Excelente Texto de Física de Serway Vol I. Todos los derechos son del autor. Su reproducción aqui, es solo informativa y no para beneficio propio.
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Transcript
1. Raymond A. Serway Emrito, James Madison University John W.
Jewett, Jr. California State Polytechnic University, Pomona
Traduccin Vctor Campos Olgun Traductor profesional Revisin Tcnica
Misael Flores Rosas Profr. de Termodinmica Escuela Superior de
Ingeniera Qumica e Industrias Extractivas Instituto Politcnico
Nacional Australia Brasil Corea Espaa Estados Unidos Japn Mxico
Reino Unido Singapur FSICApara ciencias e ingeniera Volumen 1
Sptima edicin
2. Fsica para ciencias e ingeniera Volumen 1. Sptima edicin.
Raymond A. Serway y John W. Jewett, Jr. Presidente de Cengage
Learning Latinoamrica: Javier Arellano Gutirrez Director general
Mxico y Centroamrica: Hctor Enrique Galindo Iturribarra Director
editorial Latinoamrica: Jos Toms Prez Bonilla Editor: Sergio R.
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de lo permitido en el Captulo III, Artculo 27 de la Ley Federal del
Derecho de Autor, sin el consentimiento por escrito de la
Editorial. Traducido del libro Physics for Scientists and Engineers
Volume 1, Seventh Edition Publicado en ingls por Brooks/Cole 2008
ISBN: 0-495-11243-7 Datos para catalogacin bibliogrfica: Raymond A.
Serway y John W. Jewett, Jr. Fsica para ciencias e ingeniera.
Volumen 1. Sptima edicin. ISBN-13: 978-607-481-357-9 ISBN-10:
607-481-357-4 Visite nuestro sitio en:
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3. Dedicamos este libro a nuestras esposas Elizabeth y Lisa, y
a todos nuestros hijos y nietos por su amorosa comprensin cuando
pasamos tiempo escribiendo en lugar de estar con ellos.
4. v Parte 1 MECNICA 1 1 Fsica y medicin 2 2 Movimiento en una
dimensin 19 3 Vectores 53 4 Movimiento en dos dimensiones 71 5 Las
leyes del movimiento 100 6 Movimiento circular y otras aplicaciones
de las leyes de Newton 137 7 Energa de un sistema 163 8 Conservacin
de energa 195 9 Cantidad de movimiento lineal y colisiones 227 10
Rotacin de un objeto rgido en torno a un eje fijo 269 11 Cantidad
de movimiento angular 311 12 Equilibrio esttico y elasticidad 337
13 Gravitacin universal 362 14 Mecnica de fluidos 389
Contenidobreve Parte 2 OSCILACIONES Y ONDAS MECNICAS 417 15
Movimiento oscilatorio 418 16 Movimiento ondulatorio 449 17 Ondas
sonoras 474 18 Sobreposicin y ondas estacionarias 500 Parte 3
TERMODINMICA 531 19 Temperatura 532 20 Primera ley de la
termodinmica 553 21 Teora cintica de los gases 587 22 Mquinas
trmicas, entropa y segunda ley de la termodinmica 612 Apndices A-1
Respuestas a problemas con nmero impar A-25 ndice I-1 CortesadeNASA
.rJ,tteweJ.WnhoJ
5. vii Acerca de los autores xi Prefacio xiii Al estudiante
xxiii PARTE 1 MECNICA 1 Captulo 1 Fsica y medicin 2 1.1 Estndares
de longitud, masa y tiempo 3 1.2 Materia y construccin de modelos 6
1.3 Anlisis dimensional 7 1.4 Conversin de unidades 10 1.5
Estimaciones y clculos de orden de magnitud 11 1.6 Cifras
significativas 12 Captulo 2 Movimiento en una dimensin 19 2.1
Posicin, velocidad y rapidez 20 2.2 Velocidad y rapidez instantnea
23 2.3 Modelos de anlisis: La partcula bajo velocidad constante 26
2.4 Aceleracin 27 2.5 Diagramas de movimiento 31 2.6 La partcula
bajo aceleracin constante 32 2.7 Objetos en cada libre 36 2.8
Ecuaciones cinemticas deducidas del clculo 39 Estrategia General
para Resolver Problemas 42 Captulo 3 Vectores 53 3.1 Sistemas
coordenados 53 3.2 Cantidades vectoriales y escalares 55 3.3
Algunas propiedades de los vectores 55 3.4 Componentes de un vector
y vectores unitarios 59 Captulo 4 Movimiento en dos dimensiones 71
4.1 Vectores de posicin, velocidad y aceleracin 71 4.2 Movimiento
en dos dimensiones con aceleracin constante 74 4.3 Movimiento de
proyectil 77 4.4 Partcula en movimiento circular uniforme 84 4.5
Aceleraciones tangencial y radial 86 4.6 Velocidad y aceleracin
relativas 87 Captulo 5 Las leyes del movimiento 100 5.1 Concepto de
fuerza 100 5.2 Primera ley de Newton y marcos inerciales 102 5.3
Masa 103 5.4 Segunda ley de Newton 104 5.5 Fuerza gravitacional y
peso 106 5.6 Tercera ley de Newton 107 5.7 Algunas aplicaciones de
las leyes de Newton 109 5.8 Fuerzas de friccin 119 Captulo 6
Movimiento circular y otras aplicaciones de las leyes de Newton 137
6.1 Segunda ley de Newton para una partcula en movimiento circular
uniforme 137 6.2 Movimiento circular no uniforme 143 6.3 Movimiento
en marcos acelerados 145 6.4 Movimiento en presencia de fuerzas
resistivas 148 Captulo 7 Energa de un sistema 163 7.1 Sistemas y
entornos 164 7.2 Trabajo invertido por una fuerza constante 164 7.3
Producto escalar de dos vectores 167 7.4 Trabajo consumido por una
fuerza variable 169 7.5 Energa cintica y el teorema trabajoenerga
cintica 174 7.6 Energa potencial de un sistema 177 7.7 Fuerzas
conservativas y no conservativas 181 7.8 Correspondencia entre
fuerzas conservativas y energa potencial 183 7.9 Diagramas de
energa y equilibrio de un sistema 185 Captulo 8 Conservacin de
energa 195 8.1 El sistema no aislado: conservacin de energa 196 8.2
El sistema aislado 198 8.3 Situaciones que incluyen friccin cintica
204 8.4 Cambios en energa mecnica para fuerzas no conservativas 209
8.5 Potencia 213 Captulo 9 Cantidad de movimiento lineal y
colisiones 227 9.1 Cantidad de movimiento lineal y su conservacin
228 9.2 Impulso y cantidad de movimiento 232 9.3 Colisiones en una
dimensin 234 9.4 Colisiones en dos dimensiones 242 9.5 El centro de
masa 245 9.6 Movimiento de un sistema de partculas 250 9.7 Sistemas
deformables 253 9.8 Propulsin de cohetes 255 Contenido
ThomsonLearning/CharlesD.Winters
6. Captulo 10 Rotacin de un objeto rgido en torno a un eje fijo
269 10.1 Posicin, velocidad y aceleracin angular 269 10.2 Cinemtica
rotacional: Objeto rgido bajo aceleracin angular constante 272 10.3
Cantidades angulares y traslacionales 273 10.4 Energa cintica
rotacional 276 10.5 Clculo de momentos de inercia 278 10.6 Momento
de torsin 282 10.7 Objeto rgido bajo un momento de torsin neto 283
10.8 Consideraciones energticas en el movimiento rotacional 287
10.9 Movimiento de rodamiento de un objeto rgido 291 Captulo 11
Cantidad de movimiento angular 311 11.1 Producto vectorial y
momento de torsin 311 11.2 Cantidad de movimiento angular: el
sistema no aislado 314 11.3 Cantidad de movimiento angular de un
objeto rgido giratorio 318 11.4 El sistema aislado: conservacin de
cantidad de movimiento angular 321 11.5 El movimiento de
giroscopios y trompos 326 Captulo 12 Equilibrio esttico y
elasticidad 337 12.1 Objeto rgido en equilibrio 337 12.2 Ms acerca
del centro de gravedad 340 12.3 Ejemplos de objetos rgidos en
equilibrio esttico 341 12.4 Propiedades elsticas de los slidos 347
Captulo 13 Gravitacin universal 362 13.1 Ley de Newton de
gravitacin universal 363 13.2 Aceleracin en cada libre y fuerza
gravitacional 365 13.3 Las leyes de Kepler y el movimiento de los
planetas 367 13.4 El campo gravitacional 372 13.5 Energa potencial
gravitacional 373 13.6 Consideraciones energticas en el movimiento
planetario y de satlites 375 Captulo 14 Mecnica de fluidos 389 14.1
Presin 390 14.2 Variacin de la presin con la profundidad 391 14.3
Mediciones de presin 395 14.4 Fuerzas de flotacin y principio de
Arqumedes 395 14.5 Dinmica de fluidos 399 14.6 Ecuacin de Bernoulli
402 14.7 Otras aplicaciones de la dinmica de fluidos 405 PARTE 2
OSCILACIONES Y ONDAS MECNICAS 417 Captulo 15 Movimiento oscilatorio
418 15.1 Movimiento de un objeto unido a un resorte 419 15.2
Partcula en movimiento armnico simple 420 15.3 Energa del oscilador
armnico simple 426 15.4 Comparacin de movimiento armnico simple con
movimiento circular uniforme 429 15.5 El pndulo 432 15.6
Oscilaciones amortiguadas 436 15.7 Oscilaciones forzadas 437
Captulo 16 Movimiento ondulatorio 449 16.1 Propagacin de una
perturbacin 450 16.2 El modelo de onda progresiva 454 16.3 La
rapidez de ondas en cuerdas 458 16.4 Reflexin y transmisin 461 16.5
Rapidez de transferencia de energa mediante ondas sinusoidales en
cuerdas 463 16.6 La ecuacin de onda lineal 465 Captulo 17 Ondas
sonoras 474 17.1 Rapidez de ondas sonoras 475 17.2 Ondas sonoras
peridicas 476 17.3 Intensidad de ondas sonoras peridicas 478 17.4
El efecto Doppler 483 17.5 Grabacin de sonido digital 488 17.6
Sonido cinematogrfico 491 Captulo 18 Sobreposicin y ondas
estacionarias 500 18.1 Sobreposicin e interferencia 501 18.2 Ondas
estacionarias 505 18.3 Ondas estacionarias en una cuerda fija en
ambos extremos 508 18.4 Resonancia 512 18.5 Ondas estacionarias en
columnas de aire 512 18.6 Ondas estacionarias en barras y membranas
516 18.7 Batimientos: interferencia en el tiempo 516 18.8 Patrones
de onda no sinusoidales 519 NASA viii Contenido
7. Contenido ix PARTE 3 TERMODINMICA 531 Captulo 19 Temperatura
532 19.1 Temperatura y ley cero de la termodinmica 532 19.2
Termmetros y escala de temperatura Celsius 534 19.3 Termmetro de
gas a volumen constante y escala absoluta de temperatura 535 19.4
Expansin trmica de slidos y lquidos 537 19.5 Descripcin macroscpica
de un gas ideal 542 Captulo 20 Primera ley de la termodinmica 553
20.1 Calor y energa interna 554 20.2 Calor especfico y calorimetra
556 20.3 Calor latente 560 20.4 Trabajo y calor en procesos
termodinmicos 564 20.5 Primera ley de la termodinmica 566 20.6
Algunas aplicaciones de la primera ley de la termodinmica 567 20.7
Mecanismos de transferencia de energa 572 Captulo 21 Teora cintica
de los gases 587 21.1 Modelo molecular de un gas ideal 587 21.2
Calor especfico molar de un gas ideal 592 21.3 Procesos adiabticos
para un gas ideal 595 21.4 Equiparticin de la energa 597 21.5
Distribucin de magnitudes de velocidad moleculares 600 Captulo 22
Mquinas trmicas, entropa y segunda ley de la termodinmica 612 22.1
Mquinas trmicas y segunda ley de la termodinmica 613 22.2 Bombas de
