Fisica giancoli

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  • Hola, necesito descargarlos ¿como lo hago? ayuda por favor, de ante mano muchas gracias
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  • GRACIAS. EXCELENTE APORTE.
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  • Muy interesante.
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  • La verdad si no fuese por este medio que la cultura y la educación estaría siempre estancada y solo sería privilegio de algunos pocos, por lo que les agradezco a todos los internautas quienes colaboran con el mismo para crecer culturalmente los pueblos mas olvidados
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Fisica giancoli

  1. 1. para V O L U M E N I CIENCIAS e INGENIERÍA F Í S I C A CUARTA E D I C I Ó N G I A N C O L I
  2. 2. Constantes fundamentales lautcarolavrojeModamixorparolaVolobmíSdaditnaC † Rapidez de la luz en el vacío c Constante gravitacional G Número de Avogadro Constante de gas R Constante de Boltzmann k Carga sobre electrón e Constante de Stefan-Boltzmann Permitividad del espacio libre Permeabilidad del espacio libre Constante de Planck h Masa en reposo del electrón Masa en reposo del protón Masa en reposo del neutrón Unidad de masa atómica (1 u) † CODATA (12/05), Peter J. Mohr y Barry N.Taylor, National Institute of Standards and Technology. Los números entre paréntesis indican incertidumbres experimentales de una desviación estándar en los dígitos finales. Los valores sin paréntesis son exactos (es decir, cantidades definidas). = 931.494043(80) MeV c2 1.66053886(28) * 10–27 kg1.6605 * 10–27 kg = 931.5 MeV c2 = 1.00866491560(55) u= 939.6 MeV c2 1.67492728(29) * 10–27 kg1.6749 * 10–27 kg = 1.008665 umn = 1.00727646688(13) u= 938.3 MeV c2 1.67262171(29) * 10–27 kg1.6726 * 10–27 kg = 1.00728 ump = 5.4857990945(24) * 10–4 u= 0.511 MeV c2 9.1093826(16) * 10–31 kg9.11 * 10–31 kg = 0.000549 ume 6.6260693(11) * 10–34 J s6.63 * 10–34 J s 1.2566370614 p * 10–6 T m A4p * 10–7 T m Am0 8.854187817 p * 10–12 C2 N m2 8.85 * 10–12 C2 N m2 0 = A1 c2 m0B 5.670400(40) * 10–8 W m2 K4 5.67 * 10–8 W m2 K4 s 1.60217653(14) * 10–19 C1.60 * 10–19 C 1.3806505(24) * 10–23 J K1.38 * 10–23 J K = 0.0821 L atm mol K 8.314472(15) J mol K8.314 J mol K = 1.99 cal mol K 6.0221415(10) * 1023 mol–1 6.02 * 1023 mol–1 NA 6.6742(10) * 10–11 N m2 kg2 6.67 * 10–11 N m2 kg2 2.99792458 * 108 m s3.00 * 108 m s Otros datos útiles Equivalente de Joule (1 cal) 4.186 J Cero absoluto (0 K) Aceleración debida a la gravedad en la superficie de la Tierra (promedio) Rapidez del sonido en el aire (20°C) 343 Densidad del aire (seco) Tierra: Masa Radio (medio) Tierra: Masa Radio (medio) Sol: Masa Radio (medio) Distancia Tierra-Sol (media) Distancia Tierra-Luna (media) 384 * 103 km 149.6 * 106 km 6.96 * 105 km 1.99 * 1030 kg 1.74 * 103 km 7.35 * 1022 kg 6.38 * 103 km 5.98 * 1024 kg 1.29 kg m3 m s 9.80 m s2 (= g) –273.15°C El alfabeto griego Alfa Beta Gamma Delta Epsilon Zeta Eta Theta Iota Kappa Lambda Mu m l¶ k i u™ h z , e d¢ g b a Nu Xi Omicron Pi Rho Sigma Tau Upsilon Phi Chi Psi Omega v c° x f, w£ y t s© r pß o j n Valores de algunos números 1 rad = 57.2957795°ln 10 = 2.302585113 = 1.7320508e = 2.7182818 log10 e = 0.4342945ln 2 = 0.693147212 = 1.4142136p = 3.1415927 Signos y símbolos matemáticos Propiedades del agua Densidad (4°C) Calor de fusión (0°C) ( ) Calor de vaporización (100°C) ( ) Calor específico (15°C) Índice de refracción 1.33 (1.00 kcal kg C°) 4186 J kg C° 539 kcal kg 2260 kJ kg 80 kcal kg 333 kJ kg 1.000 * 103 kg m3 es proporcional a es igual a es aproximadamente igual a no es igual a es mayor que es mucho mayor que es menor que es mucho menor queV 6 W 7 Z L = r es menor que o igual a es mayor que o igual a suma de valor promedio de x cambio en x x tiende a cero n! n(n - 1)(n - 2) p (1) ¢x S 0 ¢x x g
  3. 3. Conversión de unidades (equivalentes) Longitud (definición) 1 milla náutica (E.U.A.) 1 angstrom 1 año-luz (a-l) Volumen 1 cuarto (E.U.A.) = 2 pintas (E.U.A.) = 946 mL 1 pinta (inglesa) = 1.20 pintas (E.U.A.) = 568 mL Rapidez Ángulo 1 rev͞min (rpm) = 0.1047 rad͞s 1° = 0.01745 rad 1 radián (rad) = 57.30° = 57°18¿ 1 knot = 1.151 mi͞h = 0.5144 m͞s 1 m͞s = 3.281 ft͞s = 3.600 km͞h = 2.237 mi͞h 1 ft͞s = 0.3048 m͞s (exacta) = 0.6818 mi͞h = 1.0973 km͞h 1 km͞h = 0.2778 m͞s = 0.6214 mi͞h 1 mi͞h = 1.4667 ft͞s = 1.6093 km͞h = 0.4470 m͞s 1 m3 = 35.31 ft3 0.8327 gal (inglés) 1 gal (U.S.) = 4 cuarto (E.U.A.) = 231 in.3 = 3.785 L = 1.057 cuarto (E.U.A.) = 61.02 in.3 1 litro (L) = 1000 mL = 1000 cm3 = 1.0 * 10–3 m3 = 1 parsec = 3.26 ly = 3.09 * 1016 m (ly) = 9.461 * 1015 m (Å) = 10–10 m = 0.1 nm 1 fermi = 1 femtómetro (fm) = 10–15 m = 1.151 mi = 6076 ft = 1.852 km 1 km = 0.6214 mi 1 mi = 5280 ft = 1.609 km 1 m = 39.37 in. = 3.281 ft 1 ft = 30.48 cm 1 cm = 0.3937 in. 1 in. = 2.54 cm Tiempo Masa 1 unidad de masa atómica [1 kg tiene un peso de 2.20 lb donde ] Fuerza Energía y trabajo Potencia Presión 1 Pa = 1 N͞m2 = 1.450 * 10–4 lb͞in.2 1 lb͞in.2 = 6.895 * 103 N͞m2 = 14.7 lb͞in.2 = 760 torr 1 atm = 1.01325 bar = 1.01325 * 105 N͞m2 1 hp = 550 ftиlb͞s = 746 W 1 W = 1 J͞s = 0.7376 ftиlb͞s = 3.41 Btu͞h 1 Btu = 1.056 * 103 J 1 kWh = 3.600 * 106 J = 860 kcal 1 eV = 1.602 * 10–19 J 1 kcal = 4.19 * 103 J = 3.97 Btu 1 ftиlb = 1.356 J = 1.29 * 10–3 Btu = 3.24 * 10–4 kcal 1 J = 107 ergs = 0.7376 ftиlb 1 N = 105 dina = 0.2248 lb 1 lb = 4.448 N g = 9.80 m͞s2 . 