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SERWAY VUILLE

Fundamentos

de Física NOVENA EDICIÓN

SERWAY/VUILLE

Fundamentos de Física NOVENA EDICIÓN

Raymond A. Serway | Emeritus, James Madison University Chris Vuille | Embry-Riddle Aeronautical University Traducción Dra. Ana Elizabeth García Hernández Universidad La Salle, Morelia. Revisión técnica Dr. Ernesto Filio López Unidad Profesional en Ingeniería y Tecnologías Avanzadas Instituto Politécnico Nacional.

Australia • Brasil • Corea • España • Estados Unidos • Japón • México • Singapur • Reino Unido

Fundamentos de Física Novena edición Raymond A. Serway y Chris Vuille Presidente de Cengage Learning Latinoamérica: Fernando Valenzuela Migoya Director Editorial, de Producción y de Plataformas Digitales para Latinoamérica: Ricardo H. Rodríguez Gerente de Procesos para Latinoamérica: Claudia Islas Licona Gerente de Manufactura para Latinoamérica: Raúl D. Zendejas Espejel Gerente Editorial de Contenidos en Español: Pilar Hernández Santamarina Coordinador de Manufactura: Rafael Pérez González Editores: Sergio R. Cervantes González Abril Vega Orozco Diseño de portada: Anneli Daniela Torres Arroyo Imagen de portada: Andrey Tranchuck Shutterstock Composición tipográfica: Foto Grafic & Diseño Humberto Núñez Ramos

Impreso en México 1 2 3 4 5 6 7 15 14 13 12

© D.R. 2012 por Cengage Learning Editores, S.A. de C.V., una Compañía de Cengage Learning, Inc. Corporativo Santa Fe Av. Santa Fe, núm. 505, piso 12 Col. Cruz Manca, Santa Fe C.P. 05349, México, D.F. Cengage Learning® es una marca registrada usada bajo permiso. DERECHOS RESERVADOS. Ninguna parte de este trabajo, amparado por la Ley Federal del Derecho de Autor, podrá ser reproducida, transmitida, almacenado o utilizada en cualquier forma o por cualquier medio, ya sea gráfico, electrónico o mecánico, incluyendo, pero sin limitarse a lo siguiente: fotocopiado, reproducción, escaneo, digitalización, grabación en audio, distribución en internet, distribución en redes de información o almacenamiento y recopilación en sistemas de información, a excepción de lo permitido en el Capítulo III, Artículo 27 de la Ley Federal del Derecho de Autor, sin el consentimiento por escrito de la Editorial. Traducido del libro: College Physics, Ninth Edition. Raymond A. Serway and Chris Vuille Publicado en inglés por Brooks & Cole, una compañía de Cengage Learning ©2012 ISBN: 978-0-8400-6206-2 Datos para catalogación bibliográfica: Serway, Raymond A. y Chris Vuille. Fundamentos de Física, novena edición. ISBN: 978-607-481-780-5 Visite nuestro sitio web en: http://latinoamerica.cengage.com

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ACERCA DE LOS AU TORES viii P REFACIO ix ATRA CT I VA S AP LI CACI ON ES xxiv AL ES TU DI AN TE xxvi GU Í A DE P REPA RA CI ÓN PA RA EL EX AM EN M CAT

6.3 Colisiones 175 6.4 Colisiones tangenciales 182 6.5 Propulsión de cohete 184 Resumen 187 xxx

PART E 1 | Mecánica CAPÍTULO 1 Introducción 1 1.1 Estándares de longitud, masa y tiempo 1 1.2 Elementos constitutivos de la materia 4 1.3 Análisis dimensional 5 1.4 Incertidumbre en la medición y cifras significativas 7 1.5 Conversión de unidades 10 1.6 Cálculos aproximados y de orden de magnitud 12 1.7 Sistemas de coordenadas 14 1.8 Trigonometría 15 1.9 Estrategia de solución de problemas 17 Resumen 18

CAPÍTULO 2 Movimiento en una dimensión 25 2.1 Desplazamiento 26 2.2 Velocidad 27 2.3 Aceleración 33 2.4 Diagramas de movimiento 35 2.5 Movimiento en una dimensión con aceleración constante 36 2.6 Objetos en caída libre 43 Resumen 47

CAPÍTULO 3 Vectores y movimiento en dos dimensiones 56 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5

Vectores y sus propiedades 56 Componentes de un vector 58 Desplazamiento, velocidad y aceleración en dos dimensiones 62 Movimiento en dos dimensiones 63 Velocidad relativa 71 Resumen 75

