Libro de Fisica de Paul E.Tippens PDF

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Física, conceptos y aplicaciones Séptima edición revisada SEPTIMA EDICION REVISADA Física, conceptos y aplicaciones Séptima edición revisada Paul E. Tippens Profesor Emérito Southern Polytechnic State University Traducción Angel Carlos González Ruiz Universidad Nacional Autónoma de México Revisión ...

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Física, conceptos y aplicaciones Séptima edición revisada

SEPTIMA EDICION REVISADA

Física, conceptos y aplicaciones Séptima edición revisada

Paul E. Tippens Profesor Emérito Southern Polytechnic State University Traducción Angel Carlos González Ruiz Universidad Nacional Autónoma de México Revisión técnica Ana Elizabeth García Hernández Cinvestav-Instituto Politécnico Nacional

M e G ra w H ill

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

Publisher: Javier Neyra Bravo Director editorial: Ricardo Martín del Campo Mora Editor sponsor: Luis Amador Valdez Vázquez Física, Conceptos y aplicaciones Séptima edición revisada

Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, por cualquier medio, sin la autorización escrita del editor.

¡ Educación DERECHOS RESERVADOS © 2011 respecto a la séptima edición revisada en español por: McGRAW-HILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE C.V. A Subsidiary o fT h e McGraw-Hill Companies, Inc. Corporativo Punta Santa Fe Prolongación Paseo de la Reforma 1015 Torre A Piso 17, Colonia Desarrollo Santa Fe, Delegación Alvaro Obregón C .P 01376, México, D. F. Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana, Reg. Núm. 736

ISBN : 978-607-15-0471-5 (ISBN: 970-10-6260-4 edición anterior) Translated from the 7th edition of PHYSICS. Copyright © MMVII by The McGraw-Hill Companies, Inc. All rights reserved. Previous editions © 2001, 1991. 1985, 1978, and 1973. ISBN-13: 978-0-07-301267-X 2345678901

209876543201

Impreso en Perú. Impreso en Empresa Editora El Comercio S.A.

The McGrQW-Hill Companies

Printed in Perú Printed by Empresa Editora El Comercio S.A.

Acerca del autor Paul E. T ippens ha escrito dos libros de texto de gran éxito para McGraw-Hill Companies, así como el material complementario correspondiente. Su libro más reconocido, Física, con­ ceptos y aplicaciones, ganó el Premio McGuffey, prestigioso y antiguo galardón otorgado a los libros de texto cuya excelencia se ha demostrado a lo largo de los años. Por añadidura, es autor de Física técnica básica, segunda edición. Esos libros se han traducido al español, francés, chino y japonés. Entre otros trabajos del autor se cuentan cuatro volúmenes de tutoriales computarizados y numerosos documentos publicados en ediciones destacadas. El doctor Tippens es miembro activo de la Text and Academic Authors Association ( t a a ) y un firme defensor de la tarea de brindar información, asesoría y trabajo en red para los creadores de propiedad intelectual. Fungió durante un par de años como VP/presidente electo de la t a a , asociación que se considera como una institución muy importante para dar voz a los autores con objeto de ase­ gurar sus derechos de propiedad intelectual. Tiene un doctorado en administración educativa por la Universidad de Aubum y una maestría en física por la Universidad de Georgia. Además, ha terminado varios cursos breves en al menos otras cuatro universidades reconocidas. En la actualidad, es profesor emérito de la Universidad Politécnica Estatal del Sur en Marieta, Geor­ gia, donde ha dado clases de física para bachillerato durante 30 años.