1 kg = 0.06852 slug (u) = 1.6605 * 10–27 kg 1 año = 3.156 * 107 s 1 día = 8.640 * 104 s Unidades SI derivadas y sus abreviaturas En términos de Cantidad Unidad Abreviatura Unidades base† Fuerza newton N Energía y trabajo joule J Potencia watt W Presión pascal Pa Frecuencia hertz Hz Carga eléctrica coulomb C Potencial eléctrico volt V Resistencia eléctrica ohm Capacitancia farad F Campo magnético tesla T Flujo magnético weber Wb Inductancia henry H † kg = kilogramo (masa), m = metro (longitud), s = segundo (tiempo),A = ampere (corriente eléctrica). kgиm2 ͞As2 иA2 B kgиm2 ͞AAиs2 B kg͞AAиs2 B A2 иs4 ͞Akgиm2 B kgиm2 ͞AA2 иs3 B⍀ kgиm2 ͞AAиs3 B Aиs s–1 kg͞Amиs2 B kgиm2 ͞s3 kgиm2 ͞s2 kgиm͞s2 Multiplicadores métricos (SI) Prefijo Abreviatura Valor yotta Y zeta Z exa E peta P tera T giga G mega M kilo k hecto h deca da deci d centi c mili m micro nano n pico p femto f atto a zepto z yocto y 10–24 10–21 10–18 10–15 10–12 10–9 10–6 m 10–3 10–2 10–1 101 102 103 106 109 1012 1015 1018 1021 1024
  4. 4. FÍSICApara CIENCIAS E INGENIERÍA
  5. 5. D O U G L A S C . G I A N C O L I FÍSICApara CIENCIAS E INGENIERÍA CUARTA EDICIÓN TRADUCCIÓN Ma. de Lourdes Amador Araujo Traductora profesional REVISIÓN TÉCNICA Víctor Robledo Rella División de Ingeniería y Arquitectura Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, campus Ciudad de México Francisco Ábrego Rodríguez Departamento de Física Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, campus Monterrey
  6. 6. Authorized translation from the English language edition, entitled Physics for scientists and engineers with modern physics 4th ed. by Douglas C. Giancoli published by Pearson Education, Inc., publishing as PRENTICE HALL, INC., Copyright © 2008. All rights reserved. ISBN 013-227358-6 Traducción autorizada de la edición en idioma inglés, Physics for scientists and engineers with modern physics 4ª ed., por Douglas C. Giancoli publicada por Pearson Education, Inc., publicada como PRENTICE HALL INC., Copyright © 2008. Todos los derechos reservados. Esta edición en español es la única autorizada. Edición en español Editor: Rubén Fuerte Rivera e-mail: ruben.fuerte@pearsoned.com Editor de desarrollo: Felipe Hernández Carrasco Supervisor de producción: José D. Hernández Garduño Edición en inglés President, ESM: Paul Corey Sponsoring Editor: Christian Botting Production Editor: Frank Weihenig, Prepare Inc. Executive Managing Editor: Kathleen Schiaparelli Art Director and Interior & Cover Designer: John Christiana Manager,Art Production: Sean Hogan Senior Development Editor: Karen Karlin Copy Editor: Jocelyn Phillips Proofreader: Marne Evans Buyer:Alan Fischer Art Production Editor: Connie Long Illustrators:Audrey Simonetti and Mark Landis Photo Researchers: Mary Teresa Giancoli and Truitt & Marshall Senior Administrative Coordinator:Trisha Tarricone Composition: Emilcomp/Prepare Inc. Photo credits appear on page A-44 which constitutes a continuation of the copyright page. CUARTA EDICIÓN, 2008 D.R. © 2008 por Pearson Educación de México, S.A. de C.V. Atlacomulco 500-5° piso Industrial Atoto 53519, Naucalpan de Juárez, Edo. de México E-mail: editorial.universidades@pearsoned.com Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana. Reg. Núm. 1031. Prentice Hall es una marca registrada de Pearson Educación de México, S.A. de C.V. Reservados todos los derechos. Ni la totalidad ni parte de esta publicación pueden reproducirse, registrarse o transmitirse, por un sistema de recuperación de información, en ninguna forma ni por ningún medio, sea electrónico, mecánico, fotoquímico, magnético o electroóptico, por fotocopia, grabación o cualquier otro, sin permiso previo por escrito del editor. El préstamo, alquiler o cualquier otra forma de cesión de uso de este ejemplar requerirá también la autorización del editor o de sus representantes. ISBN 10: 970-26-1225-X ISBN 13: 978-970-26-1225-4 Impreso en México. Printed in Mexico. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 - 11 10 09 08 Datos de catalogación bibliográfica GIANCOLI, DOUGLAS C. Física para ciencias e ingeniería. Cuarta edición PEARSON EDUCACIÓN, México, 2008 ISBN: 978-970-26-1225-4 Área: Física Formato: 21 × 27 cm Páginas: 632
