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www.elsolucionario.net http://www.elsolucionario.net LIBROS UNIVERISTARIOS Y SOLUCIONARIOS DE MUCHOS DE ESTOS LIBROS LOS SOLUCIONARIOS CONTIENEN TODOS LOS EJERCICIOS DEL LIBRO RESUELTOS Y EXPLICADOS DE FORMA CLARA VISITANOS PARA DESARGALOS GRATIS. www.elsolucionario.net FÍSICA para ciencias e ingeni...

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LIBROS UNIVERISTARIOS Y SOLUCIONARIOS DE MUCHOS DE ESTOS LIBROS LOS SOLUCIONARIOS CONTIENEN TODOS LOS EJERCICIOS DEL LIBRO RESUELTOS Y EXPLICADOS DE FORMA CLARA VISITANOS PARA DESARGALOS GRATIS.

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FÍSICA

para ciencias e ingeniería Volumen 1 Séptima edición

Raymond A. Serway Emérito, James Madison University

John W. Jewett, Jr. California State Polytechnic University, Pomona Traducción Víctor Campos Olguín Traductor profesional

Revisión Técnica Misael Flores Rosas Profr. de Termodinámica Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas Instituto Politécnico Nacional

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

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Física para ciencias e ingeniería Volumen 1. Séptima edición. Raymond A. Serway y John W. Jewett, Jr.

© D.R. 2008 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.

Presidente de Cengage Learning Latinoamérica: Javier Arellano Gutiérrez Director general México y Centroamérica: Héctor Enrique Galindo Iturribarría

DERECHOS RESERVADOS. Ninguna parte de este trabajo amparado por la Ley Federal del Derecho de Autor, podrá ser reproducida, transmitida, almacenada 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.

Director editorial Latinoamérica: José Tomás Pérez Bonilla Editor: Sergio R. Cervantes González Director de producción: Raúl D. Zendejas Espejel Editora de producción: Abril Vega Orozco Ilustrador: Rolin Graphics, Progressive Information Technologies, Lachina Publishing Services Diseño de portada: Patrick Devine Design Imagen de portada: Portada: © 2005 Tony Dunn; Contraportada: © 2005 Kurt Hoffman, Abra Marketing Composición tipográfica: EDITEC S.A. de C.V.

Traducido del libro Physics for Scientists and Engineers Volume 1, Seventh Edition Publicado en inglés por Brooks/Cole ©2008 ISBN: 0-495-11243-7 Datos para catalogación bibliográfica: Raymond A. Serway y John W. Jewett, Jr. Física para ciencias e ingeniería. Volumen 1. Séptima edición. ISBN-13: 978-607-481-357-9 ISBN-10: 607-481-357-4 Visite nuestro sitio en: http://latinoamerica.cengage.com

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Dedicamos este libro a nuestras esposas Elizabeth y Lisa, y a todos nuestros hijos y nietos por su amorosa comprensión cuando pasamos tiempo escribiendo en lugar de estar con ellos.

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7 8 9 10 11 12 13 14

1

Física y medición 2 Movimiento en una dimensión 19 Vectores 53 Movimiento en dos dimensiones 71 Las leyes del movimiento 100 Movimiento circular y otras aplicaciones de las leyes de Newton 137 Energía de un sistema 163 Conservación de energía 195 Cantidad de movimiento lineal y colisiones 227 Rotación de un objeto rígido en torno a un eje fijo 269 Cantidad de movimiento angular 311 Equilibrio estático y elasticidad 337 Gravitación universal 362 Mecánica de fluidos 389

Parte 2 15 16 17 18 Cortesía de NASA

Contenido breve

MECÁNICA

Parte 3 19 20 21 22

John W. Jewett, Jr.