calor y refrigeradores 615 22.3 Procesos reversibles e
irreversibles 617 22.4 La mquina de Carnot 618 22.5 Motores de
gasolina y diesel 622 22.6 Entropa 624 22.7 Cambios de entropa en
procesos irreversibles 627 22.8 Entropa de escala microscpica 629
Apndice A Tablas A1 Tabla A.1 Factores de conversin A-1 Tabla A.2
Smbolos, dimensiones y unidades de cantidades fsicas A-2 Apndice B
Repaso matemtico A4 B.1 Notacin cientfica A-4 B.2 lgebra A-5 B.3
Geometra A-9 B.4 Trigonometra A-10 B.5 Series de expansin A-12 B.6
Clculo diferencial A-13 B.7 Clculo integral A-16 B.8 Propagacin de
incertidumbre A-20 Apndice C Tabla peridica de los elementos A22
Apndice D Unidades del SI A24 D.1 Unidades del SI A-24 D.2 Algunas
unidades del SI deducidas A-24 Respuestas a problemas con nmero
impar A25 ndice I1 GeorgeSemple
8. xi Raymond A. Serway recibi su doctorado en el Illinois
Institute of Technology y es profesor emrito en la James Madison
University. En 1990 recibi el Madison Scholar Award en la James
Madison University, donde ense durante 17 aos. El doctor Serway
comenz su carrera docente en la Clarkson University, donde dirigi
investigacin y en- se de 1967 a 1980. En 1977 recibi el
Distinguished Teaching Award en la Clarkson University y el Alumni
Achievement Award del Utica College en 1985. Como cientfico
invitado en el IBM Research Laboratory en Zurich, Suiza, trabaj con
K. Alex Mller, ganador del premio Nobel 1987. El doctor Serway
tambin fue cientfico visitante en el Argonne National Laboratory,
donde colabor con su mentor y amigo, Sam Marshall. Adems de las
primeras ediciones de este libro, el doctor Serway es coautor de
Principles of Physics, cuarta edicin; College Physics, sptima
edicin; Essentials of College Physics; y Modern Physics, tercera
edicin. Tambin es coautor del libro de bachillerato Physics,
publicado por Holt, Rinehart y Winston. Adems, el doctor Serway ha
publicado ms de 40 artculos de investigacin en el campo de fsica de
materia condensada y ha impartido ms 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
especia- lidad en las propiedades pticas y magnticas de la materia
condensada. El doctor Jewett comenz su carrera acadmica en el
Richard Stockton College de Nueva Jersey, donde ense de 1974 a
1984. En la actualidad es profesor de fsica en la California State
Po- lytechnic University, Pomona. A lo largo de su carrera docente,
el doctor Jewett ha sido un activo promotor de la educacin en
ciencias. Adems de recibir cuatro becas National Science
Foundation, ayud a fundar y dirigir el Southern California Area
Modern Physics Institute. Tambin dirigi el Science IMPACT
(Institute of Modern Pedagogy and Creative Teaching), que trabaja
con profesores y escuelas para desarrollar currcula efectiva en
cien- cia. Los premios del doctor Jewett incluyen el Stockton Merit
Award en el Richard Stoc- kton 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 ms de 80 conferencias en reuniones profesionales,
incluidas conferencias en eventos internacionales en China y Japn.
Adems de su trabajo en este libro, es coautor de Principles of
Physics, cuarta edicin, 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 fsicos, viajar y coleccionar
antigedades que se puedan usar como aparatos de demostracin en
clases de fsica. Lo ms importante, le gusta pasar el tiempo con su
esposa, Lisa, y sus hijos y nietos. Acercadelosautores
9. Al escribir esta sptima edicin de Fsica para ciencias e
ingeniera, continuamos nuestros es- fuerzos actuales por mejorar la
claridad de la presentacin e incluir nuevas caractersticas
pedaggicas que ayudan a apoyar los procesos de aprendizaje y
enseanza. Al retroalimen- tar las sugerencias de los usuarios de la
sexta edicin, as como de los revisores, hemos clarificado el texto
para satisfacer mejor las necesidades de los estudiantes y
profesores. Este libro est pensado para un curso introductorio de
fsica para estudiantes que se especializan en ciencia o ingeniera.
Todo el contenido del libro en su versin amplia podra cubrirse en
un curso de tres semestres, pero es posible usar el material en
secuen- cias ms breves con la omisin de captulos y subtemas
seleccionados. Los antecedentes matemticos ideales de los
estudiantes que tomen este curso deben incluir un semestre de
clculo. Si esto no es posible, el estudiante debe inscribirse en un
curso simultneo de introduccin al clculo. Objetivos Este libro de
introduccin a la fsica tiene dos objetivos principales:
proporcionar al estu- diante una presentacin clara y lgica de los
conceptos bsicos y principios de la fsica y fortalecer la
comprensin de los conceptos y principios a travs de un amplio
intervalo de aplicaciones interesantes al mundo real. Para
satisfacer estos objetivos, hemos enfatizado en argumentos fsicos
slidos y metodologa para resolver problemas. Al mismo tiempo hemos
intentado motivar al estudiante mediante ejemplos prcticos que
demuestren el papel de la fsica en otras disciplinas, incluidas
ingeniera, qumica y medicina. Cambios en la sptima edicin Para
preparar la sptima edicin de este texto se hicieron varios cambios
y mejoras. Algu- nas de las nuevas caractersticas se basan en
nuestras experiencias y en tendencias actuales en educacin en
ciencia. Otros cambios se incorporaron en respuesta a comentarios y
sugerencias ofrecidos por los usuarios de la sexta edicin y por
revisores del manuscrito. Las caractersticas que se mencionan aqu
representan los principales cambios en la sp- tima edicin.
PREGUNTAS Y PROBLEMAS Se hizo una revisin sustancial de las
preguntas y problemas de fin de captulo con la finalidad de mejorar
su variedad, inters y valor pedaggico, 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 captulo estn en formato objetivo. Numerosos problemas en cada
captulo piden explcitamente razonamiento cualitativo en algunas
partes, as como respuestas cuantitativas en otras: xiii Prefacio
19. Considere una porcin de aire en un tubo recto que se mueve con
una aceleracin constante de 4.00 m/s2 y tiene una velo- cidad de
13.0 m/s a las 10:05:00 a.m., en cierta fecha. a) Cul es su
velocidad a las 10:05:01 a.m.? b) A las 10:05:02 a.m.? c) A las
10:05:02.5 a.m.? d) A las 10:05:04 a.m.? e) A las 10:04:59 a.m.? f)
Describa la forma de una grfica de velocidad en funcin del tiempo
para esta porcin de aire. g) Argumente a favor o en contra del
enunciado conocer un solo valor de la aceleracin constante de un
objeto es como conocer toda una lista de valores para su velocidad.
EJEMPLOS Todos los ejemplos en el texto se remodelaron y ahora se
presentan en un formato de dos columnas para reforzar mejor los
conceptos fsicos. La columna izquierda muestra informacin textual
que describe las etapas para resolver el problema. La colum- na
derecha muestra las operaciones matemticas y los resultados de
seguir dichos pasos. Esta presentacin facilita la concordancia del
concepto con su ejecucin matemtica y ayuda a los estudiantes a
organizar su trabajo. Dichos ejemplos reconstituidos siguen de
cerca una Estrategia General para Resolver Problemas que se
introduce en el captulo 2 para reforzar hbitos efectivos para
resolver problemas. CharlesD.Winters
10. xiv Prefacio Cada solucin se reorganiz para seguir ms de
cerca la Estrategia General para Resolver Problemas que se resalta
en el captulo 2, para reforzar buenos hbitos en la solucin de
problemas. Cada paso de la solucin se detalla en un formato de dos
columnas. La columna izquierda proporciona una explicacin para cada
paso matemtico de la columna derecha, para reforzar mejor los
conceptos fsicos. Los enunciados Qu pasara si? aparecen casi en 1/3
de los ejemplos trabajados y ofrecen una variacin de la situacin
planteada en el texto del ejemplo. Por ejemplo, esta caracterstica
puede explorar los efectos de cambiar las condiciones de la
situacin, determinar qu sucede cuando una cantidad se lleva a un
valor lmite particular o preguntar si se puede determinar
informacin adicional acerca de la situacin del problema. Esta
caracterstica alienta a los estudiantes a pensar acerca de los
resultados del ejemplo y auxiliarlos en la interpretacin conceptual
de los principios. El desplazamiento resultante del automvil es
48.2 km con una direccin de 38.9 al noroeste. Finalizar El ngulo ,
que se calcul, concuerda con una estimacin realizada al observar la
figura 3.11a o con un ngulo real medido del diagrama con el uso del
mtodo grfico? Es razonable que la magnitud de R S sea mayor que la
de A S y B S ? Las unidades de R S son correctas? Aunque el mtodo
grfico de sumar vectores funciona bien, tiene dos desventajas.
Primera, algunas personas en- cuentran abrumador el uso de las
leyes de cosenos y senos. Segunda, un tringulo slo resulta si suma
dos vectores. Si suma tres o ms vectores, la forma geomtrica
resultante no es un tringulo. En la seccin 3.4 se explora un nuevo
mto- do para sumar vectores que abordar estas dos desventajas. Qu
pasara si? Considere que el viaje se realiza considerando los dos
vectores en orden inverso: 35.0 km con direccin 60.0 al noroeste
primero y despus 20.0 km al norte. Cmo cambiaran la magnitud y
direccin del vector resultante? Respuesta No cambiaran. La ley
conmutativa para la suma vectorial dice que el orden de los
vectores en una suma es irrelevante. Grficamente, la figura 3.11b
muestra que los vectores sumados en orden inverso proporcionan el
mismo vector resultante. EJEMPLO 3.2 Un viaje de vacaciones Un
automvil viaja 20.0 km al norte y luego a 35.0 km en una direccin
60.0 al noroeste, como se muestra en la figura 3.11a. Encuentre la
magnitud y direccin del desplazamiento resultante del automvil.
SOLUCIN Conceptualizar Los vectores A S y B S dibujados en la fi-
gura 3.11a ayudan a formar conceptos del problema. Categorizar Este
ejemplo se puede clasificar como un simple problema de anlisis
acerca de suma vec- torial. El desplazamiento R S es la resultante
cuando se suman los dos desplazamientos individuales A S y B S .