CAPÍTULO 4 Leyes de movimiento 86 4.1 Fuerzas 87 4.2 Primera ley de Newton 88 4.3 Segunda ley de Newton 89 4.4 Tercera ley de Newton 95 4.5 Aplicaciones de las leyes de Newton 98 4.6 Fuerzas de fricción 105 Resumen 112

CAPÍTULO 5 Energía 124 5.1 Trabajo 124 5.2 Energía cinética y el teorema trabajo-energía 129 5.3 Energía potencial gravitacional 132 5.4 Energía potencial elástico 140 5.5 Sistemas y conservación de la energía 145 5.6 Potencia 147 5.7 Trabajo realizado por una fuerza variable 152 Resumen 154

CAPÍTULO 6 Cantidad de movimiento

y colisiones 167

6.1 Cantidad de movimiento e impulso 167 6.2 Conservación de la cantidad de movimiento 172

Contenido

CAPÍTULO 7 Movimiento rotatorio

y la ley de gravedad 198

7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6

Velocidad angular y aceleración angular 198 Movimiento rotatorio con aceleración angular constante 202 Relaciones entre cantidades angulares y lineales 203 Aceleración centrípeta 207 Gravitación newtoniana 214 Leyes de Kepler 221 Resumen 224

CAPÍTULO 8 Equilibrio y dinámica rotatorios 235 8.1 Torque 235 8.2 Torque y las dos condiciones de equilibrio 240 8.3 Centro de gravedad 241 8.4 Ejemplos de objetos en equilibrio 244 8.5 Relación entre el torque y la aceleración angular 247 8.6 Energía cinética rotatoria 254 8.7 Momento angular 257 Resumen 261

CAPÍTULO 9 Sólidos y fluidos 277 9.1 Estados de la materia 277 9.2 Densidad y presión 279 9.3 Deformación de sólidos 282 9.4 Variación de la presión con la profundidad 288 9.5 Mediciones de la presión 292 9.6 Fuerzas de empuje y principio de Arquímedes 293 9.7 Fluidos en movimiento 299 9.8 Otras aplicaciones de la dinámica de fluidos 305 9.9 Tensión superficial, acción capilar y flujo de fluidos viscosos 308 9.10 Fenómenos de transporte 315 Resumen 319

PART E 2 | Termodinámica CAPÍTULO 10 Física térmica 331 10.1 Temperatura y la ley cero de la termodinámica 332 10.2 Termómetros y escalas de temperatura 333 10.3 Expansión térmica de sólidos y líquidos 337 10.4 Descripción macroscópica de un gas ideal 343 10.5 Teoría cinética de los gases 348 Resumen 354

CAPÍTULO 11 Energía en procesos térmicos 362 11.1 Calor y energía interna 362 11.2 Calor específico 365 11.3 Calorimetría 367 11.4 Calor latente y cambio de fase 369 11.5 Transferencia de energía 375 11.6 Calentamiento global y gases de efecto invernadero 385 Resumen 386

v

vi

Contenido

16.5 16.6 16.7 16.8 16.9 16.10

CAPÍTULO 12 Leyes de la termodinámica 395 12.1 Trabajo en procesos termodinámicos 395 12.2 Primera ley de la termodinámica 398 12.3 Procesos térmicos 401 12.4 Máquinas térmicas y la segunda ley de la termodinámica 410 12.5 Entropía 418 12.6 Metabolismo humano 424

Aplicaciones 560 Capacitancia 562 El capacitor de placas paralelas 563 Combinaciones de capacitores 565 Energía almacenada en un capacitor cargado 571 Capacitores con dieléctricos 573 Resumen 579

Resumen 427

CAPÍTULO 17 Corriente y resistencia 590 17.1 Corriente eléctrica 590 17.2 Visión microscópica: corriente y velocidad de deriva 593 17.3 Medición de corriente y voltaje en circuitos 595 17.4 Resistencia, resistividad y ley de Ohm 596 17.5 Variación de la resistencia con la temperatura 599 17.6 Energía eléctrica y potencia 601 17.7 Superconductores 604 17.8 Actividad eléctrica en el corazón 605

PART E 3 | Vibraciones y ondas CAPÍTULO 13 Vibraciones y ondas 437 13.1 Ley de Hooke 437 13.2 Energía potencial elástica 441 13.3 Comparación del movimiento armónico simple con el movimiento circular uniforme 445

13.4 Posición, velocidad y aceleración como una función

Resumen 608

del tiempo 449 13.5 Movimiento de un péndulo 451 13.6 Oscilaciones amortiguadas 454 13.7 Ondas 455 13.8 Frecuencia, amplitud y longitud de onda 458 13.9 Velocidad de ondas sobre cuerdas 459 13.10 Interferencia de ondas 461 13.11 Reflexión de ondas 462 Resumen 463

