus and Connie Long Assistant Managing Editor, Science Media: Nicole Bush Associate Editor: Christian Botting Media Editor: Michael J. Richards

Director of Creative Services: Paul Belfanti Advertising and Promotions Manager: Elise Schneider Creative Director: Carole Anson Art Director: Maureen Eide Illustration: Artworks Marketing Manager: Mark Pfaltzgraff Editor-in-Chief of Development: Carol Trueheart Director, Image Research Center: Melinda Reo Photo Research: Mary Teresa Giancoli and Jerry Marshall Manager, Rights and Permissions: Cynthia Vincenti Copy Editor: Jocelyn Phillips Indexer: Steele/Katigbak Editorial Assistant: Andrew Sobel Composition: Emilcomp srl / Prepare Inc.

SEXTA EDICIÓN, 2009 D.R. © 2009 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: 970-26-1578-X ISBN 13: 978-970-26-1578-1 Impreso en México. Printed in Mexico. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 - 12 11 10 09

CONTENIDO 3 3-1 3-2 3-3 3-4 3-5 3-6 *3-7 *3-8 LISTA DE APLICACIONES PREFACIO COMPLEMENTOS Y MEDIOS AUDIOVISUALES DISPONIBLES

xiii xv xxiii

NOTAS A LOS ESTUDIANTES (Y PROFESORES) ACERCA DEL FORMATO

xxvii

VOLUMEN 1

1 1-1 1-2 1-3 1-4 1-5 1-6 1-7 *1-8

2 2-1 2-2 2-3 2-4 2-5 2-6 2-7 *2-8

INTRODUCCIÓN, MEDICIÓN, ESTIMACIÓN La naturaleza de la ciencia La física y su relación con otros campos Modelos, teorías y leyes Medición e incertidumbre; cifras significativas Unidades, estándares y el sistema SI Conversión de unidades Orden de magnitud: estimación rápida Dimensiones y análisis dimensional RESUMEN 15 PREGUNTAS 16 PROBLEMAS 16 PROBLEMAS GENERALES 17

1

Marcos de referencia y desplazamiento Velocidad promedio Velocidad instantánea Aceleración Movimiento con aceleración constante Resolución de problemas Caída de objetos Análisis gráfico del movimiento lineal RESUMEN 38 PREGUNTAS 38 PROBLEMAS 39 PROBLEMAS GENERALES 42

4-1 4-2 4-3 4-4 4-5 4-6

1 3 4

4-7

5 8 10 12 14

4-9

DESCRIPCIÓN DEL MOVIMIENTO: CINEMÁTICA EN UNA DIMENSIÓN

4

19 20 21 23 23 26 28 31 36

4-8

5 5-1 5-2 5-3 *5-4 *5-5 5-6 5-7 5-8 *5-9 5-10

CINEMÁTICA EN DOS DIMENSIONES; VECTORES

45

Vectores y escalares Suma de vectores: métodos gráficos Resta de vectores y multiplicación de un vector por un escalar Suma de vectores por medio de componentes Movimiento de proyectiles Resolución de problemas que implican el movimiento de proyectiles El movimiento de proyectiles es parabólico 62 Velocidad relativa RESUMEN 64 PREGUNTAS 65 PROBLEMAS 65 PROBLEMAS GENERALES 69

45 46 48 49 54 56 62

DINÁMICA: LEYES DEL MOVIMIENTO DE NEWTON

72

Fuerza Primera ley del movimiento de Newton Masa Segunda ley del movimiento de Newton Tercera ley del movimiento de Newton Peso: la fuerza de gravedad y la fuerza normal Resolución de problemas con las leyes de Newton: diagramas de cuerpo libre Problemas que implican fricción y planos inclinados Resolución de problemas: Un enfoque general RESUMEN 96 PREGUNTAS 97 PROBLEMAS 98 PROBLEMAS GENERALES 103