Agradecimientos Un texto clásico como el que ahora tiene el lector en sus manos es una obra en mejora permanente. La lectura crítica y la revisión del autor, de los editores y de profesores y estudiantes contribuyen a mejorarlo, a enriquecerlo. Así, el libro se convierte en una suerte de medio por el que los lectores mantienen un diálogo constante con el autor, lo que irremediablemente desemboca en nuevas ediciones o en ediciones revisadas, como la presente. En este sentido, el profesor Víctor Manuel Jiménez Romero, del Colegio Rossland, merece un reconocimiento especial por la meticulosa y paciente revisión que hizo de esta obra. Sus ideas, observaciones y sugerencias resultaron muy valiosas en el momento de editar esta séptima edición revisada. Asimismo, se extiende un agradecimiento a los profesores siguientes, quienes con sus ideas y comentarios han contribuido a enriquecer el libro. Alfonso Alfaro Peña CECyT 7 1PN Alfonso Espinosa Navarro Colegio Michelet Ángel Peña Chaparro CECyT 7 IPN Avelardo Cruz Colegio Westminster Fernando Varela CECyT 3 IPN Francisco J. Suárez Alvarado CECyT 15 IPN Gabriel de Anda López CECyT 7 IPN Gabriel Ramírez Guzmán Colegio de Bachilleres de Quintana Roo, plantel 2 Gamaliel Teja Gutiérrez CECyT 7 IPN Homero García Martínez ITESM campus Santa Fe Hugo Ramos Ángeles CECyT 3 IPN Isaac Hernández Ardieta UVM Coacalco Ismael Muñoz ITESM campus Hidalgo Israel Ávila García UVM Coacalco Javier Rangel Páez Universidad de Guadalajara Jesús Homero Cruz Reyes CECyT 7 IPN Jesús Manuel Heras Martínez CECyT 7 IPN

José Luis Noriega Corella CECyT 7 IPN Leonel Infante Colegio Hebreo Monte Sinaí y Hebreo Tarbut Leonel Ramírez Ramírez La Salle Benjamín Franklin Lyzzette Tiburcio Colegio Washington Manuel Cruz Nava CECyT 7 IPN Marco Antonio Cárdenas Ayala UVM Tlalpan Marcos Angulo Tamayo CECyT 7 IPN Marcos F. Amaro Merino CECyT 7 IPN Mariana Cárdenas Ramos Universidad de Guadalajara Miguel Ángel Marcial ENP 7 UNAM Miguel Ángel Vázquez Ibarra UVM Lomas Verdes Moisés Gustavo Martínez CECyT 7 IPN Rafael Morales Contreras CECyT 7 IPN Raquel Núñez Mora CECyT 7 IPN Rodolfo Vega García CECyT 7 IPN Silvia Maffey García CECyT 2 IPN v

Para Jared A ndrew Tippens y Elizabeth Marie Tippens Y para to d o el elenco de apoyo: Sarah, Travis y Ryan Tippens Ser bisnieto es estupendo: plenitud de alegría y sin responsabilidades