CAPÍTULO 18 Circuitos de corriente directa 616 18.1 Fuentes de fem 616 18.2 Resistores en serie 617 18.3 Resistores en paralelo 620 18.4 Reglas de Kirchhoff y circuitos CD complejos 625 18.5 Circuitos RC 629 18.6 Circuitos domésticos 633 18.7 Seguridad eléctrica 634 18.8 Conducción de señales eléctricas por las neuronas 635

CAPÍTULO 14 Sonido 473 14.1 Producción de ondas de sonido 473 14.2 Características de las ondas de sonido 474 14.3 La velocidad del sonido 476 14.4 Energía e intensidad de las ondas de sonido 478 14.5 Ondas esféricas y planas 481 14.6 El efecto Doppler 482 14.7 Interferencia de las ondas de sonido 488 14.8 Ondas estacionarias 489 14.9 Vibraciones forzadas y resonancia 494 14.10 Ondas estacionarias en columnas de aire 495 14.11 Pulsaciones 499 14.12 Calidad del sonido 500 14.13 El oído 502

Resumen 638

Resumen 503

PART E 4 | Electricidad y magnetismo CAPÍTULO 15 Fuerzas eléctricas

y campos eléctricos 513 15.1 15.2 15.3 15.4 15.5 15.6 15.7 15.8 15.9

Propiedades de las cargas eléctricas 514 Aislantes y conductores 515 Ley de Coulomb 517 El campo eléctrico 522 Líneas de campo eléctrico 526 Conductores en equilibrio electrostático 529 El experimento de la gota de aceite de Millikan 531 El generador Van de Graaff 532 Flujo eléctrico y ley de Gauss 533 Resumen 539

CAPÍTULO 16 Energía eléctrica y capacitancia 548 16.1 Diferencia de potencial y potencial eléctrico 548 16.2 Potencial eléctrico y energía potencial debida a cargas 16.3 16.4

puntuales 555 Potenciales y conductores cargados 558 Superficies equipotenciales 559

CAPÍTULO 19 Magnetismo 648 19.1 Imanes 648 19.2 Campo magnético de la Tierra 650 19.3 Campos magnéticos 652 19.4 Fuerza magnética sobre un conductor portador de corriente 655 Torque sobre una espira de corriente y motores eléctricos 658 Movimiento de una partícula cargada en un campo magnético 661 19.7 Campo magnético de un alambre largo recto y ley de Ampère 664 19.8 Fuerza magnética entre dos conductores paralelos 667 19.9 Campos magnéticos de espiras de corriente y solenoides 669 19.10 Dominios magnéticos 673 Resumen 675

19.5 19.6

CAPÍTULO 20 Voltajes inducidos e inductancia 20.1 Fem inducida y flujo magnético 688 20.2 Ley de inducción de Faraday y ley de Lenz 691 20.3 Fem de movimiento 697 20.4 Generadores 701 20.5 Autoinductancia 705 20.6 Circuitos RL 707 20.7 Energía almacenada en un campo magnético 711 Resumen 712

CAPÍTULO 21 Circuitos de corriente alterna

y ondas electromagnéticas 723

21.1 21.2 21.3 21.4 21.5 21.6 21.7 21.8

Resistores en un circuito CA 723 Capacitores en un circuito CA 727 Inductores en un circuito CA 728 El circuito RLC en serie 730 Potencia en un circuito CA 734 Resonancia en un circuito RLC en serie 735 El transformador 737 Predicciones de Maxwell 739

688

| Prefacio

21.9 21.10 21.11 21.12 21.13

Confirmación de Hertz de las predicciones de Maxwell 740 Producción de ondas electromagnéticas mediante una antena 741 Propiedades de las ondas electromagnéticas 742 El espectro de ondas electromagnéticas 746 El efecto Doppler para ondas electromagnéticas 750 Resumen 750

PART E 5 | Luz y óptica CAPÍTULO 22 Reflexión y refracción de la luz 761 22.1 La naturaleza de la luz 761 22.2 Reflexión y refracción 762 22.3 La ley de refracción 767 22.4 Dispersión y prismas 771 22.5 El arco iris 774 22.6 Principio de Huygens 775 22.7 Reflexión interna total 777 Resumen 780