  7. 7. vii Contenido 3 CINEMÁTICA EN DOS O EN TRES DIMENSIONES: VECTORES 51 3–1 Vectores y escalares 52 3–2 Suma de vectores: Método gráfico 52 3–3 Resta de vectores y multiplicación de un vector por un escalar 54 3–4 Suma de vectores por medio de componentes 55 3–5 Vectores unitarios 59 3–6 Cinemática vectorial 59 3–7 Movimiento de proyectiles 62 3–8 Resolución de problemas que implican el movimiento de un proyectil 64 3–9 Velocidad relativa 71 RESUMEN 74 PREGUNTAS 75 PROBLEMAS 75 ROBLEMAS GENERALES 80 4 DINÁMICA: LEYES DE NEWTON DEL MOVIMIENTO 83 4–1 Fuerza 84 4–2 Primera ley de Newton del movimiento 84 4–3 Masa 86 4–4 Segunda ley de Newton del movimiento 86 4–5 Tercera ley de Newton del movimiento 89 4–6 Fuerza de gravedad (peso) y fuerza normal 92 4–7 Resolución de problemas con las leyes de Newton: Diagramas de cuerpo libre 95 4–8 Resolución de problemas: Un enfoque general 102 RESUMEN 102 PREGUNTAS 103 PROBLEMAS 104 PROBLEMAS GENERALES 109 5 APLICACIONES DE LAS LEYES DE NEWTON: FRICCIÓN, MOVIMIENTO CIRCULAR Y ARRASTRE 112 5–1 Aplicaciones de las leyes de Newton que implican fricción 113 5–2 Movimiento circular uniforme: Cinemática 119 5–3 Dinámica del movimiento circular uniforme 122 5–4 Curvas en las carreteras: peraltadas y sin peralte 126 *5–5 Movimiento circular no uniforme 128 *5–6 Fuerzas dependientes de la velocidad: Arrastre y velocidad terminal 129 RESUMEN 130 PREGUNTAS 131 PROBLEMAS 132 PROBLEMAS GENERALES 136 PREFACIO xix A LOS ESTUDIANTES xxiii Volumen 1 1 INTRODUCCIÓN, MEDICIONES, ESTIMACIONES 1 1–1 La naturaleza de la ciencia 2 1–2 Modelos, teorías y leyes 2 1–3 Medición e incertidumbre; cifras significativas 3 1–4 Unidades, estándares y el sistema SI 6 1–5 Conversión de unidades 8 1–6 Orden de magnitud: Estimación rápida 9 *1–7 Dimensiones y análisis dimensional 12 RESUMEN 14 PREGUNTAS 14 PROBLEMAS 14 PROBLEMAS GENERALES 16 2 DESCRIPCIÓN DEL MOVIMIENTO: CINEMÁTICA EN UNA DIMENSIÓN 18 2–1 Marcos de referencia y desplazamiento 19 2–2 Velocidad promedio 20 2–3 Velocidad instantánea 22 2–4 Aceleración 24 2–5 Movimiento con aceleración constante 28 2–6 Resolución de problemas 30 2–7 Caída libre de objetos 34 *2–8 Aceleración variable; cálculo integral 39 *2–9 Análisis gráfico e integración numérica 40 RESUMEN 43 PREGUNTAS 43 PROBLEMAS 44 PROBLEMAS GENERALES 48
  8. 8. viii CONTENIDO 6 GRAVITACIÓN Y SÍNTESIS DE NEWTON 139 6–1 Ley de Newton de la gravitación universal 140 6–2 Forma vectorial de la ley de Newton de la gravitación universal 143 6–3 Gravedad cerca de la superficie de la Tierra:Aplicaciones geofísicas 143 6–4 Satélites e “ingravidez” 146 6–5 Leyes de Kepler y síntesis de Newton 149 *6–6 Campo gravitacional 154 6–7 Tipos de fuerzas en la naturaleza 155 *6–8 El principio de equivalencia, la curvatura del espacio y los agujeros negros 155 RESUMEN 157 PREGUNTAS 157 PROBLEMAS 158 PROBLEMAS GENERALES 160 9 CANTIDAD DE MOVIMIENTO LINEAL Y COLISIONES 214 9–1 Cantidad de movimiento lineal y su relación con la fuerza 215 9–2 Conservación de la cantidad de movimiento 217 9–3 Colisiones e impulso 220 9–4 Conservación de la energía y de la cantidad de movimiento lineal en colisiones 222 9–5 Colisiones elásticas en una dimensión 222 9–6 Colisiones inelásticas 225 9–7 Colisiones en dos o en tres dimensiones 227 9–8 Centro de masa (CM) 230 9–9 Centro de masa y movimiento traslacional 234 *9–10 Sistemas de masa variable: propulsión de cohetes 236 RESUMEN 239 PREGUNTAS 239 PROBLEMAS 240 PROBLEMAS GENERALES 245 DesplazamientoFuerza 7 TRABAJO Y ENERGÍA 163 7–1 Trabajo realizado por una fuerza constante 164 7–2 Producto escalar de dos vectores 167 7–3 Trabajo efectuado por una fuerza variable 168 7–4 Energía cinética y el principio del trabajo y la energía 172 RESUMEN 176 PREGUNTAS 177 PROBLEMAS 177 PROBLEMAS GENERALES 180 8 CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA 183 8–1 Fuerzas conservativas y fuerzas no conservativas 184 8–2 Energía potencial 186 8–3 Energía mecánica y su conservación 189 8–4 Resolución de problemas usando la conservación de la energía mecánica 190 8–5 La ley de la conservación de la energía 196 8–6 Conservación de la energía con fuerzas disipativas: Resolución de problemas 197 8–7 Energía potencial gravitacional y velocidad de escape 199 8–8 Potencia 201 *8–9 Diagramas de energía potencial; equilibrio estable y equilibrio inestable 204 RESUMEN 205 PREGUNTAS 205 PROBLEMAS 207 PROBLEMAS GENERALES 211 10 MOVIMIENTO ROTACIONAL 248 10–1 Cantidades angulares 249 10–2 Naturaleza vectorial de las cantidades angulares 254 10–3 Aceleración angular constante 255 10–4 Torca 256 10–5 Dinámica rotacional:Torca e inercia rotacional 258 10–6 Resolución de problemas de dinámica rotacional 260 10–7 Determinación de momentos de inercia 263 10–8 Energía cinética rotacional 265 10–9 Movimiento rotacional más traslacional: Rodamiento 267 *10–10 ¿Por qué desacelera una esfera rodante? 