Resumen de contenido J J jjjjl

Mecánica

Electricidad, m agnetism o y óptica

C apítulo 1

Introducción

C apítulo 2

M atem áticas técnicas

C apítulo 3 C apítulo 4 C apítulo 5

1 6

C apítulo 23

La fuerza eléctrica

463

M ediciones técnicas y vectores 34

C apítulo 24

El cam po eléctrico

478

C apítulo 25

Potencial eléctrico

496

E quilibrio traslacional y fricción 68

C apítulo 26

Capacitancia

C apítulo 27

C orriente y resistencia

C apítulo 28

Circuitos de corriente continua 548

M om e n to de torsión y equ ilib rio rotacional 93

C apítulo 6

Aceleración uniform e

C apítulo 7

Segunda ley de New ton

C apítulo 8

Trabajo, energía y potencia

C apítulo 9

Impulso y cantidad de m o vim iento 179

C apítulo 10

M o vim ie nto circular uniform e 196

C apítulo 11

111

M agnetism o y cam po m agnético 567

C apítulo 30

Fuerzas y m om entos de torsión en un cam po m agnético 589

C apítulo 31

Inducción electrom agnética 601

C apítulo 32

Circuitos de corriente alterna 622

C apítulo 33

Luz e ilum inación

Rotación de cuerpos rígidos

220 245

532

C apítulo 29

137 157

512

642

C apítulo 12

Máquinas sim ples

C apítulo 34

Reflexión y espejos

C apítulo 13

Elasticidad

265

C apítulo 35

Refracción

C apítulo 14

M o vim ie nto arm ónico sim ple 279

C apítulo 36

Lentes e instrum entos ó pticos 696

C apítulo 15

Fluidos

C apítulo 37

Interferencia, difracción y polarización 714

301

Term odinám ica, ondas mecánicas y sonido C apítulo 16

Tem peratura y dilatación

C apítulo 17

C antidad de calor

C apítulo 18

Transferencia de calor

C apítulo 19

Propiedades térm icas de la materia 383

C apítulo 20

Term odinám ica

C apítulo 21

M o vim iento o n d u la to rio

C apítulo 22

Sonido

661

678

Física m oderna C apítulo 38

La física m oderna y el átom o 731

C apítulo 39

La física nuclear y el núcleo 757

329

350 369

403 426

441

vii

Prefacio

C apítulo 1 1.1 1.2 1.3

3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14

viii

M atem áticas técnicas

3

5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6

M o m en to de to rsió n y e q u ilib rio rotacional

Condiciones de equilibrio 94 El brazo de palanca 95 Momento de torsión 96 Momento de torsión resultante Equilibrio 100 Centro de gravedad 72

93

99

6 C apítulo 6 12 15

6.6

M ediciones técnicas y vectores 34

Equilibrio traslacional y fricción 68

Primera ley de Newton 69 Segunda ley de Newton 69 Tercera ley de Newton 70 Equilibrio 71 Diagramas de cuerpo libre 72 Solución de problemas de equilibrio Fricción 79

6.1 6.2 6.3 6.4 6.5

Cantidades físicas 35 El Sistema Internacional 36 Medición de longitud y tiempo 12 Cifras significativas 39 Instrumentos de medición 41 Conversión de unidades 42 Cantidades vectoriales y escalares 45 Suma o adición de vectores por métodos gráficos 47 Fuerza y vectores 49 La fuerza resultante 51 Trigonometría y vectores 52 El método de las componentes para la suma o adición de vectores 55 Notación de vectores unitarios (opcional) 16 Resta o sustracción de vectores 61

C apítulo 4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7

1

Números con signo 7 Repaso de álgebra 10 Exponentes y radicales (optativo) Solución a ecuaciones cuadráticas Notación científica 16 Gráficas 18 Geometría 19 Trigonometría del triángulo rectángulo 22

C apítulo 3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8

Introducción

¿Qué es la física? 2 ¿Qué importancia tienen las matemáticas? ¿Cómo estudiar física? 3

C apítulo 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8

C apítulo 5

xiii

6.7 6.8 6.9 6.10

C apítulo 7 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8 7.9 7.10

75

111

Segunda ley de N ew ton

137

Segunda ley de Newton sobre el movimiento 138 Relación entre peso y masa 140 Aplicación de la segunda ley de Newton a problemas de un solo cuerpo 143 Técnicas para resolver problemas 145 Resolución de problemas de aceleración 117 Convención de signos en problemas de aceleración 119 Gravedad y cuerpos en caída libre 121 Movimiento de proyectiles 126 Proyección horizontal 126 El problema general de las trayectorias 129

C apítulo 8 8.1 8.2 8.3 8.4

Aceleración uniform e

Rapidez y velocidad 112 Aceleración 113 Movimiento uniformemente acelerado 114 Otras relaciones útiles 116 Resolución de problemas de aceleración 117 Convención de signos en problemas de aceleración 119 Gravedad y cuerpos en caída libre 121 Movimiento de proyectiles 126 Proyección horizontal 126 El problema general de las trayectorias 129

Trabajo, energía y potencia 157

Trabajo 158 Trabajo resultante 159 Energía 161 Trabajo y energía cinética

162

Contenido

8.5 8.6 8.7 8.8

Energía potencial 165 Conservación de energía 166 Energía y fuerzas de fricción 168 Potencia 171

C apítulo 9 9.1 9.2 9.3

Im pulso y cantidad de m ovim iento 179

Impulso y cantidad de movimiento 180 Ley de la conservación de la cantidad de movimiento 182 Choques elásticos e inelásticos 185

Movimiento en una trayectoria circular 197 Aceleración centrípeta 197 Fuerza centrípeta 200 Peralte de curvas 201 El péndulo cónico 204 Movimiento en un círculo vertical 205 Gravitación 207 El campo gravitacional y el peso 209 Satélites en órbitas circulares 210 Leyes de Kepler 213