Parte 1 1 2 3 4 5 6

OSCILACIONES Y ONDAS MECÁNICAS 417 Movimiento oscilatorio 418 Movimiento ondulatorio 449 Ondas sonoras 474 Sobreposición y ondas estacionarias 500

TERMODINÁMICA 531 Temperatura 532 Primera ley de la termodinámica 553 Teoría cinética de los gases 587 Máquinas térmicas, entropía y segunda ley de la termodinámica 612 Apéndices A-1 Respuestas a problemas con número impar A-25 Índice I-1

v

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PARTE 1 MECÁNICA Capítulo 1 Física y medición 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6

xi

5.3 5.4 5.5 5.6 5.7

2

Estándares de longitud, masa y tiempo 3 Materia y construcción de modelos 6 Análisis dimensional 7 Conversión de unidades 10 Estimaciones y cálculos de orden de magnitud 11 Cifras significativas 12

Capítulo 2 Movimiento en una dimensión 19 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8

Capítulo 5 Las leyes del movimiento 100 5.1 5.2

1

Posición, velocidad y rapidez 20 Velocidad y rapidez instantánea 23 Modelos de análisis: La partícula bajo velocidad constante 26 Aceleración 27 Diagramas de movimiento 31 La partícula bajo aceleración constante 32 Objetos en caída libre 36 Ecuaciones cinemáticas deducidas del cálculo 39 Estrategia General para Resolver Problemas 42

5.8

3.1 3.2 3.3 3.4

53

Sistemas coordenados 53 Cantidades vectoriales y escalares 55 Algunas propiedades de los vectores 55 Componentes de un vector y vectores unitarios 59

Capítulo 4 Movimiento en dos dimensiones 71 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6

Vectores de posición, velocidad y aceleración 71 Movimiento en dos dimensiones con aceleración constante 74 Movimiento de proyectil 77 Partícula en movimiento circular uniforme 84 Aceleraciones tangencial y radial 86 Velocidad y aceleración relativas 87

Concepto de fuerza 100 Primera ley de Newton y marcos inerciales 102 Masa 103 Segunda ley de Newton 104 Fuerza gravitacional y peso 106 Tercera ley de Newton 107 Algunas aplicaciones de las leyes de Newton 109 Fuerzas de fricción 119

Capítulo 6 Movimiento circular y otras aplicaciones de las leyes de Newton 137 6.1 6.2 6.3 6.4

Segunda ley de Newton para una partícula en movimiento circular uniforme 137 Movimiento circular no uniforme 143 Movimiento en marcos acelerados 145 Movimiento en presencia de fuerzas resistivas 148

Capítulo 7 Energía de un sistema 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5

Capítulo 3 Vectores

Contenido

Acerca de los autores Prefacio xiii Al estudiante xxiii

7.6 7.7 7.8 7.9

163

Sistemas y entornos 164 Trabajo invertido por una fuerza constante 164 Producto escalar de dos vectores 167 Trabajo consumido por una fuerza variable 169 Energía cinética y el teorema trabajo–energía cinética 174 Energía potencial de un sistema 177 Fuerzas conservativas y no conservativas 181 Correspondencia entre fuerzas conservativas y energía potencial 183 Diagramas de energía y equilibrio de un sistema 185

Capítulo 8 Conservación de energía 195 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5

El sistema no aislado: conservación de energía 196 El sistema aislado 198 Situaciones que incluyen fricción cinética 204 Cambios en energía mecánica para fuerzas no conservativas 209 Potencia 213

© Thomson Learning/Charles D. Winters

Capítulo 9 Cantidad de movimiento lineal y colisiones 227 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9.7 9.8

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Cantidad de movimiento lineal y su conservación 228 Impulso y cantidad de movimiento 232 Colisiones en una dimensión 234 Colisiones en dos dimensiones 242 El centro de masa 245 Movimiento de un sistema de partículas 250 Sistemas deformables 253 Propulsión de cohetes 255

vii

viii

Contenido

Capítulo 10 Rotación de un objeto rígido en torno a un eje fijo 269 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 10.7 10.8 10.9