In- cluso se puede clasificar como un problema acerca del anlisis
de tringulos, as que se acude a la experiencia en geometra y
trigonometra. Analizar En este ejemplo se muestran dos formas para
analizar el problema de encontrar la resultante de dos vectores. La
primera es resolver el problema mediante la geometra, con el uso de
papel graficado y un transportador para medir la magnitud de R S y
su direccin en la figura 3.11a. (De hecho, aun cuando sepa que va a
realizar un clculo, debe bosquejar los vectores para comprobar sus
resultados.) Con una regla y transportador ordinarios, tpicamente
un buen diagrama da respuestas con dos dgitos pero no con una
precisin de tres dgitos. La segunda forma de resolver el problema
es analizarlo con el lgebra. La magnitud de R S se obtiene a partir
de la ley de cosenos, tal como se aplica al tringulo (vase el
apndice B.4). Aplique R2 A2 B2 2AB cos de la ley de cosenos para
encontrar R: Sustituya valores numricos y advierta que 180 60 120:
Aplique la ley de senos (apndice B.4) para encontrar la direccin de
R S medida desde la direccin norte: y (km) 40 20 60.0 R A x (km) 0
y (km) B 20 A x (km) 020 b) N S O EB 20 R 40 a) Figura 3.11
(Ejemplo 3.2) a) Mtodo grfico para encontrar el vector de
desplazamiento resultante R S A S B S . b) Sumar los vectores en
orden inverso (B S A S ) da el mismo resultado para R S . R A2 B2
2AB cos 48.2 km R 120.0 km22 135.0 km22 2120.0 km2 135.0 km2 cos
120 38.9 sen B R sen 35.0 km 48.2 km sen 120 0.629 sen B sen R
11. Prefacio xv TAREAS EN LNEA Ahora es ms fcil asignar tarea
en lnea con Serway y Jewett y Enhanced WebAssign. Todos los
ejemplos trabajados, problemas de fin de captulo, figuras,
preguntas rpidas y la mayora de las preguntas estn disponibles en
WebAssign. La mayora de los problemas incluyen sugerencias y
retroalimentacin para proporcionar reforzamiento instantneo o
instrucciones para dicho problema. Adems del contenido del texto,
hemos agregado herramientas de correccin matemtica para ayudar a
los estudiantes a adquirir rapidez en lgebra, trigonometra y
clculo. RESMENES Cada captulo contiene un resumen que revisa los
conceptos y ecuaciones importantes explicados en dicho captulo. Una
nota marginal junto a cada resumen de captulo dirige a los
estudiantes a preguntas adicionales, animaciones y ejercicios
interac- tivos para dicho captulo en el sitio Web. El formato del
resumen de fin de captulo se revis por completo para esta edicin.
El resumen se divide en tres secciones: Definiciones, Conceptos y
Principios, y Modelos de anlisis para resolver problemas. En cada
seccin, recuadros tipo ficha de estudio se enfocan en cada
definicin, concepto, principio o modelo de anlisis separado.
APNDICE MATEMTICO El apndice matemtico, una valiosa herramienta
para los estu- diantes, se actualiz para mostrar las herramientas
matemticas en un contexto fsico. Este recurso es ideal para los
estudiantes que necesitan un repaso rpido acerca de temas tales
como lgebra y trigonometra. CAMBIO EN EL CONTENIDO El contenido y
organizacin del libro son esencialmente los mismos que en la sexta
edicin. Muchas secciones de varios captulos se afinaron, borraron o
combinaron con otras secciones para permitir una presentacin ms
balanceada. Los vectores ahora se denotan en negritas con una
flecha sobre ellos (por ejemplo, v S ), as son ms fciles de
reconocer. Los captulos 7 y 8 se reorganizaron por completo con la
idea de preparar a los estudiantes para aplicar un planteamiento
unificado de la energa a lo largo del texto. Una nueva seccin en el
captulo 9 ensea a los estudiantes cmo analizar sistemas deformables
con la ecuacin de conservacin de la energa y el teorema impul-
socantidad de movimiento. En el sitio Web de la compaa puede
encontrar una lista ms detallada de los cambios de contenido.
Contenido El material en este libro cubre temas fundamentales de
fsica clsica y proporciona una introduccin a la fsica moderna. El
libro se divide en seis partes. La Parte 1 (captulos 1 a 14) se
relaciona con los fundamentos de la mecnica newtoniana y la fsica
de fluidos; la Parte 2 (captulos 15 a 18) cubre oscilaciones, ondas
mecnicas y sonido; la Parte 3 (captulos 19 a 22) aborda el calor y
la termodinmica. Caractersticas del texto La mayora de los
instructores cree que el libro seleccionado para un curso debe ser
la principal gua del estudiante para entender y aprender la materia
de estudio. Adems, el libro debe tener un estilo accesible y estar
escrito para facilitar la instruccin y el apren- dizaje. Con estos
puntos en mente, hemos incluido muchas caractersticas pedaggicas,
que se mencionan a continuacin, y tienen la intencin de mejorar su
utilidad tanto a estudiantes como a instructores. Resolucin de
problemas y comprensin conceptual ESTRATEGIA GENERAL PARA RESOLVER
PROBLEMAS Al final del captulo 2 se perfila una estrategia general
a seguir por los estudiantes y les proporciona un proceso
estructurado para resolver problemas. En los captulos restantes la
estrategia se emplea explcitamente en cada ejemplo, de modo que los
estudiantes aprenden cmo se aplica.
ThomsonLearning/CharlesD.Winters
12. xvi Prefacio MODELADO Aunque los estudiantes se enfrentan
con cientos de problemas durante sus cursos de fsica, los
instructores se dan cuenta de que un nmero relativamente pequeo de
situaciones fsicas forma la base de estos problemas. Al enfrentar
un problema nuevo, un fsico forma un modelo del problema para
resolverlo de manera simple al identificar la situacin fsica comn
que se presenta en el problema. Por ejemplo, muchos problemas
involucran partculas bajo aceleracin constante, sistemas aislados u
ondas bajo refraccin. Ya que los fsicos han estudiado estas
situaciones ampliamente y comprenden el compor- tamiento asociado,
pueden aplicar este conocimiento como un modelo para un nuevo
problema. En ciertos captulos esta sptima edicin identifica modelos
de anlisis, que son situaciones fsicas (como la partcula bajo
aceleracin constante, el sistema aislado o la onda bajo refraccin)
que se presenta de manera frecuente, que se pueden usar como un
modelo para resolver un problema no familiar. Estos modelos se
explican en el texto del captulo y el estudiante los recuerda en el
resumen de fin de captulo bajo el encabezado Modelos de anlisis
para resolver problemas. PROBLEMAS Un extenso conjunto de problemas
se incluye al final de cada captulo; en total, el texto contiene
aproximadamente tres mil problemas. Las respuestas a los proble-
mas con nmero impar se proporcionan al final del libro. Para
conveniencia, tanto del estudiante como del instructor, casi dos
tercios de los problemas tienen claves referentes a secciones
especficas del captulo. Los problemas restantes, etiquetados como
Problemas adicionales, no tienen claves a secciones especficas. La
numeracin para problemas direc- tos se imprimen en negro, para
problemas de nivel intermedio en azul y para problemas desafiantes
en magenta. Problemas no slo un nmero Cada captulo incluye varios
problemas marcados que requieren que los estudiantes piensen
cualitativamente en algunas partes y cuan- titativamente en otras.
Los instructores pueden asignar tales problemas para guiar a los
estudiantes hacia una comprensin ms profunda, practicar buenas
tcnicas de resolucin de problemas y prepararse para los exmenes.
Problemas para desarrollar razonamiento simblico Cada captulo
contiene proble- mas que piden soluciones en forma simblica, as
como muchos problemas piden respuestas numricas. Para ayudar a los
estudiantes a desarrollar habilidades en el razonamiento simblico,
cada captulo contiene un par de problemas de otra ma- nera
idnticos, uno que pide una solucin numrica y uno que pide una
deduccin simblica. En esta edicin, adems cada captulo tiene un
problema que da un valor numrico por cada dato menos uno, de modo
que la respuesta muestra cmo la incg- nita depende del dato
representado simblicamente. Por lo tanto la respuesta tiene la
forma de la funcin de una variable, familiar al estudiante a partir
de las matemticas. Razonar acerca del comportamiento de esta funcin
pone nfasis en la etapa Finalizar de la Estrategia General para
Resolver Problemas. Todos los problemas que desarro- llan
razonamiento simblico se identifican mediante una pantalla de color
beige: masa m que se puede mover sin friccin sobre una superficie
horizontal. El disco se pone en movimiento en un crculo con un
periodo de 1.30 s. a) Encuentre la extensin del resorte x conforme
depende de m. Evale x para b) m 0.070 0 kg, c) m 0.140 kg, d) m
0.180 kg y e) m 0.190 kg. f) Describa el patrn de variacin de x
como dependiente de m. 53. Un resorte ligero tiene una longitud no
estirada de 15.5 cm. Se describe mediante la ley de Hooke con
constante de resor- te 4.30 N>m. Un extremo del resorte
horizontal se mantiene sobre un eje vertical fijo, y el otro
extremo se une a un disco de Problemas de repaso Muchos captulos
incluyen problemas de repaso que requie- ren que el estudiante
combine conceptos cubiertos en el captulo con los que se explicaron
en captulos anteriores. Estos problemas reflejan la naturaleza
cohesiva de los principios en el texto y verifican que la fsica no
es un conjunto de ideas dis- persas. Cuando se mira hacia temas del
mundo real como el calentamiento global o las armas nucleares,
puede ser necesario invocar ideas fsicas de varias partes de un
libro como ste. Problemas Fermi Como en ediciones anteriores, al
menos un problema en cada captulo pide al estudiante razonar en
trminos de orden de magnitud. GeorgeSemple
13. Prefacio xvii Problemas de diseo Varios captulos contienen
problemas que le solicitan al estu- diante determinar parmetros de
diseo para un dispositivo prctico, de modo que pueda funcionar como
se requiere. Problemas Jeopardy! Muchos captulos dan a los
estudiantes prctica para cambiar entre diferentes representaciones,
al establecer ecuaciones y pedir una descripcin de una situacin a
la que aplicar, as como una respuesta numrica. Problemas en trminos
del clculo Todos los captulos contienen al menos un problema que
aplica ideas y mtodos del clculo diferencial y un problema que usa
clculo integral. El website del instructor, proporciona listas de
problemas que usan clculo, problemas que alientan o requieren uso
de computadora, problemas con partes Qu pasara si?, problemas a los
que se hace referencia en el texto del captulo, problemas en funcin
de la informacin experimental, problemas de orden de magnitud,
problemas acerca de aplicaciones biolgicas, problemas de diseo,
problemas Jeopardy!, problemas de repaso, problemas que reflejan
razonamiento histrico acerca de ideas confusas, problemas que
desarrollan habilidad de razonamiento simblico, problemas con
partes cualitativas, pre- guntas de clasificacin y otras preguntas
complementarias. PREGUNTAS La seccin de preguntas al final de cada
captulo se revis por completo. Se agregaron preguntas de opcin
mltiple, de clasificacin y verdadero-falso. El instructor puede
seleccionar entre ellas para asignar como tarea o usar en el saln
de clase, posible- mente con mtodos de instruccin de pares y acaso
con sistemas de compaginador. En esta edicin se incluyen ms de
ochocientas preguntas. Las respuestas a preguntas seleccionadas se
incluyen en el paquete de recursos que acompaan al libro
(http://lati- noamerica.cengage.com/serway), y las respuestas a
todas las preguntas se encuentran en el Manual de soluciones del
instructor. 19. O i) Clasifique las aceleraciones gravitacionales
que medira para a) un objeto de 2 kg a 5 cm arriba del suelo, b) un
objeto de 2 kg a 120 cm sobre el suelo, c) un objeto de 3 kg a 120
cm sobre el suelo y d) un objeto de 3 kg a 80 cm sobre el suelo.