273 RESUMEN 274 PREGUNTAS 275 PROBLEMAS 276 PROBLEMAS GENERALES 281 11 CANTIDAD DE MOVIMIENTO ANGULAR: ROTACIÓN GENERAL 284 11–1 Cantidad de movimiento angular: objetos que giran en torno a un eje fijo 285 11–2 Producto cruz vectorial:Torca como vector 289 11–3 Cantidad de movimiento angular de una partícula 291 11–4 Cantidad de movimiento angular y torca para un sistema de partículas: movimiento general 292 11–5 Cantidad de movimiento angular y torca para un cuerpo rígido 294 11–6 Conservación de la cantidad de movimiento angular 297 *11–7 El trompo y el giroscopio 299 *11–8 Marcos de referencia en rotación: fuerzas inerciales 300 *11–9 El efecto Coriolis 301 RESUMEN 302 PREGUNTAS 303 PROBLEMAS 303 PROBLEMAS GENERALES 308
  9. 9. CONTENIDO ix 12EQUILIBRIO ESTÁTICO: ELASTICIDAD Y FRACTURA 311 12–1 Las condiciones para el equilibrio 312 12–2 Resolución de problemas de estática 313 12–3 Estabilidad y equilibrio 317 12–4 Elasticidad: Esfuerzo y deformación unitaria 318 12–5 Fractura 322 *12–6 Armaduras y puentes 324 *12–7 Arcos y domos 327 RESUMEN 329 PREGUNTAS 329 PROBLEMAS 330 PROBLEMAS GENERALES 334 13FLUIDOS 339 13–1 Fases de la materia 340 13–2 Densidad y gravedad específica 340 13–3 Presión en fluidos 341 13–4 Presión atmosférica y presión manométrica 345 13–5 Principio de Pascal 346 13–6 Medición de la presión: Manómetros y barómetros 346 13–7 Flotación y el principio de Arquímedes 348 13–8 Fluidos en movimiento; tasa de flujo y la ecuación de continuidad 352 13–9 Ecuación de Bernoulli 354 13–10 Aplicaciones del principio de Bernoulli: Torricelli, aviones, pelotas de béisbol y ataque isquémico transitorio 356 *13–11 Viscosidad 358 *13–12 Flujo en tubos: Ecuación de Poiseuille, flujo sanguíneo 358 *13–13 Tensión superficial y capilaridad 359 *13–14 Las bombas y el corazón 361 RESUMEN 361 PREGUNTAS 362 PROBLEMAS 363 PROBLEMAS GENERALES 367 14OSCILACIONES 369 14–1 Oscilaciones de un resorte 370 14–2 Movimiento armónico simple 372 14–3 Energía en el oscilador armónico simple 377 14–4 Movimiento armónico simple relacionado con movimiento circular uniforme 379 14–5 El péndulo simple 379 *14–6 El péndulo físico y el péndulo de torsión 381 14–7 Movimiento armónico amortiguado 382 14–8 Oscilaciones forzadas: resonancia 385 RESUMEN 387 PREGUNTAS 388 PROBLEMAS 388 PROBLEMAS GENERALES 392 15MOVIMIENTO ONDULATORIO 395 15–1 Características del movimiento ondulatorio 396 15–2 Tipos de ondas:Transversales y longitudinales 398 15–3 Energía transportada por las ondas 402 15–4 Representación matemática de una onda viajera 404 *15–5 La ecuación de onda 406 15–6 El principio de superposición 408 15–7 Reflexión y transmisión 409 15–8 Interferencia 410 15–9 Ondas estacionarias: Resonancia 412 *15–10 Refracción 415 *15–11 Difracción 416 RESUMEN 417 PREGUNTAS 417 PROBLEMAS 418 PROBLEMAS GENERALES 422 16SONIDO 424 16–1 Características del sonido 425 16–2 Representación matemática de ondas longitudinales 426 16–3 Intensidad del sonido: decibeles 427 16–4 Fuentes del sonido: Cuerdas vibrantes y columnas de aire 431 *16–5 Calidad del sonido y ruido: Superposición 436 16–6 Interferencia de las ondas de sonido: Pulsos 437 16–7 El efecto Doppler 439 *16–8 Ondas de choque y el estampido sónico 443 *16–9 Aplicaciones: Sonar, ultrasonido y formación de imágenes en medicina 444 RESUMEN 446 PREGUNTAS 447 PROBLEMAS 448 PROBLEMAS GENERALES 451
  10. 10. x CONTENIDO 17 TEMPERATURA, EXPANSIÓN TÉRMICA, Y LEY DEL GAS IDEAL 454 17–1 Teoría atómica de la materia 455 17–2 Temperatura y termómetros 456 17–3 Equilibrio térmico y la ley cero de la termodinámica 459 17–4 Expansión térmica 459 *17–5 Tensiones térmicas 463 17–6 Las leyes de los gases y la temperatura absoluta 463 17–7 Ley del gas ideal 465 17–8 Resolución de problemas con la ley del gas ideal 466 17–9 Ley del gas ideal en términos de moléculas: número de Avogadro 468 *17–10 Escala de temperatura del gas ideal: un estándar 469 RESUMEN 470 PREGUNTAS 471 PROBLEMAS 471 PROBLEMAS GENERALES 474 18TEORÍA CINÉTICA DE LOS GASES 476 18–1 La ley del gas ideal y la interpretación molecular de la temperatura 476 18–2 Distribución de la rapidez molecular 480 18–3 Gases reales y cambios de fase 482 18–4 Presión de vapor y humedad 484 *18–5 Ecuación de estado de van der Waals 486 *18–6 Recorrido libre medio 487 *18–7 Difusión 489 RESUMEN 490 PREGUNTAS 491 PROBLEMAS 492 PROBLEMAS GENERALES 494 19CALOR Y LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA 496 19–1 El calor como transferencia de energía 497 19–2 Energía interna 498 19–3 Calor específico 499 19–4 Calorimetría: Resolución de problemas 500 19–5 Calor latente 502 19–6 La primera ley de la termodinámica 505 19–7 Aplicaciones de la primera ley de la termodinámica: Cálculo de trabajo 