CAPÍTULO 23 Espejos y lentes 790 23.1 Espejos planos 790 23.2 Imágenes formadas por espejos cóncavos 793 23.3 Espejos convexos y convenciones de signo 795 23.4 Imágenes formadas por refracción 801 23.5 Refracción atmosférica 803 23.6 Lentes delgadas 804 23.7 Aberraciones de lentes y espejos 814 Resumen 815

CAPÍTULO 24 Óptica ondulatoria 824 24.1 Condiciones para interferencia 824 24.2 Experimento de doble rendija de Young 825 24.3 Cambio de fase debido a reflexión 829 24.4 Interferencia en películas delgadas 830 24.5 Uso de interferencia para leer CD y DVD 835 24.6 Difracción 836 24.7 Difracción de una sola rendija 837 24.8 La rejilla de difracción 839 24.9 Polarización de ondas de luz 842 Resumen 849

CAPÍTULO 25 Instrumentos ópticos 859 25.1 La cámara 859 25.2 El ojo 860 25.3 El amplificador simple 865 25.4 El microscopio compuesto 866 25.5 El telescopio 868 25.6 Resolución de aperturas de una sola rendija y circulares 871 25.7 El interferómetro Michelson 876

vii

CAPÍTULO 27 Física cuántica 911 27.1 Radiación de cuerpo negro e hipótesis de Planck 911 27.2 El efecto fotoeléctrico y la teoría corpuscular de la luz 913 27.3 Rayos X 916 27.4 Difracción de rayos X mediante cristales 918 27.5 El efecto Compton 920 27.6 La naturaleza dual de la luz y la materia 922 27.7 La función de onda 925 27.8 El principio de incertidumbre 926 Resumen 928

CAPÍTULO 28 Física atómica 934 28.1 Primeros modelos del átomo 934 28.2 Espectros atómicos 935 28.3 El modelo de Bohr 937 28.4 Mecánica cuántica y el átomo de hidrógeno 942 28.5 El principio de exclusión y la tabla periódica 945 28.6 Rayos X característicos 947 28.7 Transiciones atómicas y láseres 949 Resumen 951

CAPÍTULO 29 Física nuclear 957 29.1 Algunas propiedades del núcleo 957 29.2 Energía de enlace 960 29.3 Radiactividad 962 29.4 Los procesos de decaimiento 965 29.5 Radiactividad natural 971 29.6 Reacciones nucleares 971 29.7 Aplicaciones médicas de la radiación 973 Resumen 976

CAPÍTULO 30 Energía nuclear y partículas

elementales 982

30.1 30.2 30.3 30.4 30.5 30.6 30.7 30.8 30.9 30.10 30.11 30.12

Fisión nuclear 982 Fusión nuclear 986 Partículas elementales y las fuerzas fundamentales 989 Positrones y otras antipartículas 990 Clasificación de partículas 990 Leyes de conservación 992 El método óctuple 995 Quarks y color 995 Teoría electrodébil y el modelo estándar 997 La conexión cósmica 999 Preguntas sin responder en cosmología 1000 Problemas y perspectivas 1003 Resumen 1004

APÉNDICE A: Repaso matemático A.1

Resumen 877

APÉNDICE B: Tabla abreviada de isótopos A.14

PART E 6 | Física moderna

APÉNDICE C: Algunas tablas útiles

CAPÍTULO 26 Relatividad 885 26.1 Relatividad galileana 885 26.2 La velocidad de la luz 886 26.3 Principio de relatividad de Einstein 888 26.4 Consecuencias de la relatividad especial 889 26.5 Cantidad de movimiento relativista 897 26.6 Velocidad relativa en la relatividad especial 898 26.7 Energía relativista y equivalencia de masa y energía 899 26.8 Relatividad general 903

APÉNDICE D: Unidades SI A.21

A.19

APÉNDICE E: Guía de estudio para adquirir habilidades

MCAT A.22

Respuestas a los exámenes rápidos, preguntas de ejemplo, preguntas impares, preguntas de opción múltiple, preguntas conceptuales y problemas A.52

Resumen 905 Índice I.1

Por la aplicación de forma intuitiva de las leyes de Newton de movimiento, estos dos borregos cimarrones compiten para ser el macho dominante. Cada uno de ellos través de esfuerzos musculares de sus piernas, con la ayuda de las fuerzas de fricción que les impiden el deslizamiento. Las fuerzas de reacción de la Tierra actúan de nuevo en los borregos y hacen que se lancen hacia adelante y se den un tope. El objetivo es forzar al borrego oponente a perder el equilibrio.