Mencione primero el que tiene aceleracin con mayor mag- nitud. Si
dos son iguales, muestre su igualdad en la lista. ii) Clasifique
las fuerzas gravitacionales sobre los mismos cuatro objetos,
primero la mayor magnitud. iii) Clasifique las ener- gas
potenciales gravitacionales (del sistema objetoTierra) para los
mismos cuatro objetos, primero la mayor, y considere y 0 en el
suelo. 23. O A un cubo de hielo se le da un empujn y se desliza sin
friccin sobre una mesa a nivel. Qu es correcto? a) Est en
equilibrio estable. b) Est en equilibrio inestable. c) Est en
equilibrio neutro. d) No est en equilibrio. EJEMPLOS Para auxiliar
la comprensin del estudiante se presentan dos tipos de ejem- plos.
Todos los ejemplos en el texto se pueden asignar para tarea en
WebAssign. El primer tipo de ejemplo presenta un problema y
respuesta numrica. Como se seal anteriormente, las soluciones a
estos ejemplos se alteraron en esta edicin para presentar una
plantilla de dos columnas para explicar los conceptos fsicos y las
etapas matemticas lado a lado. Todo ejemplo sigue las etapas
explcitas de la Estrategia general para resolver problemas que se
resalta en el captulo 2. El segundo tipo de ejemplo es conceptual
en naturaleza. Para dar nfasis a la compren- sin de los conceptos
fsicos, los muchos ejemplos conceptuales se etiquetan como tales,
se ponen en recuadros y estn diseados para enfocar a los
estudiantes en la situacin fsica del problema. QU PASARA SI?
Aproximadamente un tercio de los ejemplos del texto contienen una
condicional Qu pasara si? Al completar la solucin del ejemplo, una
pregunta Qu pasara si? ofrece una variacin en la situacin planteada
en el texto del ejemplo. Por ejemplo, esta caracterstica puede
explorar los efectos de cambiar las condiciones de la situacin,
determinar lo que ocurre cuando una cantidad se lleva a un valor
lmite
14. xviii Prefacio particular, o preguntar si es posible
determinar informacin adicional acerca de la si- tuacin. Esta
caracterstica alienta a los estudiantes a pensar acerca de los
resultados del ejemplo; tambin ayuda en la interpretacin conceptual
de los principios. Las preguntas Qu pasara si? tambin preparan a
los estudiantes para encontrar problemas novedosos que se presenten
en los exmenes. Algunos de los problemas de fin de captulo tambin
incluyen esta caracterstica. PREGUNTAS RPIDAS Las preguntas rpidas
proporcionan a los estudiantes una opor- tunidad para poner a
prueba su comprensin de los conceptos fsicos presentados. Las
preguntas piden a los estudiantes tomar decisiones de acuerdo a un
razonamiento firme, y algunas de las preguntas se escribieron para
ayudar a los estudiantes a superar interpre- taciones equvocas
comunes. Las preguntas rpidas se presentan en un formato objetivo,
que incluyen opcin mltiple, verdaderofalso y de clasificacin. Las
respuestas a todas las preguntas rpidas se encuentran al final de
cada captulo. En el website estn dispo- nibles preguntas rpidas
adicionales que se pueden usar en la enseanza en el saln de clase.
Muchos instructores prefieren usar tales preguntas en un estilo de
enseanza de instruccin por bsqueda o con el uso de sistema de
respuesta personal compaginado- res, pero tambin se pueden usar en
formato de pregunta estndar. PREVENCIONES DE RIESGOS OCULTOS Ms de
doscientas Prevenciones de riesgos ocultos se proporcionan para
ayudar a los estudiantes a evitar errores y malas interpretaciones
co- munes. Estas caractersticas, que se colocan en los mrgenes del
texto, abordan tanto malas interpretaciones estudiantiles comunes
como situaciones en que los estudiantes con frecuencia siguen rutas
improductivas. Caractersticas tiles ESTILO Para facilitar la rpida
comprensin, hemos escrito el libro en un estilo claro, lgico y
atractivo. Elegimos un estilo de escribir que es un poco informal y
relajado de modo que los estudiantes encontrarn el texto atractivo
y agradable para leer. Los nuevos trminos se definen cuidadosamente
y hemos evitado el uso de vocabulario especial. ENUNCIADOS Y
ECUACIONES IMPORTANTES Los enunciados y definiciones ms importan-
tes se ponen en negritas o se resaltan con una pantalla para
agregar nfasis y facilitar la revisin. De igual modo, las
ecuaciones importantes se resaltan con una pantalla para facilitar
su ubicacin. NOTAS MARGINALES Los comentarios y notas que aparecen
en el margen con un icono se pueden usar para ubicar enunciados,
ecuaciones y conceptos importantes en el texto. USO PEDAGGICO DEL
COLOR Los lectores deben consultar el cuadro pedaggico de color (al
final del libro) para una lista de los smbolos en color que se usan
en los diagramas del texto. Este sistema se usa consistentemente en
todas las partes del texto. NIVEL MATEMTICO Introducimos el clculo
de manera gradual, teniendo en mente que los estudiantes con
frecuencia toman cursos introductorios de clculo y fsica simultnea-
mente. La mayora de las etapas se muestra cuando se desarrollan
ecuaciones bsicas, y con frecuencia se hace referencia a los
apndices matemticos cerca del final del texto. Los productos
vectoriales se introducen ms adelante en el texto, donde se
necesitan en aplicaciones fsicas. El producto punto se introduce en
el captulo 7, que aborda la ener- ga de un sistema; el producto
cruz se introduce en el captulo 11, que se relaciona con cantidad
de movimiento angular. PREVENCIN DE RIESGOS OCULTOS 16.2 Dos tipos
de rapidez velocidad No confunda v, la rapidez de la onda mientras
se propaga a lo largo de la cuerda, con vy, la velocidad
transversal de un punto sobre la cuerda. La rapidez v es constante
para un medio uniforme, mientras que vy vara sinusoidalmente.
Pregunta rpida 7.5 Se carga un dardo en una pistola de juguete,
accionada por resorte, al empujar el resorte hacia adentro una
distancia x. Para la siguiente carga, el resorte se comprime una
distancia 2x. Qu tan rpido deja la pistola el segundo dardo, en
com- paracin con el primero? a) cuatro veces ms rpido, b) dos veces
ms rpido, c) la misma, d) la mitad de rpido, e) un cuarto de
rpido.
15. Prefacio xix CIFRAS SIGNIFICATIVAS Las cifras
significativas tanto en los ejemplos trabajados como en los
problemas de fin de captulo se manejaron con cuidado. La mayora de
los ejemplos numricos se trabaja a dos o a tres cifras
significativas, depende de la precisin de los datos proporcionados.
Los problemas de fin de captulo por lo regular establecen datos y
respuestas a tres dgitos de precisin. UNIDADES A lo largo del texto
se usa el sistema internacional de unidades (SI). El sistema
estadounidense de unidades usuales slo se usa en una medida
limitada en los captulos acerca de mecnica y termodinmica. APNDICES
Casi al final del texto se proporcionan varios apndices. La mayora
del mate- rial de los apndices representa un repaso de conceptos y
tcnicas matemticas aplicadas en el texto, incluidos notacin
cientfica, lgebra, geometra, trigonometra, clculo dife- rencial y
clculo integral. En todas las partes del texto se hace referencia a
estos apndices. La mayor parte de las secciones de repaso matemtico
en los apndices incluyen ejemplos y ejercicios con respuestas.
Adems de los repasos matemticos, los apndices contienen tablas de
datos fsicos, factores de conversin y las unidades del SI de
cantidades fsicas, as como una tabla peridica de los elementos.
Otra informacin til (constantes funda- mentales y datos fsicos,
datos planetarios, una lista de prefijos estndar, smbolos mate-
mticos, el alfabeto griego y abreviaturas estndar de unidades de
medicin) aparecen al final del libro. Material de apoyo para el
profesor Este libro cuenta con una serie de recursos para el
profesor, los cuales estn disponibles en ingls y slo se
proporcionan a los docentes que lo adopten como texto en sus
cursos. Para mayor informacin, pngase en contacto con el rea de
servicio a clientes en las siguientes direcciones de correo
electrnico: Cengage Learning Mxico y Centroamrica
[email protected] Cengage Learning Caribe
[email protected] Cengage Learning Cono Sur
[email protected] Cengage Learning Paraninfo
[email protected] Cengage Learning Pacto Andino
[email protected] Los recursos disponibles se
encuentran en el sitio web del libro:
http://latinoamerica.cengage.com.serway Las direcciones de los
sitios web referidas en el texto no son administradas por Cengage
Learning Latinoamrica, por lo que sta no es responsable de los
cambios o actualizacio- nes de las mismas. Opciones de enseanza Los
temas en este libro se presentan en la siguiente secuencia: mecnica
clsica, oscila- ciones y ondas mecnicas, y calor y termodinmica.
Esta presentacin es una secuencia tradicional, donde el tema de las
ondas mecnicas se aborda antes que la electricidad y el magnetismo.