Posición, velocidad y aceleración angular 269 Cinemática rotacional: Objeto rígido bajo aceleración angular constante 272 Cantidades angulares y traslacionales 273 Energía cinética rotacional 276 Cálculo de momentos de inercia 278 Momento de torsión 282 Objeto rígido bajo un momento de torsión neto 283 Consideraciones energéticas en el movimiento rotacional 287 Movimiento de rodamiento de un objeto rígido 291

11.3 11.4 11.5

12.4

Producto vectorial y momento de torsión 311 Cantidad de movimiento angular: el sistema no aislado 314 Cantidad de movimiento angular de un objeto rígido giratorio 318 El sistema aislado: conservación de cantidad de movimiento angular 321 El movimiento de giroscopios y trompos 326

Objeto rígido en equilibrio 337 Más acerca del centro de gravedad 340 Ejemplos de objetos rígidos en equilibrio estático 341 Propiedades elásticas de los sólidos 347

13.3 13.4 13.5

14.1 14.2 14.3 14.4 14.5 14.6 14.7

389

Presión 390 Variación de la presión con la profundidad 391 Mediciones de presión 395 Fuerzas de flotación y principio de Arquímedes 395 Dinámica de fluidos 399 Ecuación de Bernoulli 402 Otras aplicaciones de la dinámica de fluidos 405

Ley de Newton de gravitación universal Aceleración en caída libre y fuerza gravitacional 365 Las leyes de Kepler y el movimiento de los planetas 367 El campo gravitacional 372 Energía potencial gravitacional 373

417

Capítulo 15 Movimiento oscilatorio 418 15.1 15.2 15.3 15.4 15.5 15.6 15.7

Movimiento de un objeto unido a un resorte 419 Partícula en movimiento armónico simple 420 Energía del oscilador armónico simple 426 Comparación de movimiento armónico simple con movimiento circular uniforme 429 El péndulo 432 Oscilaciones amortiguadas 436 Oscilaciones forzadas 437

Capítulo 16 Movimiento ondulatorio 449 16.1 16.2 16.3 16.4 16.5

Capítulo 13 Gravitación universal 362 13.1 13.2

Capítulo 14 Mecánica de fluidos

MECÁNICAS

Capítulo 12 Equilibrio estático y elasticidad 337 12.1 12.2 12.3

Consideraciones energéticas en el movimiento planetario y de satélites 375

PARTE 2 OSCILACIONES Y ONDAS

Capítulo 11 Cantidad de movimiento angular 311 11.1 11.2

13.6

363

16.6

Propagación de una perturbación 450 El modelo de onda progresiva 454 La rapidez de ondas en cuerdas 458 Reflexión y transmisión 461 Rapidez de transferencia de energía mediante ondas sinusoidales en cuerdas 463 La ecuación de onda lineal 465

Capítulo 17 Ondas sonoras 474 17.1 17.2 17.3 17.4 17.5 17.6

Rapidez de ondas sonoras 475 Ondas sonoras periódicas 476 Intensidad de ondas sonoras periódicas 478 El efecto Doppler 483 Grabación de sonido digital 488 Sonido cinematográfico 491

Capítulo 18 Sobreposición y ondas estacionarias 500 18.1 18.2 18.3

NASA

18.4 18.5 18.6 18.7 18.8

Sobreposición e interferencia 501 Ondas estacionarias 505 Ondas estacionarias en una cuerda fija en ambos extremos 508 Resonancia 512 Ondas estacionarias en columnas de aire 512 Ondas estacionarias en barras y membranas 516 Batimientos: interferencia en el tiempo 516 Patrones de onda no sinusoidales 519

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Contenido

PARTE 3 TERMODINÁMICA

531

Capítulo 19 Temperatura 532 19.1 19.2 19.3 19.4 19.5

Temperatura y ley cero de la termodinámica 532 Termómetros y escala de temperatura Celsius 534 Termómetro de gas a volumen constante y escala absoluta de temperatura 535 Expansión térmica de sólidos y líquidos 537 Descripción macroscópica de un gas ideal 542