72 73 75 75 77 80 84 90 96

MOVIMIENTO CIRCULAR Y GRAVITACIÓN

106

Cinemática del movimiento circular uniforme 106 Dinámica del movimiento circular uniforme 109 Curvas en las autopistas, peraltadas y sin peralte Movimiento circular no uniforme Centrifugación Ley de la gravitación universal de Newton Gravedad cerca de la superficie de la Tierra; aplicaciones geofísicas Los satélites y la “ingravidez” Leyes de Kepler y síntesis de Newton Tipos de fuerzas en la naturaleza RESUMEN 128 PREGUNTAS 129 PROBLEMAS 130 PROBLEMAS GENERALES 133

112 115 116 117 121 122 125 128

vii

6 6-1 *6-2 6-3 6-4 6-5 6-6 6-7 6-8

6-9 6-10

7 7-1 7-2 7-3 7-4 7-5 7-6 *7-7 7-8 *7-9 *7-10

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

viii

TRABAJO Y ENERGÍA

136

Trabajo realizado por una fuerza constante 137 Trabajo realizado por una fuerza variable 141 Energía cinética y el principio trabajo-energía 141 Energía potencial 144 Fuerzas conservativas y no conservativas 148 Energía mecánica y su conservación 149 Resolución de problemas a partir de la conservación de la energía mecánica 150 Otras formas de energía; transformaciones de energía y la ley de conservación de la energía 155 Conservación de energía con fuerzas disipativas: Resolución de problemas 156 Potencia 158 RESUMEN 160 PREGUNTAS 160 PROBLEMAS 162 PROBLEMAS GENERALES 165

CANTIDAD DE MOVIMIENTO LINEAL 167 Cantidad de movimiento y su relación con la fuerza 168 Conservación de la cantidad de movimiento 170 Colisiones e impulso 173 Conservación de la energía y de la cantidad de movimiento en colisiones 175 Colisiones elásticas en una dimensión 176 Colisiones inelásticas 178 Colisiones en dos o tres dimensiones 179 Centro de masa (CM) 182 CM del cuerpo humano 184 Centro de masa y movimiento de traslación 185 RESUMEN 187 PREGUNTAS 187 PROBLEMAS 188 PROBLEMAS GENERALES 192

MOVIMIENTO DE ROTACIÓN

194

Cantidades angulares 195 Aceleración angular constante 201 Movimiento de rodamiento (sin deslizamiento) 202 Torca 203 Dinámica de rotación; torca e inercia de rotación 206 Resolución de problemas de dinámica de rotación 208 Energía cinética de rotación 210 Cantidad de movimiento angular y su conservación 213 Naturaleza vectorial de las cantidades angulares 215 RESUMEN 217 PREGUNTAS 217 PROBLEMAS 219 PROBLEMAS GENERALES 223

CONTENIDO

9 9-1 9-2 *9-3 9-4 *9-5 *9-6 *9-7

10 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10

*10-11 *10-12 *10-13 *10-14

EQUILIBRIO ESTÁTICO; ELASTICIDAD Y FRACTURA

226

Condiciones para el equilibrio 227 Resolución de problemas estáticos 229 Aplicaciones a músculos y articulaciones 234 Estabilidad y balance 236 Elasticidad; tensión y deformación 237 Fractura 241 Cubrir un espacio: arcos y domos 243 RESUMEN 246 PREGUNTAS 246 PROBLEMAS 247 PROBLEMAS GENERALES 252

FLUIDOS

255

Fases de la materia 255 Densidad y gravedad específica 256 Presión en fluidos 257 Presión atmosférica y presión manométrica 259 Principio de Pascal 260 Medición de presión; manómetros y el barómetro 260 Flotabilidad y principio de Arquímedes 263 Fluidos en movimiento; tasa de flujo y ecuación de continuidad 268 Ecuación de Bernoulli 270 Aplicaciones del principio de Bernoulli: de Torricelli a los aviones, las pelotas de béisbol y la isquemia 272 Viscosidad 274 Flujo en tubos: ecuación de Poiseuille, flujo sanguíneo 275 Tensión superficial y capilaridad 276 Bombas y el corazón 278 RESUMEN 279 PREGUNTAS 280 PROBLEMAS 281 PROBLEMAS GENERALES 284

11 11-1 11-2 11-3 11-4 11-5 11-6 11-7 11-8 11-9 *11-10 11-11 11-12 11-13 *11-14 *11-15 *11-16

VIBRACIONES Y ONDAS

286

Movimiento armónico simple 287 La...