Para los instructores que ensean una secuencia de dos semestres,
algunas secciones y captulos se podran eliminar sin prdida de
continuidad. Las siguientes secciones se pueden considerar
opcionales para este propsito: 2.8 Ecuaciones cinemticas deducidas
del clculo 4.6 Velocidad y aceleracin relativas 6.3 Movimiento en
marcos acelerados 6.4 Movimiento en presencia de fuerzas resistivas
7.9 Diagramas de energa y equilibrio de un sistema 9.8 Propulsin de
cohetes 11.5 El movimiento de giroscopios y trompos 14.7 Otras
aplicaciones de la dinmica de fluidos 15.6 Oscilaciones
amortiguadas
16. xx Prefacio 15.7 Oscilaciones forzadas 17.5 Grabacin de
sonido digital 17.6 Sonido cinematogrfico 18.6 Ondas estacionarias
en barras y membranas 18.8 Patrones de onda no sinusoidales 22.8
Entropa a escala microscpica 25.7 El experimento de la gota de
aceite de Millikan 25.8 Aplicaciones de la electrosttica 26.7 Una
descripcin atmica de los dielctricos 27.5 Superconductores 28.5
Medidores elctricos 28.6 Cableado domstico y seguridad elctrica
29.3 Aplicaciones que involucran partculas con carga que se mueven
en un campo magntico 29.6 El efecto Hall 30.6 Magnetismo en la
materia 30.7 El campo magntico de la Tierra 31.6 Corrientes de Eddy
33.9 Rectificadores y filtros 34.6 Produccin de ondas
electromagnticas por una antena 36.5 Aberraciones de lentes 36.6 La
cmara 36.7 El ojo 36.8 El amplificador simple 36.9 El microscopio
compuesto 36.10 El telescopio 38.5 Difraccin de rayos X por
cristales 39.10 La teora de la relatividad general Reconocimientos
Esta sptima edicin de Fsica para ciencias e ingeniera se prepar con
la gua y asistencia de muchos profesores que revisaron selecciones
del manuscrito, la revisin previa del texto o ambos. Queremos
agradecer a los siguientes acadmicos y expresar nuestro sincero
aprecio por sus sugerencias, crticas y aliento: David P. Balogh,
Fresno City College Leonard X. Finegold, Drexel University Raymond
Hall, California State University, Fresno Bob Jacobsen, University
of California, Berkeley Robin Jordan, Florida Atlantic University
Rafael Lopez-Mobilia, University of Texas at San Antonio Diana
Lininger Markham, City College of San Francisco Steven Morris, Los
Angeles Harbor City College Taha Mzoughi, Kennesaw State University
Nobel Sanjay Rebello, Kansas State University John Rosendahl,
University of California, Irvine Mikolaj Sawicki, John A. Logan
College Glenn B. Stracher, East Georgia College Som Tyagi, Drexel
University Robert Weidman, Michigan Technological University Edward
A. Whittaker, Stevens Institute of Technology Este ttulo lo
comprobaron cuidadosamente para su exactitud Zinoviy Akkerman, City
Co- llege of New York; Grant Hart, Brigham Young University;
Michael Kotlarchyk, Rochester Institute of Technology; Andres
LaRosa, Portland State University; Bruce Mason, University of
Oklahoma at Norman; Peter Moeck, Portland State University; Brian
A. Raue, Florida International University; James E. Rutledge,
University of California at Irvine; Bjoern Sei-
17. Prefacio xxi pel, Portland State University; Z. M.
Stadnick, University of Ottowa; y Harry W. K. Tom, University of
California at Riverside. Queremos agradecerles sus diligentes
esfuerzos bajo presin de agenda. Estamos agradecidos con Ralph
McGrew por organizar los problemas de fin de captulo, escribir
muchos nuevos problemas y sugerir mejoras en el contenido del
texto. Los pro- blemas y preguntas nuevos en esta edicin fueron
escritos por Duane Deardorff, Thomas Grace, Francisco Izaguirre,
John Jewett, Robert Forsythe, Randall Jones, Ralph McGrew, Kurt
Vandervoort y Jerzy Wrobel. Las siguientes personas nos dieron
amablemente su ayuda: Dwight Neuenschwander, Michael Kinney, Amy
Smith, Will Mackin y el Sewer De- partment of Grand Forks, North
Dakota. Daniel Kim, Jennifer Hoffman, Ed Oberhofer, Richard Webb,
Wesley Smith, Kevin Kilty, Zinoviy Akkerman, Michael Rudmin, Paul
Cox, Robert LaMontagne, Ken Menningen y Chris Church hicieron
correcciones a los proble- mas tomados de ediciones anteriores.
Queremos agradecer a los autores John R. Gordon y Ralph McGrew por
preparar el Manual de soluciones/Gua de estudio del estudiante. El
autor Ralph McGrew prepar un excelente Manual de soluciones del
instructor. Edward Adelson edit y mejor cuidadosamente el banco de
pruebas. Kurt Vandervoort prepar preguntas rpidas adicionales para
el sitio Web de la compaa para el instructor. Gracias y
reconocimiento especial para el personal profesional en Brooks/Cole
Pu- blishing Company, en particular a Ed Dodd, Brandi Kirksey
(quien gestion el programa auxiliar y mucho ms), Shawn Vasquez, Sam
Subity, Teri Hyde, Michelle Julet, David Harris y Chris Hall, por
su fino trabajo durante el desarrollo y produccin de este libro.
Mark Santee es nuestro gerente de marketing estacional, y Bryan
Vann coordina nuestras comu- nicaciones de marketing. Reconocemos
el profesional servicio de produccin y excelente trabajo artstico
proporcionados por el personal en Lachina Publishing Services, y
los dedicados esfuerzos de investigacin fotogrfica de Jane Sanders
Miller. Para finalizar, estamos profundamente en deuda con nuestras
esposas, hijos y nietos por su amor, apoyo y sacrificios de largo
plazo. Raymond A. Serway St. Petersburg, Florida John W. Jewett,
Jr. Pomona, California
18. Alestudiante xxiii ThomsonLearnimg/CharlesD.Winters Es
adecuado ofrecer algunas palabras de consejo que deben ser de
beneficio para el estudiante. Antes de hacerlo, suponemos que ha
ledo el Prefacio, que describe las diferen- tes caractersticas del
texto y materiales de apoyo que le ayudarn a lo largo del curso.
Cmo estudiar Con frecuencia preguntan a los instructores: cmo debo
estudiar fsica y prepararme para los exmenes?. No hay una respuesta
simple a esta pregunta, pero podemos ofrecer algunas sugerencias de
acuerdo con nuestra experiencia en el aprendizaje y enseanza a
travs de los aos. Ante todo, mantenga una actitud positiva hacia el
tema de estudio, teniendo en mente que la fsica es la ms esencial
de todas las ciencias naturales. Otros cursos de ciencia que siguen
usarn los mismos principios fsicos, de modo que es importante que
entienda y sea capaz de aplicar los diversos conceptos y teoras
explicadas en el texto. Conceptos y principios Es esencial que
entienda los conceptos y principios bsicos antes de intentar
resolver los problemas asignados. Esta meta la puede lograr al leer
con cuidado el texto antes de asistir a su clase acerca del
material cubierto. Cuando lea el texto, debe anotar aquellos puntos
que no sean claros. Tambin haga un intento diligente por responder
las Pregun- tas rpidas, conforme las encuentra en su lectura. Hemos
trabajado duro para preparar preguntas que le ayuden a juzgar por s
mismo qu tan bien entiende el material. Estudie cuidadosamente las
preguntas Qu pasara si? que aparecen en muchos de los ejemplos
trabajados. Ellas le ayudarn a extender su comprensin ms all del
simple acto de llegar a un resultado numrico. Las Prevenciones de
riesgos ocultos tambin le ayudarn a alejarse de las malas
interpretaciones comunes con respecto a la fsica. Durante la clase,
tome notas y pregunte acerca de aquellas ideas que no le sean
claras. Tenga en mente que pocas per- sonas son capaces de absorber
todo el significado del material cientfico despus de slo una
lectura; pueden ser necesarias muchas lecturas del texto y sus
notas. Sus clases y tra- bajo de laboratorio complementan la
lectura del libro y deben clarificar algo del material ms difcil.
Debe minimizar su memorizacin del material. La memorizacin exitosa
de pasajes del texto, ecuaciones y derivaciones no necesariamente
indican que comprende el material. Su comprensin del material
mejorar mediante la combinacin de hbitos eficientes de estudio,
discusiones con otros estudiantes y con instructores, y su
habilidad para resolver los problemas que se presentan en el libro.
Pregunte siempre que crea que es necesario aclarar un concepto.
Agenda de estudio Es importante que configure una agenda de estudio
regular, de preferencia que sea diaria. Verifique que lee el
programa de estudio del curso y que ste coincide con el calendario
establecido por el instructor. Las clases tendrn mucho ms sentido
si lee el texto corres- pondiente antes de asistir a ellas. Como
regla general, debe dedicar aproximadamente dos horas de tiempo de
estudio por cada hora que est en clase. Si tiene problemas con el
curso, busque el consejo del instructor u otros estudiantes que
hayan tomado el curso. Puede ser necesario buscar ms instruccin de
estudiantes experimentados. Con mucha frecuencia, los instructores
ofrecen sesiones de repaso, adems de los periodos de clase
regulares. Evite la prctica de demorar el estudio hasta un da o dos
antes de un examen. Por lo general, este enfoque tiene resultados
desastrosos. En lugar de emprender una sesin de estudio de toda la
noche antes del examen, repase brevemente los conceptos y
ecuaciones bsicos, y luego tenga una buena noche de descanso.
19. Use las caractersticas Debes usar por completo las
diferentes caractersticas del texto explicadas en el Prefacio. Por
ejemplo, las notas marginales son tiles para localizar y describir
ecuaciones y concep- tos importantes, y las negritas indican
enunciados y definiciones importantes. En los apn- dices hay muchas
tablas tiles, pero la mayora se incorpora al texto, donde su
referencia es til. El apndice B es un repaso conveniente de tcnicas
matemticas. Las respuestas a los problemas con nmero impar se
proporcionan al final del libro, las respuestas a las preguntas
rpidas se ubican al final de cada captulo, y las soluciones a
preguntas y problemas de fin de captulo seleccionados se
proporcionan en el paquete de recursos que acompaan al libro. La
tabla de contenido proporciona un panorama de todo el texto, y el
ndice le permite ubicar rpidamente material especfico. En ocasiones
se usan notas a pie de pgina para complementar el texto o citar
otras referencias acerca del tema explicado. Despus de leer un
captulo, debe ser capaz de definir cualquier cantidad nueva intro-
ducida en dicho captulo y explicar los principios y suposiciones
que se usaron para llegar a ciertas relaciones clave. Los resmenes
de captulo y las secciones de repaso le ayudan a este respecto. En
algunos casos, puede encontrar necesario remitirse al ndice del
libro para ubicar ciertos temas. Debe ser capaz de asociar a cada
cantidad fsica el smbolo correcto para representar dicha cantidad y
la unidad en que se especifica la cantidad. Ade- ms, debe ser capaz
de expresar cada ecuacin importante en prosa concisa y exacta.
Resolucin de problemas R. P. Feynman, laureado Nobel en fsica, dijo
una vez: No sabes nada hasta que lo has practicado. Para estar de
acuerdo con este enunciado, le recomendamos encarecidamen- te que
desarrolle las habilidades necesarias para resolver una serie
amplia de problemas. Su habilidad para resolver problemas ser una
de las principales pruebas de su conoci- miento en fsica; por lo
tanto, debe intentar resolver tantos problemas como sea posible. Es
esencial que comprenda los conceptos y principios bsicos antes de
intentar resolver problemas. Es buena prctica intentar encontrar
soluciones alternas al mismo problema. Por ejemplo, puede resolver
problemas en mecnica usando las leyes de Newton, pero con mucha
frecuencia un mtodo alternativo que se apoye en consideraciones
energticas es ms directo. No debe engaarse y creer que entiende un
problema simplemente porque ha visto cmo se resolvi en clase. Debe
ser capaz de resolver el problema y problemas similares por cuenta
propia. El enfoque para resolver problemas se debe planear
cuidadosamente. Un plan siste- mtico es especialmente importante
cuando un problema involucra muchos conceptos. Primero, lea el
problema muchas veces hasta que est seguro de que entiende qu se
pide. Busque palabras clave que le ayuden a interpretar el problema
y tal vez le posibiliten la formulacin de ciertas suposiciones. Su
habilidad para interpretar adecuadamente una pregunta es una parte
integral de la resolucin del problema. Segundo, debe adquirir el
hbito de escribir la informacin conocida en un problema y aquellas
cantidades que necesite encontrar; por ejemplo, puede construir una
tabla que mencione tanto las can- tidades conocidas como las
cantidades a encontrar. Este procedimiento se usa a veces en los
ejemplos trabajados del libro. Por ltimo, despus de decidir el
mtodo que considere apropiado para un problema determinado, proceda
con su solucin. La Estrategia General para Resolver Problemas le
guiar a travs de problemas complejos. Si sigue las etapas de este
procedimiento (Conceptualizar, Categorizar, Analizar, Finalizar),
le ser ms fcil llegar a una solucin y ganar ms por sus esfuerzos.