Capítulo 20 Primera ley de la termodinámica 20.1 20.2 20.3 20.4 20.5 20.6 20.7

22.8

Apéndice A Tablas A–1 Tabla A.1 Tabla A.2

Calor y energía interna 554 Calor específico y calorimetría 556 Calor latente 560 Trabajo y calor en procesos termodinámicos 564 Primera ley de la termodinámica 566 Algunas aplicaciones de la primera ley de la termodinámica 567 Mecanismos de transferencia de energía 572

587

Modelo molecular de un gas ideal 587 Calor específico molar de un gas ideal 592 Procesos adiabáticos para un gas ideal 595 Equipartición de la energía 597 Distribución de magnitudes de velocidad moleculares 600

B.1 B.2 B.3 B.4 B.5 B.6 B.7 B.8

Notación científica A-4 Álgebra A-5 Geometría A-9 Trigonometría A-10 Series de expansión A-12 Cálculo diferencial A-13 Cálculo integral A-16 Propagación de incertidumbre A-20

Apéndice D Unidades del SI A–24 D.1 D.2

Máquinas térmicas y segunda ley de la termodinámica 613 Bombas de calor y refrigeradores 615

George Semple

22.2

Factores de conversión A-1 Símbolos, dimensiones y unidades de cantidades físicas A-2

Apéndice C Tabla periódica de los elementos A–22

Capítulo 22 Máquinas térmicas, entropía y segunda ley de la termodinámica 612 22.1

Procesos reversibles e irreversibles 617 La máquina de Carnot 618 Motores de gasolina y diesel 622 Entropía 624 Cambios de entropía en procesos irreversibles 627 Entropía de escala microscópica 629

Apéndice B Repaso matemático A–4

553

Capítulo 21 Teoría cinética de los gases 21.1 21.2 21.3 21.4 21.5

22.3 22.4 22.5 22.6 22.7

ix

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Unidades del SI A-24 Algunas unidades del SI deducidas A-24

Respuestas a problemas con número impar A–25 Índice

I–1

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Acerca de los autores

Raymond A. Serway recibió su doctorado en el Illinois Institute of Technology y es profesor emérito en la James Madison University. En 1990 recibió el Madison Scholar Award en la James Madison University, donde enseñó durante 17 años. El doctor Serway comenzó su carrera docente en la Clarkson University, donde dirigió investigación y enseñó de 1967 a 1980. En 1977 recibió el Distinguished Teaching Award en la Clarkson University y el Alumni Achievement Award del Utica College en 1985. Como científico invitado en el IBM Research Laboratory en Zurich, Suiza, trabajó con K. Alex Müller, ganador del premio Nobel 1987. El doctor Serway también fue científico visitante en el Argonne National Laboratory, donde colaboró con su mentor y amigo, Sam Marshall. Además de las primeras ediciones de este libro, el doctor Serway es coautor de Principles of Physics, cuarta edición; College Physics, séptima edición; Essentials of College Physics; y Modern Physics, tercera edición. También es coautor del libro de bachillerato Physics, publicado por Holt, Rinehart y Winston. Además, el doctor Serway ha publicado más de 40 artículos de investigación en el campo de física de materia condensada y ha impartido más de 70 conferencias en reuniones profesionales. El doctor Serway y su esposa, Elizabeth, disfrutan viajar, jugar al golf, cantar en un coro de iglesia y pasar tiempo de calidad con sus cuatro hijos y ocho nietos.