4 4.1 Fuerzas 4.2 Primera ley de Newton 4.3 Segunda ley de Newton 4.4 Tercera ley de Newton 4.5 Aplicaciones de las leyes de Newton 4.6 Fuerzas de fricción

© Suzann Julien. Utilizado bajo licencia de Shut terstock.com

ejerce fuerzas contra la Tierra a

Leyes de movimiento La mecánica clásica describe la relación entre el movimiento de objetos encontrados en nuestro mundo cotidiano y las fuerzas que actúan en ellos. Siempre y cuando el sistema bajo estudio no involucre objetos comparables en tamaño a un átomo o viajando casi con la rapidez de la luz, la mecánica clásica proporciona una excelente descripción de la naturaleza. Este capítulo introduce las tres leyes de movimiento de Newton y de la gravedad. Las tres leyes son naturales y razonables. La primera ley establece que debe aplicarse una fuerza a un objeto con la finalidad de cambiar su velocidad. Cambiar la velocidad de un objeto significa acelerarlo, lo que da a entender una correspondencia entre fuerza y aceleración. Ésta, la segunda ley, establece que la fuerza neta sobre un objeto es igual a la masa del objeto por su aceleración. Por último, la tercera ley menciona que tan pronto como se empuja algo, este impulso regresa con igual fuerza en la dirección opuesta. En pocas palabras, éstas son las tres leyes. Las tres leyes de Newton, junto con su invención del cálculo, abren rutas de investigación y descubrimiento que se aplican habitualmente hoy en día en todas las áreas de las matemáticas, ciencias, ingeniería y la tecnología. La teoría de la gravitación universal de Newton tiene un impacto parecido, inicia una revolución en la mecánica del espacio y en la astronomía que continúa hasta nuestros días. Con el surgimiento de esta teoría, podrían ser calculadas con gran precisión las órbitas de todos los planetas y comprender las mareas. Incluso la teoría conduce a la predicción de “estrellas negras”, ahora conocidos como hoyos negros, se observó hace más de dos siglos antes de cualquier evidencia de su existencia.1 Las tres leyes de movimiento de Newton, junto con su ley de la gravitación, se consideran entre los logros más grandes de la mente humana.

1 En 1783, John Michell combinó la teoría de Newton de la luz y la teoría de la gravitación, vaticinando la existencia de “estrellas negras” de las que la luz misma no podría escapar.

86

4.1 | Fuerzas

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Usualmente imaginamos una fuerza como empujar o jalar un objeto, tal vez rápidamente, como cuando se golpea una pelota de tenis con una raqueta. (Véase la figura 4.1.) Podemos golpear la pelota, con diferentes magnitudes de velocidad, y dirigirla a diferentes partes de la cancha del oponente. Esto significa que se puede controlar la magnitud de la fuerza aplicada y también su dirección, de tal manera que la fuerza es una cantidad vectorial, parecida a la velocidad y aceleración. Si usted jala un resorte (figura 4.2a), el resorte se deforma. Si jala un carro lo suficiente (figura 4.2b), éste se mueve. Cuando patea un balón (figura 4.2c), se deforma por corto tiempo y se pone en movimiento. Todos éstos son ejemplos de fuerzas de contacto, llamadas así porque resultan del contacto físico entre dos objetos. Otra clase de fuerzas no implica contacto físico directo alguno. Los primeros científicos, incluido Newton, se inquietaron con el concepto de fuerzas que actúan entre dos objetos desconectados. Con todo, Newton aplicó el concepto “acción a distancia” en su ley de la gravedad, mientras que una masa con determinada ubicación, por ejemplo el Sol, afecta el movimiento de un objeto distante, como la Tierra, a pesar de que no existe conexión física evidente entre los dos objetos. Para vencer la dificultad conceptual asociada con la acción a distancia, Michael Faraday (1791-1867) introduce el concepto de campo. Las fuerzas correspondientes se conocen como campos de fuerza. De acuerdo con este planteamiento, un objeto de masa M, como el Sol, crea una influencia invisible que se extiende en todo el espacio. Un segundo objeto de masa m, como la Tierra, interactúa con el campo del Sol, no directamente con el Sol mismo. De esta manera la fuerza de atracción gravitacional entre los dos objetos, que se ilustra en la figura 4.2d, es un ejemplo de un campo de fuerza. La fuerza de gravedad mantiene objetos unidos a la Tierra, además de originar lo que conocemos como peso de esos objetos. Otro ejemplo común de un campo de fuerza es la fuerza eléctrica que ejerce una carga eléctrica sobre otra (figura 4.2e). Un tercer ejemplo es la fuerza ejercida por un imán de barra en una pieza de hierro (figura 4.2f). Todas las fuerzas fundamentales conocidas en la naturaleza son...