C apítulo 11 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6 11.7 11.8 11.9 11.10

12.1 12.2 12.3 12.4 12.5 12.6 12.7

Rotación de cuerpos rígidos 220

Desplazamiento angular 221 Velocidad angular 223 Aceleración angular 224 Relación entre los movimientos rotacional y rectilíneo 226 Energía cinética rotacional: momento de inercia 227 La segunda ley del movimiento en la rotación 229 Trabajo y potencia rotacionales 232 Rotación y traslación combinadas 233 Cantidad de movimiento angular 235 Conservación de la cantidad de movimiento angular 236

C apítulo 12

Máquinas simples

13.1 13.2 13.3 13.4 13.5

14.3 14.4 14.5 14.6 14.7 14.8 14.9

E S S í B Í"

245

Máquinas simples y eficiencia 246 Ventaja mecánica 247 La palanca 249 Aplicaciones del principio de la palanca 250 La transmisión del momento de torsión 253 El plano inclinado 255 Aplicaciones del plano inclinado 258

265

M o vim iento arm ónico sim ple 279

Movimiento periódico 280 La segunda ley de Newton y la ley de Hooke 283 Trabajo y energía en el movimiento armónico simple 284 El círculo de referencia y el movimiento armónico simple 286 Velocidad en el movimiento armónico simple 287 Aceleración en el movimiento armónico simple 289 El periodo y la frecuencia 291 El péndulo simple 293 El péndulo de torsión 294

C apítulo 15 15.1 15.2 15.3 15.4 15.5 15.6 15.7 15.8 15.9 15.10

Elasticidad

Propiedades elásticas de la materia 266 Módulo de Young 268 Módulo de corte 271 Elasticidad de volumen; módulo volumétrico 272 Otras propiedades físicas de los metales 273

C apítulo 14 14.1 14.2

C apítulo 10 M o vim ie n to circular uniform e 196 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 10.7 10.8 10.9 10.10

C apítulo 13

Fluidos

301

Densidad 302 Presión 304 Presión del fluido 305 Medición de la presión 308 La prensa hidráulica 310 Principio de Arquímedes 311 Flujo de fluidos 315 Presión y velocidad 317 Ecuación de Bemoulli 318 Aplicaciones de la ecuación de Bernoulli 320

Term odinám ica, ondas mecánicas y sonido

C apítulo 16 Tem peratura y dilatación 329 16.1 16.2 16.3 16.4 16.5

Temperatura y energía térmica 330 La medición de la temperatura 331 El termómetro de gas 335 La escala de temperatura absoluta 336 Dilatación lineal 338

ix

Contenido 16.6 16.7 16.8

Dilatación superficial 341 Dilatación volumétrica 342 La dilatación anómala del agua

C apítulo 17 C antidad de calor 17.1 17.2 17.3 17.4 17.5 17.6

344

18.2 18.3 18.4 18.5

El significado del calor 351 La cantidad de calor 351 Capacidad de calor específico La medición del calor 355 Cambio de fase 358 Calor de combustión 364

C apítulo 21 353

Métodos de transferencia de calor 370 Conducción 371 Aislamiento: el valor R 314 Convección 375 Radiación 376

C apítulo 19 19.1 19.2 19.3 19.4 19.5 19.6 19.7 19.8 19.9 19.10

Propiedades térm icas de la m ateria 383

Gases ideales, ley de Boyle y ley de Charles 384 Ley de Gay-Lussac 386 Leyes generales de los gases 387 M asa molecular y mol 389 La ley del gas ideal 391 Licuefacción de un gas 392 Vaporización 393 Presión de vapor 394 Punto triple 396 Humedad 397

C apítulo 20 Term odinám ica 20.1 20.2 20.3 20.4 20.5 20.6 20.7 20.8 20.9

Ciclo de Carnot 414 La eficiencia de una máquina ideal 415 Máquinas de combustión interna 416 Refrigeración 418