507 19–8 Calores específicos molares para gases y la equipartición de la energía 511 19–9 Expansión adiabática de un gas 514 19–10 Transferencia de calor: Conducción, convección, radiación 515 RESUMEN 520 PREGUNTAS 521 PROBLEMAS 522 PROBLEMAS GENERALES 526 20SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA 528 20–1 La segunda ley de la termodinámica: Introducción 529 20–2 Máquinas térmicas 530 20–3 Procesos reversibles e irreversibles; la máquina de Carnot 533 20–4 Refrigeradores, acondicionadores de aire y bombas térmicas 536 20–5 Entropía 539 20–6 Entropía y la segunda ley de la termodinámica 541 20–7 Del orden al desorden 544 20–8 Indisponibilidad de energía: Muerte térmica 545 *20–9 Interpretación estadística de la entropía y la segunda ley 546 *20–10 Temperatura termodinámica: Tercera ley de la termodinámica 548 *20–11 Contaminación térmica, calentamiento global y recursos energéticos 549 RESUMEN 551 PREGUNTAS 552 PROBLEMAS 552 PROBLEMAS GENERALES 556
  11. 11. CONTENIDO xi Contenido del volumen 2 21 CARGA ELÉCTRICA Y CAMPO ELÉCTRICO 21–1 Electrostática: Carga eléctrica y su conservación 21–2 Carga eléctrica en el átomo 21–3 Aislantes y conductores 21–4 Carga inducida: El electroscopio 21–5 Ley de Coulomb 21–6 Campo eléctrico 21–7 Cálculo del campo eléctrico para distribuciones de carga continua 21–8 Líneas de campo 21–9 Campos eléctricos y conductores 21–10 Movimiento de una partícula cargada en un campo eléctrico 21–11 Dipolos eléctricos *21–12 Fuerzas eléctricas en biología molecular; DNA *21–13 Las máquinas fotocopiadoras y las impresoras de computadora usan la electrostática RESUMEN PREGUNTAS PROBLEMAS PROBLEMAS GENERALES 23POTENCIAL ELÉCTRICO 23–1 Energía potencial eléctrica y diferencia de potencial 23–2 Relación entre potencial eléctrico y campo eléctrico 23–3 Potencial eléctrico debido a cargas puntuales 23–4 Potencial debido a una distribución de carga arbitraria 23–5 Superficies equipotenciales 23–6 Potencial del dipolo eléctrico 23–7 Cálculo de a partir de V 23–8 Energía potencial electrostática: Electrón-volt *23–9 Tubo de rayos catódicos: Monitores de TV y de computadora, osciloscopio RESUMEN PREGUNTAS PROBLEMAS PROBLEMAS GENERALES 24CAPACITANCIA, DIELÉCTRICOS Y ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA ELÉCTRICA 24–1 Capacitores 24–2 Determinación de la capacitancia 24–3 Capacitores en serie y en paralelo 24–4 Almacenamiento de energía eléctrica 24–5 Dieléctricos *24–6 Descripción molecular de los dieléctricos RESUMEN PREGUNTAS PROBLEMAS PROBLEMAS GENERALES 25CORRIENTES ELÉCTRICAS Y RESISTENCIA 25–1 La batería eléctrica 25–2 Corriente eléctrica 25–3 Ley de Ohm: Resistencia y resistores 25–4 Resistividad 25–5 Potencia eléctrica 25–6 Potencia en circuitos domésticos 25–7 Corriente alterna 25–8 Descripción microscópica de la corriente eléctrica: Densidad de corriente y velocidad de deriva *25–9 Superconductividad *25–10 Conducción eléctrica en el sistema nervioso RESUMEN PREGUNTAS PROBLEMAS PROBLEMAS GENERALES 26CIRCUITOS CD 26–1 FEM y diferencia de potencial terminal 26–2 Resistores en serie y en paralelo 26–3 Reglas de Kirchhoff 26–4 FEM en serie y en paralelo: Carga de una batería 26–5 Circuitos que contienen una resistencia y un capacitor (circuitos RC) 26–6 Riesgos eléctricos *26–7 Amperímetros y voltímetros RESUMEN PREGUNTAS PROBLEMAS PROBLEMAS GENERALES E B Q A2 A1 ΏE #d = Qencl ⑀0 B E B E B A B 22LEY DE GAUSS 22–1 Flujo eléctrico 22–2 Ley de Gauss 22–3 Aplicaciones de la ley de Gauss *22–4 Base experimental de las leyes de Gauss y de Coulomb RESUMEN PREGUNTAS PROBLEMAS PROBLEMAS GENERALES
  12. 12. xii CONTENIDO 29INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA Y LEY DE FARADAY 29–1 FEM inducida 29–2 Ley de inducción de Faraday; ley de Lenz 29–3 FEM inducida en un conductor en movimiento 29–4 Generadores eléctricos *29–5 FEM inversa y contra torca: Corrientes parásitas 29–6 Transformadores y transmisión de potencia 29–7 Un flujo magnético variable produce un campo eléctrico *29–8 Aplicaciones de la inducción: Sistemas de sonido, memoria de computadora, sismógrafo, GFCI RESUMEN PREGUNTAS PROBLEMAS PROBLEMAS GENERALES 30INDUCTANCIA, OSCILACIONES ELECTROMAGNÉTICAS Y CIRCUITOS CA 30–1 Inductancia mutua 30–2 Auto inductancia 30–3 Energía almacenada en un campo magnético 30–4 Circuitos LR 30–5 Circuitos LR y oscilaciones electromagnéticas 30–6 Oscilaciones LC con resistencia (circuitos LRC) 30–7 Circuitos CA con una fuente CA 30–8 Series LCR en un circuito CA 30–9 Resonancia en circuitos CA *30–10 Igualación de impedancia *30–11 Circuitos CA trifásicos RESUMEN PREGUNTAS PROBLEMAS PROBLEMAS GENERALES 31 ECUACIONES DE MAXWELL Y ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS 31–1 Campos eléctricos variables producen campos magnéticos: Ley de Ampère y corriente