Dicha estrategia, ubicada al final del captulo 2, se usa en todos
los ejemplos en los captulos restantes, de modo que puede aprender
cmo aplicarla. En el texto se incluyen estrategias especficas para
resolucin de problemas para ciertos tipos de situaciones y aparecen
con un encabezado azul. Dichas estrategias especficas siguen el
esbozo de la Estrategia General para Resolver Problemas. Con
frecuencia, los estudiantes fracasan en el reconocimiento de las
limitaciones de ciertas ecuaciones o leyes fsicas en una situacin
particular. Es muy importante que entienda y recuerde las
suposiciones que subyacen a una teora o formalismo particular. Por
ejemplo, ciertas ecuaciones en cinemtica slo se aplican a una
partcula en movimien- to con aceleracin constante. Estas ecuaciones
no son vlidas para describir el movimiento xxiv Al estudiante
20. cuya aceleracin no sea constante, como el movimiento de un
objeto conectado a un resorte o el movimiento de un objeto a travs
de un fluido. Estudie cuidadosamente los Modelos de anlisis para
resolver problemas en los resmenes de captulo, de modo que sepa cmo
se aplica cada modelo a una situacin especfica. Experimentos La
fsica es una ciencia que se apoya en observaciones experimentales.
Por lo tanto, reco- mendamos que intente complementar el texto,
realizando varios tipos de experimentos prcticos, en casa o en el
laboratorio. Estos experimentos se pueden usar para poner a prueba
ideas y modelos explicados en clase o en el libro. Por ejemplo, el
juguete comn Slinky es excelente para estudiar ondas progresivas,
una bola que se balancea en el extre- mo de una cuerda larga se
puede usar para investigar el movimiento pendular, diferentes masas
unidas al extremo de un resorte o banda de goma vertical se pueden
usar para determinar su naturaleza elstica, un viejo par de lentes
de sol y algunos lentes de dese- cho y una lupa son los componentes
de diferentes experimentos en ptica, y una medida aproximada de la
aceleracin en cada libre se puede determinar simplemente al medir
con un cronmetro el tiempo que una bola tarda en caer desde una
altura conocida. La lista de tales experimentos es interminable.
Cuando no estn disponibles modelos fsicos, sea imaginativo e
intente desarrollar modelos por cuenta propia. Nuevos medios Le
recomendamos enormemente usar el sistema de aprendizaje basado en
el paquete de recursos que acompaa a este libro. Es mucho ms fcil
comprender la fsica si la ve en accin, y estos nuevos materiales le
permitirn volverte parte de dicha accin. Los medios descritos en el
Prefacio, presentan un proceso de aprendizaje en tres pasos, que
consisten en evaluacin preliminar, plan de aprendizaje
personalizado y una evaluacin posterior. Es nuestro sincero deseo
que encuentre la fsica como una experiencia excitante y agradable,
y que se beneficie de esta experiencia sin importar la profesin que
elija. El cientfico no estudia la naturaleza porque sea til; la
estudia porque se deleita en ella, y se deleita en ella porque es
hermosa. Si la naturaleza no fuera hermosa, no valdra la pena
conocerla, y si no valiera la pena conocer la naturaleza, no valdra
la pena vivir la vida. Henri Poincar
ThomsonLearnimg/CharlesD.Winters Al estudiante xxv
21. La fsica, fundamental entre las ciencias fsi- cas, se ocupa
de los principios esenciales del Universo. Es el cimiento sobre el
que se erigen las otras ciencias: astronoma, biologa, qumica y
geologa. La belleza de la fsica consiste en la simplicidad de sus
principios cardinales y en la forma en que slo un pequeo nmero de
conceptos y modelos modifica y expande nuestra visin del mundo
circundante. El estudio de la fsica se divide en seis reas
primordiales: 1. mecnicaclsica, estudia el movimiento de los
objetos que son grandes en relacin con los tomos y se mueven con
una rapidez mucho ms lenta que la de la luz; 2. relatividad, teora
que describe los objetos que se mueven con cualquier rapidez,
incluso los que se aproximan a la rapidez de la luz; 3.
termodinmica, trata del calor, el trabajo, la temperatura y el
comportamiento estadstico de los sistemas con gran nmero de
partculas; 4. electromagnetismo, le competen la electricidad, el
magnetismo y los campos electromagnticos; 5. ptica, estudia el
comportamiento de la luz y su interaccin con los materiales; 6.
mecnica cuntica, un conjunto de teoras que conectan el
comportamiento de la materia al nivel submicroscpico con las
observaciones macroscpicas. Las disciplinas de la mecnica y el
electromagnetismo son primordiales para todas las otras ramas de la
fsica clsica (desarrollada antes de 1900) y la fsica moderna (c.
1900presente). La primera parte de este libro estudia a la mecnica
clsica, conocida como mecnicanewtoniana o simplemente mecnica.
Muchos principios y modelos que se aplican para comprender los
sistemas mecnicos conservan su importancia en las teoras de otras
reas de la fsica y sirven para describir muchos fenmenos naturales.
Debido a eso, la mecnica clsica es trascendente para los
estudiantes de todas las disciplinas. Mecnica PARTE1 los vehculos
impulsados por gasolina y los vehculos hbridos usan muchos de los
conceptos y principios de la mecnica que se estudiarn en esta
primera parte del libro. Las cantidades que se usan para describir
el manejo de los vehculos incluyen posicin, velocidad, aceleracin,
fuerza, energa y cantidad de movimiento. ( Eric Broder 1 Coche
elctrico en display en la ciudad de San Francisco. Los automviles
elctricos, as como Van Dyke/Shutterstock)
22. 2 Captulo 1 Fsica y medicin Como todas las otras ciencias,
la fsica se sustenta en observaciones experimentales y me- diciones
cuantitativas. Los objetivos principales de la fsica son
identificar un nmero limi- tado de leyes fundamentales que rigen
los fenmenos naturales y usarlas para desarrollar teoras capaces de
anticipar los resultados experimentales. Las leyes fundamentales
que se usan para elaborar teoras se expresan en el lenguaje de las
matemticas, la herramienta que proporciona un puente entre teora y
experimento. Cuando hay discrepancia entre el pronstico de una
teora y un resultado experimental, es necesario formular teoras
nuevas o modificadas para resolver la discrepancia. Muchas veces
una teora es satisfactoria slo bajo condiciones limitadas; a veces
una teora general es satisfactoria sin ciertas limitaciones. Por
ejemplo, las leyes del movimiento descubiertas por Isaac Newton
(16421727) describen con precisin el movimiento de los objetos que
se mueven con rapideces normales pero no se aplica a objetos que se
mueven con rapide- ces comparables con la velocidad de la luz. En
contraste, la teora especial de la relatividad, desarrollada ms
tarde por Albert Einstein (18791955), da los mismos resultados que
las leyes de Newton a bajas rapideces pero tambin hace una
descripcin correcta del movi- miento de los objetos con rapideces
que se aproximan a la rapidez de la luz. Por lo tanto, la teora
especial de la relatividad de Einstein es una teora de movimiento
ms general que la formada por las leyes de Newton. Acercamiento a
los engranes de un reloj mecnico.Durante siglos el hombre ha
construido complicadas mquinas con la finalidad de hacer una
medicin precisa del tiempo.El tiempo es una de las cantidades
bsicas que se usan al estudiar el movimiento de los objetos. (
Photographers Choice/Getty Images) 1.1 Estndares de longitud, masa
y tiempo 1.2 Materia y construccin de modelos 1.3 Anlisis
dimensional 1.4 Conversin de unidades 1.5 Estimaciones y clculos de
orden de magnitud 1.6 Cifras significativas 1Fsica y medicin 2
23. La fsica clsica incluye los principios de la mecnica
clsica, la termodinmica, la ptica y el electromagnetismo
desarrollados antes de 1900. Newton realiz importantes contribu-
ciones a la fsica clsica y tambin fue uno de los creadores del
clculo como herramienta matemtica. Durante el siglo xviii
continuaron los grandes adelantos en la mecnica, pero los campos de
la termodinmica y el electromagnetismo no se desplegaron hasta la
parte final del siglo xix, principalmente porque antes de esa poca
los aparatos para experimen- tos controlados en estas disciplinas
eran o muy burdos o no estaban a disposicin. Una gran revolucin en
la fsica, conocida como fsica moderna, comenz hacia el final del
siglo xix. La fsica moderna naci primordialmente porque la fsica
clsica no era capaz de explicar muchos fenmenos fsicos. En esta era
moderna hubo dos hitos, las teoras de la relatividad y de la
mecnica cuntica. La teora especial de la relatividad de Einstein no
slo describe en forma correcta el movimiento de los objetos que se
mueven con rapideces comparables con la rapidez de la luz; tambin
modifica por completo los conceptos tradicionales de espacio,
tiempo y energa. Adems, la teora muestra que la rapidez de la luz
es el lmite superior de la rapidez de un objeto y que la masa y la
energa estn relacionadas. La mecnica cuntica la formularon algunos
cientficos distinguidos para proporcionar descripciones de los
fenmenos fsicos a nivel atmico. Con los princi- pios de la mecnica
cuntica se han construido muchos dispositivos prcticos. Los
cientficos hacen un trabajo constante por el mejoramiento en la
comprensin de las leyes fundamentales. En tiempos recientes
numerosos avances tecnolgicos han resulta- do de los esfuerzos de
muchos cientficos, ingenieros y tcnicos, tales como exploraciones
planetarias no tripuladas y alunizajes tripulados, los
microcircuitos y las computadoras de alta velocidad, las complejas
tcnicas de visualizacin que se usan en la investigacin cientfica y
la medicina, y muchos resultados notables en ingeniera gentica. Los
impac- tos de dichos desarrollos y descubrimientos en la sociedad
han sido colosales, y es muy probable que los futuros
descubrimientos y desarrollos sern excitantes, desafiantes y de
gran beneficio para la humanidad. 1.1 Estndares de longitud, masa y
tiempo Para describir los fenmenos naturales, es necesario hacer
mediciones de varios aspectos de la naturaleza. Cada medicin se
asocia con una cantidad fsica, tal como la longitud de un objeto.