350

C apítulo 18 Transferencia de calor 369 18.1

20.10 20.11 20.12 20.13

403

Calor y trabajo 404 Función de la energía interna 405 Primera ley de la termodinámica 406 Procesos isobáricos y el diagrama P-V 407 Caso general para la primera ley 409 Procesos adiabáticos 410 Procesos isocóricos 411 Proceso isotérmico 412 Segunda ley de la termodinámica 412

21.1 21.2 21.3 21.4 21.5 21.6 21.7 21.8

M o vim iento o n du la to rio

C apítulo 22 Sonido 22.1 22.2 22.3 22.4 22.5 22.6 22.7 22.8

426

Ondas mecánicas 427 Tipos de ondas 427 Cálculo de la rapidez de onda 428 Movimiento ondulatorio periódico 429 Energía de una onda partícula 431 Principio de superposición 433 Ondas estacionarias 434 Frecuencias características 435

441

Producción de una onda sonora 442 La velocidad del sonido 443 Vibración de columnas de aire 445 Vibración forzada y resonancia 448 Ondas sonoras audibles 448 Tono y timbre 452 Interferencia y pulsaciones 453 El efecto Doppler 454

E lectricidad, m agnetism o y óptica C apítulo 23 23.1 23.2 23.3 23.4 23.5 23.6 23.7

24.3 24.4 24.5

463

La carga eléctrica 464 El electrón 466 Aislantes y conductores 467 El electroscopio de hoja de oro 467 Redistribución de la carga 469 Carga por inducción 469 Ley de Coulomb 470

C apítulo 24 24.1 24.2

La fuerza eléctrica

El cam po eléctrico 478

El concepto de campo 479 Cálculo de la intensidad de campo eléctrico 482 Líneas de campo eléctrico 485 La ley de Gauss 386 Aplicaciones de la ley de Gauss 38£

Contenido

C apítulo 25 25.1 25.2 25.3 25.4 25.5 25.6

Potencial eléctrico

27.6 27.7 27.8

28.1 28.2 28.3 28.4 28.5 28.6

29.6

532

C ircuitos de corriente continua 548

Circuitos simples; resistores en serie 549 Resistores en paralelo 551 Fem inducida y diferencia de potencial terminal 554 Medición de la resistencia interna 555 Inversión de la corriente a través de una fuente Fem 556 Leyes de Kirchhoff 557

C apítulo 29 29.1 29.2 29.3 29.4 29.5

C orriente y resistencia

El movimiento de la carga eléctrica 533 La dirección de la corriente eléctrica 535 Fuerza electromotriz 535 Ley de Ohm; resistencia 537 Potencia eléctrica y pérdida de calor 539 Resistividad 540 Coeficiente de temperatura de la resistencia 541 Superconductividad 542

C apítulo 28

29.8 29.9 29.10

Fuerza sobre un conductor por el que circula una corriente 577 Campo magnético de un conductor largo y recto 578 Otros campos magnéticos 580 Histéresis 581

C apítulo 30

512

Limitaciones al cargar un conductor 513 El capacitor 515 Cálculo de la capacitancia 517 Constante dieléctrica; permitividad 519 Capacitores en paralelo y en serie 523 Energía de un capacitor cargado 526

C apítulo 27 27.1 27.2 27.3 27.4 27.5

29.7

Energía potencial eléctrica 497 Cálculo de la energía potencial 499 Potencial 501 Diferencia de potencial 504 Experimento de Millikan de la gota de aceite 506 El electrón volt 507

C apítulo 26 Capacitancia 26.1 26.2 26.3 26.4 26.5 26.6

496

M agnetism o y cam po m agnético 567

Magnetismo 568 Campos magnéticos 570 La teoría moderna del magnetismo Densidad de flujo y permeabilidad Campo magnético y corriente eléctrica 574 Fuerza sobre una carga en movimiento 574

30.1 30.2 30.3 30.4 30.5 30.6

Fuerza y momento de torsión en una espira 590 Momento de torsión magnético sobre un solenoide 592 El galvanómetro 592 El voltímetro de cc 593 El amperímetro de cc 594 El motor de cc 595

C apítulo 31 31.1 31.2 31.3 31.4 31.5 31.6 31.7 31.8

Inducción electrom agnética

601

Ley de Faraday 602 Fem induci...