de desplazamiento 31–2 Ley de Gauss para el magnetismo 31–3 Ecuaciones de Maxwell 31–4 Producción de ondas electromagnéticas *31–5 Ondas electromagnéticas y su velocidad de propagación a partir de las ecuaciones de Maxwell 31–6 Luz como una onda electromagnética y el espectro electromagnético 31–7 Medición de la velocidad de la luz 31–8 Energía en ondas EM; vector de Poynting *31–9 Presión de radiación *31–10 Radio y televisión; comunicación inalámbrica RESUMEN PREGUNTAS PROBLEMAS PROBLEMAS GENERALES 27MAGNETISMO 27–1 Imanes y campos magnéticos 27–2 Las corrientes eléctricas producen campos magnéticos 27–3 Fuerza sobre una corriente eléctrica en un campo magnético: Definición de 27–4 Fuerza sobre una carga eléctrica en movimiento dentro de un campo magnético 27–5 Momento de torsión sobre un lazo de corriente: Momento bipolar magnético *27–6 Aplicaciones: Motores, altavoces y galvanómetros 27–7 Descubrimiento y propiedades del electrón *27–8 El efecto Hall *27–9 Espectrómetro de masas RESUMEN PREGUNTAS PROBLEMAS PROBLEMAS GENERALES 28FUENTES DE CAMPO MAGNÉTICO 28–1 Campo magnético debido a un cable recto con corriente 28–2 Fuerza entre dos cables paralelos con corriente 28–3 Definiciones de ampere y de coulomb 28–4 Ley de Ampère 28–5 Campo magnético de un solenoide y de un toroide 28–6 Ley de Biot-Savart *28–7 Materiales magnéticos: Ferromagnetismo *28–8 Electromagnetos y solenoides:Aplicaciones *28–9 Campos magnéticos en materiales magnéticos; histéresis *28–10 Paramagnetismo y diamagnetismo RESUMEN PREGUNTAS PROBLEMAS PROBLEMAS GENERALES B B
  13. 13. CONTENIDO xiii 32LUZ: REFLEXIÓN Y REFRACCIÓN 32–1 Modelo de rayos de la luz 32–2 Velocidad de la luz e índice de refracción 32–3 Reflexión; formación de imágenes por un espejo plano 32–4 Formación de imágenes por espejos esféricos 32–5 Refracción: Ley de Snell 32–6 Espectro visible y dispersión 32–7 Reflexión total interna; fibras ópticas *32–8 Refracción en una superficie esférica RESUMEN PREGUNTAS PROBLEMAS PROBLEMAS GENERALES 34NATURALEZA ONDULATORIA DE LA LUZ; INTERFERENCIA 34–1 Ondas versus partículas; principio de Huygens y difracción 34–2 Principio de Huygens y la ley de la refracción 34–3 Interferencia: Experimento de la rendija doble de Young 34–4 Intensidad en el patrón de interferencia de la rendija doble 34–5 Interferencia en películas delgadas *34–6 Interferómetro de Michelson *34–7 Intensidad luminosa RESUMEN PREGUNTAS PROBLEMAS PROBLEMAS GENERALES 35DIFRACCIÓN Y POLARIZACIÓN 35–1 Difracción por una rendija delgada o disco 35–2 Intensidad en el patrón de difracción de una rendija 35–3 Difracción en el experimento de la rendija doble 35–4 Límites de resolución; aperturas circulares 35–5 Resolución de telescopios y microscopios; el límite *35–6 Resolución del ojo humano y amplificación útil 35–7 Rejilla de difracción *35–8 Espectrómetro y espectroscopia *35–9 Anchos de pico y poder de resolución de una rejilla de difracción *35–10 Rayos X y difracción de rayos X 35–11 Polarización *35–12 Pantallas de cristal líquido (LCD) *35–13 Dispersión de la luz por la atmósfera RESUMEN PREGUNTAS PROBLEMAS PROBLEMAS GENERALES l 33LENTES E INSTRUMENTOS ÓPTICOS 33–1 Lentes delgadas; trazo de rayos 33–2 Ecuación de lentes delgadas; amplificación 33–3 Combinación de lentes 33–4 Ecuación del fabricante de lentes 33–5 Cámaras de película y digitales 33–6 Ojo humano; lentes correctivas 33–7 Lupas 33–8 Telescopios *33–9 Microscopio compuesto *33–10 Aberraciones en lentes y espejos RESUMEN PREGUNTAS PROBLEMAS PROBLEMAS GENERALES
  14. 14. xiv CONTENIDO Contenido del volumen 3 36TEORÍA ESPECIAL DE LA RELATIVIDAD 36–1 Relatividad galileana y newtoniana *36–2 Experimento de Michelson y Morley 36–3 Postulados de la teoría especial de la relatividad 36–4 Simultaneidad 36–5 Dilatación del tiempo y la paradoja de los gemelos 36–6 Contracción de la longitud 36–7 Espacio-tiempo en cuatro dimensiones 36–8 Transformaciones galileanas y de Lorentz 36–9 Cantidad de movimiento y masa relativistas 36–10 Velocidad límite 36–11 Energía y masa: 36–12 Efecto Doppler de la luz 36–13 Influencia de la teoría especial de la relatividad RESUMEN PREGUNTAS PROBLEMAS PROBLEMAS GENERALES 37TEORÍA CUÁNTICA INICIAL Y MODELOS DEL ÁTOMO 37–1 Hipótesis cuántica de Plank 37–2 Teoría de la luz como fotones; efecto fotoeléctrico 37–3 Fotones y el efecto Compton 37–4 Interacciones entre fotones; producción de pares 37–5 Dualidad onda-partícula; principio de complementariedad 37–6 Naturaleza ondulatoria de la materia *37–7 Microscopios electrónicos 37–8 Primeros modelos del átomo 37–9 Espectro atómico: Clave para la estructura del átomo 37–10 Modelo de Bohr 37–11 Hipótesis de De Broglie aplicada a átomos RESUMEN PREGUNTAS PROBLEMAS PROBLEMAS GENERALES 38MECÁNICA CUÁNTICA 38–1 Mecánica cuántica: Una nueva teoría 38–2 