Si tuviese que reportar los resultados de una medicin a alguien que
desea reproducir esa medicin, tendra que definir un estndar. Sera
absurdo que un visitante de otro pla- neta le hablara de una
longitud de 8 glitches, si no conoce el significado de la unidad
glitch. Por otra parte, si alguien familiarizado con el sistema de
medicin reporta que una pared tiene 2 metros de alto y la unidad de
longitud se define como 1 metro, se sabe que la altura de la pared
es el doble de la unidad de longitud bsica. Cualquier unidad que se
elija como estndar debe ser accesible y poseer alguna propiedad que
se pueda medir confiablemente. Los estndares de medicin que
diferentes personas de lugares distintos aplican en el Universo,
deben producir el mismo resultado. Adems, los estndares que se usan
para mediciones no deben cambiar con el tiempo. En 1960 un comit
internacional estableci un conjunto de estndares para las can-
tidades fundamentales de la ciencia. Se llama SI (Sistema
Internacional) y sus unidades fundamentales de longitud, masa y
tiempo son metro, kilogramo y segundo, respectivamente. Otros
estndares para las unidades fundamentales SI establecidas por el
comit son las de temperatura (el kelvin), corriente elctrica (el
ampere), la intensidad luminosa (la candela) y la cantidad de
sustancia (el mol). Las leyes de la fsica se expresan como
relaciones matemticas entre cantidades fsicas que se presentarn y
discutirn en todas las partes del libro. En mecnica, las tres
canti- Seccin 1.1 Estndares de longitud, masa y tiempo 3
24. 4 Captulo 1 Fsica y medicin dades fundamentales son
longitud, masa y tiempo. Todas las cantidades en mecnica se
expresan en trminos de estas tres. Longitud La distancia entre dos
puntos en el espacio se identifica como longitud. En 1120 el rey de
Inglaterra decret que el estndar de longitud en su pas se llamara
yarda y sera precisamente igual a la distancia desde la punta de su
nariz hasta el final de su brazo extendido. De igual modo, el
estndar original para el pie adoptado por los franceses era la
longitud del pie real del rey Luis XIV. Ninguno de dichos estndares
es constante en el tiempo; cuando un nuevo rey suba al trono,
cambiaban las longitudes! El estndar francs prevaleci hasta 1799,
cuando el estndar legal de longitud en Francia se volvi el metro
(m), definido como una diezmillonsima de la distancia del ecuador
al Polo Norte a lo largo de una lnea longitudinal particular que
pasa por Pars. Observe que este valor es un estndar razonado en la
Tierra, que no satisface el requerimiento de que se puede usar a
travs del Universo. Tan recientemente como 1960, la longitud del
metro se defini como la distancia entre dos lneas en una especfica
barra de platinoiridio que se almacena bajo condiciones controladas
en Francia. Sin embargo, los requerimientos actuales de la ciencia
y la tecno- loga necesitan ms precisin que la dada por la separacin
entre las lneas en la barra. En las dcadas de los sesenta y setenta
del milenio pasado, el metro se defini como 1650763.73 longitudes
de onda1 de la luz naranjarojo emitida de una lmpara de criptn 86.
No obstante, en octubre de 1983, el metro se redefini como la
distancia recorrida por la luz en el vaco durante un tiempo de
1/299792458 segundos. En efecto, esta ltima definicin establece que
la rapidez de la luz en el vaco es precisamente 299792458 metros
por segundo. Esta definicin del metro es vlida a travs del Universo
respecto a la supo- sicin de que la luz es la misma en todas
partes. La tabla 1.1 menciona valores aproximados de algunas
longitudes observadas. Debe estudiar esta tabla, as como las
siguientes dos tablas y comenzar a desarrollar una intui- cin de lo
que significa, por ejemplo, una longitud de 20 centmetros, una masa
de 100 kilogramos o un intervalo de tiempo de 3.2 107 segundos.
PREVENCIN DE RIESGOS OCULTOS 1.1 Valores razonables Es importante
desarrollar la intuicin acerca de valores tpicos de cantidades
cuando se resuelven problemas, porque debe pensar acerca de su
resultado final y determinar si parece razonable. Si calcula la
masa de una mosca y llega a un valor de 100 kg, esta respuesta es
irracional y hay un error en alguna parte. TABLA 1.1 Valores
aproximados de algunas longitudes medidas Longitud (m) Distancia de
la Tierra al quasar conocido ms remoto 1.4 1026 Distancia de la
Tierra a las galaxias normales ms remotas 9 1025 Distancia de la
Tierra a la galaxia grande ms cercana (Andrmeda) 2 1022 Distancia
del Sol a la estrella ms cercana (Proxima Centauri) 4 1016 Un ao
luz 9.46 1015 Radio orbital medio de la Tierra en torno al Sol 1.50
1011 Distancia media de la Tierra a la Luna 3.84 108 Distancia del
ecuador al Polo Norte 1.00 107 Radio medio de la Tierra 6.37 106
Altitud tpica (sobre la superficie) de un satlite que orbita la
Tierra 2 105 Longitud de un campo de futbol 9.1 101 Longitud de una
mosca 5 10 3 Tamao de las partculas de polvo ms pequeas 10 4 Tamao
de las clulas de la mayora de los organismos vivientes 10 5 Dimetro
de un tomo de hidrgeno 10 10 Dimetro de un ncleo atmico 10 14
Dimetro de un protn 10 15 1 Se usar la notacin internacional
estndar para nmeros con ms de tres dgitos, en stos los grupos de
tres dgitos se separan por espacios en lugar de comas. Por lo
tanto, 10 000 es lo mismo que la notacin estadounidense comn de
10,000. De igual modo, 3.14159265 se escribe como 3.141 592
65.
25. Masa La unidad fundamental del SI de masa, el kilogramo
(kg), es definido como la masa de un cilindro de aleacin
platinoiridio especfico que se conserva en la Oficina Internacional
de Pesos y Medidas en Svres, Francia. Esta masa estndar fue
establecida en 1887 y no ha cambiado desde esa poca porque el
platinoiridio es una aleacin inusualmente estable. Un duplicado del
cilindro de Svres se conserva en el Instituto Nacional de Estndares
y Tecnologa (NIST, por sus siglas en ingls), en Gaithersburg,
Maryland (figura 1.1a). La tabla 1.2 menciona valores aproximados
de las masas de varios objetos. Tiempo Antes de 1960 el estndar de
tiempo fue definido en trminos del da solar medio hacia el ao 1900.
(Un da solar es el intervalo de tiempo entre apariciones sucesivas
del Sol en el punto ms alto que alcanza en el cielo cada da.) La
unidad fundamental de un segundo (s) fue definida como 1 1 60 2 1 1
60 2 1 1 24 2 de un da solar medio. Ahora se sabe que la rotacin de
la Tierra vara ligeramente con el tiempo. Debido a eso, este
movimiento no proporciona un tiempo estndar que sea constante. En
1967 el segundo fue redefinido para sacar ventaja de la enorme
precisin que se logra con un dispositivo conocido como reloj atmico
(figura 1.1b), que mide vibraciones de tomos de cesio. Ahora un
segundo se define como 9192631770 veces el periodo de vibracin de
la radiacin del tomo de cesio 133.2 En la tabla 1.3 se presentan
valores aproximados de intervalos de tiempo. Figura 1.1 a) El
Kilogramo Estndar Nacional nm. 20, una copia exacta del Kilogramo
Estndar Internacional que se conserva en Svres, Francia, se alberga
bajo una doble campana en una bveda en el Instituto Nacional de
Estndares y Tecnologa (NIST). b) El estndar de tiempo primario en
Estados Unidos es un reloj atmico con fuente de cesio desarrollado
en los laboratorios del NIST en Boulder, Colorado. El reloj nunca
ganar ni perder un segundo en 20 millones de aos.
CortesadelNationalInstituteofStandardsandTechnology,
U.S.DepartamentofCommerce. 2 El periodo se define como el intervalo
de tiempo necesario para una vibracin completa. a) b) TABLA 1.3
Valores aproximados de algunos intervalos de tiempo Intervalo de
tiempo (s) Edad del Universo 5 1017 Edad de la Tierra 1.3 1017 Edad
promedio de un estudiante universitario 6.3 108 Un ao 3.2 107 Un da
8.6 104 Un periodo de clase 3.0 103 Intervalo de tiempo entre
latidos normales 8 10 1 Periodo de ondas sonoras audibles 10 3
Periodo de ondas de radio tpicas 10 6 Periodo de vibracin de un
tomo en un slido 10 13 Periodo de ondas de luz visible 10 15
Duracin de una colisin nuclear 10 22 Intervalo de tiempo para que
la luz cruce un protn 10 24 TABLA 1.2 Masas aproximadas de varios
objetos Masa (kg) Universo observable 1052 Galaxia Va Lctea 1042
Sol 1.9 1030 Tierra 5.98 1024 Luna 7.36 1022 Tiburn 103 Humano 102
Rana 10 1 Mosquito 10 5 Bacteria 1 10 15 tomo de hidrgeno 1.67 10
27 Electrn 9.11 10 31 Seccin 1.1 Estndares de longitud, masa y
tiempo 5
26. 6 Captulo 1 Fsica y medicin Adems del SI, otro sistema de
unidades, el sistema usual estadounidense, todava se utiliza en
Estados Unidos a pesar de la aceptacin del SI en el resto del
mundo. En este sistema las unidades de longitud, masa y tiempo son
pie (ft), slug y segundo, respectivamente. En este libro se usarn
las unidades del SI porque tienen aceptacin mundial en la ciencia y
en la industria. En el estudio de la mecnica clsica se har un uso
limitado de las unidades estadounidenses usuales. Adems de las
unidades del SI fundamentales de metro, kilogramo y segundo, tambin
se usan otras unidades, como milmetros y nanosegundos, donde los
prefijos mili y nano denotan multiplicadores de las unidades bsicas
establecidas en varias potencias de diez. En la tabla 1.4 se citan
los prefijos para las diversas potencias de diez y sus prefijos.
Por ejemplo, 10 3 m es equivalente a 1 milmetro (mm), y 103 m
corresponde a 1 kilmetro (km). Del mismo modo, 1 kilogramo (kg) es
103 gramos (g), y 1 megavolt (MV) es 106 volts (V). Las variables
longitud, tiempo y masa son ejemplos de cantidades fundamentales.
La mayora de las otras variables son cantidades deducidas, aquellas
expresadas como una combinacin matemtica de cantidades
fundamentales. Ejemplos comunes son rea (un producto de dos
longitudes) y rapidez (una relacin de una longitud a un intervalo
de tiempo). Otro ejemplo de una cantidad deducida es la densidad.
La densidad (letra griega ro) de cualquier sustancia se define como
su masa por unidad de volumen: m V r (1.1) En trminos de cantidades
fundamentales, la densidad es una proporcin de una masa a un
producto de tres longitudes. Por ejemplo, el aluminio tiene una
densidad de 2.70 103 kg/m3 , y el hierro tiene una densidad de 7.86
103 kg/m3 . Es factible pensar en una diferencia extrema en
densidad al imaginar que sostiene un cubo de 10 centmetros (cm) de
espuma de estireno en una mano y un cubo de 10 cm de plomo en la
otra. Vea la tabla 14.1 del captulo 14 para densidades de
diferentes materiales. Pregunta rpida 1.1 En un taller mecnico se
producen dos levas, una de aluminio y la otra de hierro. Ambas
levas tienen la misma masa. Cul leva es ms larga? a) La leva de
aluminio es ms larga. b) La leva de hierro es ms larga. c) Ambas
levas tienen el mismo tamao. 1.2 Materia y construccin de modelos
Si los fsicos no pueden interactuar directamente con algunos
fenmenos, con frecuen- cia imaginan un modelo para un sistema fsico
que se relaciona con el fenmeno. Por ejemplo, no existe la
capacidad para interactuar con los tomos, porque son demasiado
pequeos. Por lo tanto, se construye un modelo mental de un tomo
respecto a un siste- Al final del libro aparece una tabla con las
letras del alfabeto griego TABLA 1.4 Prefijos para potencias de
diez Potencia Prefijo Abreviatura Potencia Prefijo Abreviatura 10
24 yocto y 103 kilo k 10 21 zepto z 106 mega M 10 18 atto a 109
giga G 10 15 femto f 1012 tera T 10 12 pico p 1015 peta P 10 9 nano
n 1018 exa E 10 6 micro 1021 zetta Z 10 3 mili m 1024 yotta Y 10 2
centi c 10 1 deci d
27. ma de un ncleo y uno o ms electrones alrededor del ncleo.