John W. Jewett, Jr., obtuvo su doctorado en la Ohio State University, con especialidad en las propiedades ópticas y magnéticas de la materia condensada. El doctor Jewett comenzó su carrera académica en el Richard Stockton College de Nueva Jersey, donde enseñó de 1974 a 1984. En la actualidad es profesor de física en la California State Polytechnic University, Pomona. A lo largo de su carrera docente, el doctor Jewett ha sido un activo promotor de la educación en ciencias. Además de recibir cuatro becas National Science Foundation, ayudó a fundar y dirigir el Southern California Area Modern Physics Institute. También dirigió el Science IMPACT (Institute of Modern Pedagogy and Creative Teaching), que trabaja con profesores y escuelas para desarrollar currícula efectiva en ciencia. Los premios del doctor Jewett incluyen el Stockton Merit Award en el Richard Stockton College en 1980, el Outstanding Professor Award en la California State Polythecnic University para 1991-1992, y el Excellence in Undergraduate Physics Teaching Award de la American Association of Physics Teachers en 1998. Ha impartido más de 80 conferencias en reuniones profesionales, incluidas conferencias en eventos internacionales en China y Japón. Además de su trabajo en este libro, es coautor de Principles of Physics, cuarta edición, con el doctor Serway, y autor de The World of Physics... Mysteries, Magic and Myth. Al doctor Jewett le gusta tocar piano con su banda de físicos, viajar y coleccionar antigüedades que se puedan usar como aparatos de demostración en clases de física. Lo más importante, le gusta pasar el tiempo con su esposa, Lisa, y sus hijos y nietos.

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Prefacio

Al escribir esta séptima edición de Física para ciencias e ingeniería, continuamos nuestros esfuerzos actuales por mejorar la claridad de la presentación e incluir nuevas características pedagógicas que ayudan a apoyar los procesos de aprendizaje y enseñanza. Al retroalimentar las sugerencias de los usuarios de la sexta edición, así como de los revisores, hemos clarificado el texto para satisfacer mejor las necesidades de los estudiantes y profesores. Este libro está pensado para un curso introductorio de física para estudiantes que se especializan en ciencia o ingeniería. Todo el contenido del libro en su versión amplia podría cubrirse en un curso de tres semestres, pero es posible usar el material en secuencias más breves con la omisión de capítulos y subtemas seleccionados. Los antecedentes matemáticos ideales de los estudiantes que tomen este curso deben incluir un semestre de cálculo. Si esto no es posible, el estudiante debe inscribirse en un curso simultáneo de introducción al cálculo.

Objetivos Este libro de introducción a la física tiene dos objetivos principales: proporcionar al estudiante una presentación clara y lógica de los conceptos básicos y principios de la física y fortalecer la comprensión de los conceptos y principios a través de un amplio intervalo de aplicaciones interesantes al mundo real. Para satisfacer estos objetivos, hemos enfatizado en argumentos físicos sólidos y metodología para resolver problemas. Al mismo tiempo hemos intentado motivar al estudiante mediante ejemplos prácticos que demuestren el papel de la física en otras disciplinas, incluidas ingeniería, química y medicina.

Cambios en la séptima edición Para preparar la séptima edición de este texto se hicieron varios cambios y mejoras. Algunas de las nuevas características se basan en nuestras experiencias y en tendencias actuales en educación en ciencia. Otros cambios se incorporaron en respuesta a comentarios y sugerencias ofrecidos por los usuarios de la sexta edición y por revisores del manuscrito. Las características que se mencionan aquí representan los principales cambios en la séptima edición. PREGUNTAS Y PROBLEMAS Se hizo una revisión sustancial de las preguntas y problemas de fin de capítulo con la finalidad de mejorar su variedad, interés y valor pedagógico, mientras conservaban su claridad y calidad. Cerca de 23% de las preguntas y problemas son nuevos o cambiaron sustancialmente. Muchas de las preguntas para cada capítulo están en formato objetivo. Numerosos problemas en cada capítulo piden explícitamente razonamiento cualitativo en algunas partes, así como respuestas cuantitativas en otras:

Todos los ejemplos en el texto se remodelaron y ahora se presentan en un formato de dos columnas para reforzar mejor los conceptos físicos. La columna izquierda muestra información textual que describe las etapas para resolver el problema. La columna derecha muestra las operaciones matemáticas y los resultados de seguir dichos pasos. Esta presentación facilita la concordancia del concepto con su ejecución matemática y ayuda a los estudiantes a organizar su trabajo. Dichos ejemplos reconstitu...