Función de onda y su interpretación; experimento de la doble rendija 38–3 Principio de incertidumbre de Heisenberg 38–4 Implicaciones filosóficas; probabilidad versus determinismo 38–5 Ecuación de Schrödinger en una dimensión: Forma independiente del tiempo *38–6 Ecuación de Schrödinger dependiente del tiempo 38–7 Partículas libres; ondas planas y paquetes de ondas 38–8 Partícula en un pozo de potencial cuadrado de profundidad infinita (una caja rígida) *38–9 Pozo de potencial finito 38–10 Efecto túnel a través de una barrera RESUMEN PREGUNTAS PROBLEMAS PROBLEMAS GENERALES E = mc2 39MECÁNICA CUÁNTICA DE ÁTOMOS 39–1 Interpretación mecánica cuántica de los átomos 39–2 Átomo de hidrógeno: Ecuación de Schrödinger y números cuánticos 39–3 Funciones de onda del átomo de hidrógeno 39–4 Átomos complejos; principio de exclusión 39–5 Tabla periódica de los elementos 39–6 Espectro de rayos X y número atómico *39–7 Momentos bipolares magnéticos; momento angular total *39–8 Fluorescencia y fosforescencia *39–9 Láseres *39–10 Holografía RESUMEN PREGUNTAS PROBLEMAS PROBLEMAS GENERALES 40MOLÉCULAS Y SÓLIDOS 40–1 Enlaces en moléculas 40–2 Diagramas de energía potencial para moléculas 40–3 Enlaces débiles (de van der Waals) 40–4 Espectros moleculares 40–5 Enlaces en sólidos 40–6 Teoría del electrón libre para metales 40–7 Teoría de bandas para sólidos 40–8 Semiconductores e impurezas *40–9 Diodos semiconductores *40–10 Transistores y circuitos integrados RESUMEN PREGUNTAS PROBLEMAS PROBLEMAS GENERALES
  15. 15. CONTENIDO xv 41 FÍSICA NUCLEAR Y RADIACTIVIDAD 41–1 Estructura y propiedades del núcleo 41–2 Energía de amarre y fuerzas nucleares 41–3 Radiactividad 41–4 Decaimiento alfa 41–5 Decaimiento beta 41–6 Decaimiento gamma 41–7 Conservación del número de nucleones y otras leyes de conservación 41–8 Tiempo de vida media y tasa de decaimiento 41–9 Decaimiento en serie 41–10 Fechado radiactivo 41–11 Detección de radiación RESUMEN PREGUNTAS PROBLEMAS PROBLEMAS GENERALES 42ENERGÍA NUCLEAR: EFECTOS Y USOS DE LA RADIACIÓN 42–1 Reacciones nucleares y transmutación de elementos 42–2 Sección transversal 42–3 Fisión nuclear; reactores nucleares 42–4 Fusión 42–5 Paso de la radiación a través de la materia; daño por radiación 42–6 Medición de la radiación: Dosimetría *42–7 Terapia con radiación *42–8 Trazadores *42–9 Imágenes por tomografía: Barridos CAT y tomografía de emisión *42–10 Resonancia magnética nuclear (NMR) e imágenes por resonancia magnética RESUMEN PREGUNTAS PROBLEMAS PROBLEMAS GENERALES 44ASTROFÍSICA Y COSMOLOGÍA 44–1 Estrellas y galaxias 44–2 Evolución estelar: Nacimiento y muerte de las estrellas 44–3 Relatividad general: Gravedad y la curvatura del espacio 44–4 El Universo en expansión 44–5 El Big Bang y radiación de fondo cósmica 44–6 Modelo cosmológico estándar: Historia temprana del Universo 44–7 ¿Cuál será el futuro del Universo? RESUMEN PREGUNTAS PROBLEMAS PROBLEMAS GENERALES APÉNDICES A FÓRMULAS MATEMÁTICAS A–1 B DERIVADAS E INTEGRALES A–6 C MÁS SOBRE ANÁLISIS DIMENSIONAL A–8 D FUERZA GRAVITACIONAL DEBIDA A UNA DISTRIBUCIÓN DE MASA ESFÉRICA A–9 E FORMA DIFERENCIAL DE LAS ECUACIONES DE MAXWELL A–12 F ISÓTOPOS SELECTOS A–14 RESPUESTAS A LOS PROBLEMAS CON IMPARES A–18 ÍNDICE A–32 CRÉDITOS DE LAS FOTOGRAFÍAS 43PARTÍCULAS ELEMENTALES 43–1 Partículas de altas energías 43–2 Aceleradores de partículas y detectores 43–3 Inicios de la física de partículas elementales: Intercambio de partículas 43–4 Partículas y antipartículas 43–5 Interacciones entre partículas y leyes de conservación 43–6 Clasificación de partículas 43–7 Estabilidad de partículas y resonancias 43–8 Partículas extrañas 43–9 Quarks 43–10 “Modelo estándar”: Cromodinámica cuántica (QCD) y teoría electrodébil 43–11 Teorías de gran unificación RESUMEN PREGUNTAS PROBLEMAS PROBLEMAS GENERALES
  16. 16. APLICACIONES xvii APLICACIONES (SELECCIONADAS) Velocidad de escape de la Tierra y de la Luna 201 Potencia para subir una escalera 202 Requerimiento de potencia de un automóvil 202–3 “Caminadora” cardiaca (Pr104) 213 Capítulo 9 Servicio de tennis 216 Propulsión de cohetes 219, 236–8 Retroceso de un rifle 220 Golpe de karate 221 Billar/Boliche (Bolos) 223, 228 Colisiones nucleares 225, 228 Péndulo balístico 226 Banda transportadora 237 Tirón gravitacional (Pr105) 246 Respuesta a un automóvil a un impacto (Pr109) 247 Asteroides, planetas (Pr110, 112, 113) 247 Capítulo 10 Disco duro y velocidad de bits 253 Llave de acero para llanta 256 Volante de energía 266, 281 Yo-Yo 271 Fuerzas de frenado de automóviles 272-3 Calibración de odómetro de bicicletas Q1) 275 Caminante en la cuerda floja (Q11) 275 Músculo tríceps y tirar Pr38, 39) 278 Velocidad de un CD (Pr84) 281 Engranajes de bicicletas (Pr89) 281 Capítulo 11 Patinadores en rotación, buzos, 284, 286, 309 Colapso de una estrella