Una vez identificados los componentes fsicos del modelo, se hacen
pronsticos acerca de su comportamiento en funcin de las
interacciones entre los componentes del sistema o la interaccin
entre el sistema y el ambiente externo al sistema. Como ejemplo,
considere el comportamiento de la materia. Un cubo de 1 kg de oro
slido, como el que aparece en la parte superior de la figura 1.2,
tiene una longitud de 3.73 cm por lado. Este cubo no es ms que oro
de pared a pared, sin espacio vaco? Si el cubo se corta por la
mitad, las dos piezas todava conservan su identidad qumica como oro
slido. Y si las piezas se cortan de nuevo, una y otra vez, de
manera indefinida? Las partes ms pequeas siempre sern oro? Tales
preguntas se pueden rastrear hasta los antiguos filsofos griegos.
Dos de ellos, Leucipo y su discpulo Demcrito, no podan aceptar la
idea de que tales cortes continuaran por siempre. Elaboraron un
modelo para la materia al especular que el proceso a final de
cuentas debe terminar cuando produzca una partcula que ya no se
pueda cortar. En griego, atomos significa sin corte. De este trmino
griego proviene la palabra tomo. El modelo griego de la estructura
de la materia fue que toda la materia ordinaria consiste de tomos,
como se sugiere en la mitad de la figura 1.2. Ms all de esto,
ningu- na estructura adicional se especific en el modelo; los tomos
eran pequeas partculas que interactuaban unas con otras, pero la
estructura interna del tomo no era parte del modelo. En 1897, J. J.
Thomson identific al electrn como una partcula cargada que es cons-
tituyente del tomo. Esto condujo al primer modelo atmico que
contena estructura interna. Este modelo se discutir en el captulo
42. Despus del descubrimiento del ncleo en 1911, se elabor un
modelo atmico en el que cada tomo estaba constituido de electrones
que rodean un ncleo central. En la figura 1.2 se muestra un ncleo
de oro. Sin embargo, este modelo condujo a una nueva pregunta: el
ncleo tiene estructura? Esto es: el ncleo es una sola partcula o
una co- leccin de partculas? A partir de 1930 evolucion un modelo
que describa dos entidades bsicas en el ncleo: protones y
neutrones. El protn porta una carga elctrica positiva; y un
elemento qumico se identifica por el nmero de protones en su ncleo.
Esta cantidad se llam nmero atmico del elemento. Por ejemplo, el
ncleo de un tomo de hidrgeno contiene un protn (de modo que el
nmero atmico del hidrgeno es 1), el ncleo de un tomo de helio
contiene dos protones (nmero atmico 2) y el ncleo de un tomo de
uranio contiene 92 protones (nmero atmico 92). Adems del nmero
atmico, una segunda cantidad, el nmero de masa, que se define como
el nmero de protones ms neutrones en un ncleo, caracteriza a los
tomos. El nmero atmico de un elemento especfico nunca vara (es
decir, el nmero de protones no cambia) pero el nmero de masa s vara
(es decir, el nmero de neutrones cambia). Sin embargo, ah se
detiene el proceso de divisin? Ahora se sabe que protones, neu-
trones y un cmulo de otras partculas exticas estn compuestas de
seis diferentes varie- dades de partculas llamadas quarks, a las
que se les ha dado los nombres de arriba, abajo, extrao, encanto,
fondo y cima. Los quarks arriba, encanto y cima tienen cargas
elctricas de 2 3 del protn, mientras que los quarks abajo, extrao y
fondo tienen cargas elctri- cas de 1 3 del protn. El protn consiste
de dos quarks arriba y un quark abajo, como se muestra en la parte
inferior de la figura 1.2 y etiquetados u y d. Esta estructura
predice la carga correcta para el protn. Del mismo modo, el neutrn
consiste de dos quarks abajo y un quark arriba, lo que da una carga
neta de cero. Conforme estudie fsica, debe desarrollar un proceso
de construccin de modelos. En este estudio se le retar con muchos
problemas matemticos. Una de las ms importan- tes tcnicas para la
resolucin de problemas es construir un modelo para el problema:
identifique un sistema de componentes fsicos para el problema y
haga predicciones del comportamiento del sistema con base en las
interacciones entre sus componentes o la interaccin entre el
sistema y su ambiente circundante. 1.3 Anlisis dimensional La
palabra dimensin tiene un significado especial en fsica. Denota la
naturaleza fsica de una cantidad. Ya sea que una distancia se mida
en unidades de pies, metros o brazas, todava es una distancia; se
dice que su dimensin es la longitud. Figura 1.2 Niveles de
organizacin en la materia. La materia ordinaria consiste de tomos y
en el centro de cada tomo hay un ncleo compacto que consiste de
protones y neutrones. Los protones y los neutrones estn compuestos
de quarks. Se muestra la composicin de un quark de un protn. tomos
de oro Ncleo Composicin de quarks de un protn d Ncleo de oro Protn
Neutrn u u Cubo de oro Seccin 1.3 Anlisis dimensional 7
28. 8 Captulo 1 Fsica y medicin Los smbolos que se usan en este
libro para especificar las dimensiones de longitud, masa y tiempo
son L, M y T, respectivamente.3 Con frecuencia se usarn los
corchetes [] para denotar las dimensiones de una cantidad fsica.
Por ejemplo, el smbolo que se usa en este libro para rapidez es v,
y en esta notacin, las dimensiones de rapidez se escriben [v] L/T.
Como otro ejemplo, las dimensiones del rea A son [A] L2 . En la
tabla 1.5 se mencionan las dimensiones y unidades de rea, volumen,
rapidez y aceleracin. Las dimensiones de otras cantidades, como
fuerza y energa, se describirn conforme se in- troduzcan en el
texto. En muchas situaciones es posible que deba verificar una
ecuacin especfica, para ver si satisface sus expectativas. Un
procedimiento til y poderoso llamado anlisis dimensio- nal ayuda
para esta comprobacin porque las dimensiones son tratadas como
cantidades algebraicas. Por ejemplo, las cantidades se suman o
restan slo si tienen las mismas di- mensiones. Adems, los trminos
en ambos lados de una ecuacin deben tener las mismas dimensiones.
Al seguir estas simples reglas le ser posible usar el anlisis
dimensional para determinar si una expresin tiene la forma
correcta. Cualquier correspondencia es correc- ta slo si las
dimensiones en ambos lados de la ecuacin son las mismas. Para
ilustrar este procedimiento, suponga que est interesado en una
ecuacin para la posicin x de un automvil en un tiempo t si el
automvil parte del reposo en x 0 y se mueve con aceleracin
constante a. La expresin correcta para esta situacin es x 1 2at2 .
Aplique el anlisis dimensional para cotejar la validez de esta
expresin. La cantidad x en el lado izquierdo tiene la dimensin de
longitud. Para que la ecuacin sea correcta en trminos
dimensionales, la cantidad en el lado derecho tambin debe tener la
dimensin de longitud. Es posible realizar una verificacin
dimensional al sustituir las dimensiones para aceleracin, L/T2
(tabla 1.5), y tiempo, T, en la ecuacin. Esto es, la forma
dimensional de la ecuacin x 1 2at2 es L L T2 # T2 L Las dimensiones
de tiempo se cancelan, como se muestra, lo que deja a la dimensin
de longitud en el lado derecho para igualar con la de la izquierda.
Un procedimiento ms general de anlisis dimensional es establecer
una expresin de la forma x an tm donde n y m son exponentes que se
deben determinar y el smbolo indica una propor- cionalidad. Esta
correspondencia es correcta slo si las dimensiones de ambos lados
son las mismas. Puesto que la dimensin del lado izquierdo es
longitud, la dimensin del lado derecho tambin debe ser longitud.
Esto es, 3an tm 4 L L1 T0 Puesto que las dimensiones de la
aceleracin son L/T2 y la dimensin de tiempo es T: 1L>T2 2n Tm L1
T0 S 1Ln Tm 2n 2 L1 T0 PREVENCIN DE RIESGOS OCULTOS 1.2 Smbolos
para cantidades Algunas cantidades tienen un pequeo nmero de
smbolos que las representan. Por ejemplo, el smbolo para tiempo
casi siempre es t. Otras cantidades tienen varios smbolos que se
aplican segn el uso. La longitud se describe con smbolos tales como
x, y y z (para posicin); r (para radio); a, b y c (para los lados
de un tringulo recto); (para la longitud de un objeto); d (para una
distancia); h (para una altura); y as por el estilo. TABLA 1.5
Dimensiones y unidades de cuatro cantidades deducidas Cantidad rea
Volumen Rapidez Aceleracin Dimensiones L2 L3 L/T L/T2 Unidades del
SI m2 m3 m/s m/s2 Sistema usual estadounidense ft2 ft3 ft/s ft/s2 3
Las dimensiones de una cantidad se simbolizarn mediante letras
maysculas no cursivas, como L o T. El smbolo algebraico para la
cantidad en s ser en cursiva, como L para la longitud de un objeto
o t para tiempo.
29. Los exponentes de L y T deben ser los mismos en ambos lados
de la ecuacin. A partir de los exponentes de L, se ve de inmediato
que n 1. De los exponentes de T, m 2n 0, lo que, una vez que se
sustituye para n, produce m 2. Al regresar a la expresin original x
an tm , se concluye que x at2 . Pregunta rpida 1.2 Verdadero o
falso: El anlisis dimensional le proporciona el valor numrico de
las constantes de proporcionalidad que aparecen en una expresin
alge- braica. EJEMPLO 1.1 Anlisis de una ecuacin Muestre que la
expresin v at es dimensionalmente correcta, donde v representa
rapidez, a aceleracin y t un instante de tiempo. SOLUCIN
Identifique las dimensiones de v en la tabla 1.5: Encuentre las
dimensiones de a en la tabla 1.5 y multipli- que por las
dimensiones de t: Por lo tanto, v at es dimensionalmente correcta
porque se tienen las mismas dimensiones en ambos lados. (Si la
expresin se hubiese dado como v at2 , sera dimensionalmente
incorrecta. Intntelo y ver!) EJEMPLO 1.2 Anlisis de una ley de
potencia Suponga que la aceleracin a de una partcula que se mueve
con rapidez uniforme v en un crculo de radio r es proporcional a
alguna potencia de r, por decir rn , y alguna potencia de v, por
decir vm . Determine los valores de n y m y escriba la forma ms
simple de una ecuacin para