de neutrones 287 Balanceo de las ruedas de un automóvil 296 Trompo y giroscopio 299-300 Efecto Coriolis 301-2 Huracanes 302 Volcadura posible de un SUV (Pr67) 308 Salto con giro triple (Pr79) 309 Punto óptimo de un bate (Pr82) 310 Capítulo 12 Colapso trágico 311, 323 Ventaja mecánica de una palanca 313 Viga voladiza (Cantilever) 315 Fuerza del músculo bíceps 315 Equilibrio humano con cargas de 318 Armaduras y puentes 324-6, 335 Arquitectura: arcos y cúpulas 327-8 Fuerzas de vértebras (Pr87) 337 Capítulo 13 Elevando agua 345, 348 Ascensor hidráulico, frenos 346 Manómetros 346-7 Hidrómetro 351 Ascenso con un globo de helio 352, 368 Flujo sanguíneo 353, 357, 361 Alas de una aeronave, sustentación 356 Velero contra el viento 357 Curva de béisbol 357 Sangre al cerebro,TIA 357 Flujo sanguíneo y las enfermedades del corazón 359 Tensión superficial, capilaridad 359-60 Caminando sobre el agua 360 Bombas y el corazón 361 Número de Reynolds (Pr69) 366 Capítulo 1 Los picos de 8000 m 8 Estimación del volumen de un lago 10 Altura por triangulación 11 Radio de la Tierra 11 Número de latido en el curso de una vida 12 Contaminación por partículas (Pr30) 15 Posición global de los satélites (Pr38) 16 Capacidad pulmonar (Pr65) 17 Capítulo 2 Diseño de la pista de un aeropuerto 29 Bolsas de aire de un automóvil 31 Distancias de frenado 32 Corrección de errores en CD (Pr10) 44 Tiempo de reproducción en CD (Pr13) 45 Golf cuesta arriba y cuesta abajo (Pr79) 48 Tránsito rápido (Pr83) 49 Capítulo 3 Patada de fútbol americano 66, 69 Deportes de pelota (Problemas) 77, 81, 82 Deportes extremos (Pr41) 77 Capítulo 4 Aceleración de un cohete 90 ¿Qué fuerza acelera a un carro? 90 Como caminamos 90 Elevador y contrapesos 99 Ventaja mecánica de una polea 100 Sostén contra osos (Q24) 104 Elevadores de alta velocidad (Pr19) 105 Alpinismo (Pr31, 82, 83) 106, 110 Diseño de una ciudad, automóviles sobre pendientes (Pr71) 109 Ciclistas (Pr72, 73) 109 Asteroide del “Juicio final” (Pr84) 110 Capítulo 5 ¿Jalar o empujar un trineo? 116 Centrifugación 122 No derrapar en una curva 126–7 Caminos peraltados 127 Gravedad simulada (Q18, Pr48) 131, 134 “Juego del Rotor” (Pr82) 136 Capítulo 6 Exploración de petróleo y minerales 144, 420 Satélites artificiales terrestres 146 Satélites geosincrónicos 147 Ingravidez 148 Caída libre en atletismo 149 Descubrimiento de planetas, planetas extrasolares 152 Hoyos negros 156 Asteroides (Pr44, 78) 159, 162 Sistema de Posicionamiento Global Navstar GPS (Pr58) 160 Hoyo negro en el centro de la Galaxia (Pr61, 64) 160, 161 Mareas (Pr75) 162 Capítulo 7 Distancia de frenado de un automóvil 174 Palanca (Pr6) 177 Hombre Araña (Pr54) 179 Ciclismo en Colinas, engranes (Pr85) 181 Seguridad de niños en un automóvil (Pr87) 181 Cuerda de un escalador de rocas (Pr90) 182 Capítulo 8 Descenso en skies cuesta abajo 183 “Montaña Rusa” 191, 198 Salto con garrocha 192–3 Pistola de dardos de juguete 193 Capítulo 14 Amortiguadores de choques en automóviles 383 Resonancia dañina 386 Capítulo 15 Ecolocalización por parte de los animales 400 Ondas sísmicas 401, 403, 416 Capítulo 16 Distancias a partir de los rayos y los truenos 425 Cámara auto foco 426 Amplia rango de audición humana 427-8, 431 Respuesta de un altavoz 428 Instrumentos de cuerda 432-3 Instrumentos de viento 433-6 Afinación con pulsos 439 Medidor Doppler del flujo sanguíneo 442, 453 Sonar: estampido sónico 444 Imágenes médicas ultrasónicas 445-6 Sensor de movimiento (Pr5) 448 Capítulo 17 Globo aerostático 454 Juntas de dilatación, carreteras 456, 460, 463 Derrame del tanque de gasolina 462 La vida bajo el hielo 462 Presión de neumáticos en frío y en calor 468 Moléculas en un soplo 469 Termostato (Q10) 471 Buceo/snorkeling (Pr38, 47, 82, 85) 473, 475 Capítulo 18 Reacciones químicas, dependencia con la temperatura 481 Superfluidez 483 La evaporación enfría 484, 505 Humedad, clima 485-6 Cromatografía 490 Olla a presión (Pr35) 493 Capítulo 19 Quemando las calorías extra 498 Pisos fríos 516 Pérdida de calor a través de las ventanas 516 Cómo aísla la ropa 516-7 R-valores en el aislamiento térmico 517 Calentamiento de una casa por convección 517 Pérdida de calor por radiación en humanos 518 Sala confortable y metabolismo 519 Radiación solar 519 Termografía médica 519 Astronomía - tamaño de una estrella 520 botella térmica (P30) 521 El clima, parcelas de aire, zona de cambio adiabático (Pr56) 525 Capítulo 20 Máquina de vapor 530 Motor de combustión interna 531, 535-6 Eficiencia de un automóvil 532 Refrigeradores, acondicionadores de aire 537-8 Bomba de calor 538 Evolución biológica, el desarrollo 545 Contaminación térmica, calentamiento global 549-51 Recursos energéticos 550 Motor diesel (Pr7) 553 Capítulo 21 Electricidad Estática 560, 589 (Pr78)
  17. 17. xviii APLICACIONES Fotocopiadoras 569, 582-3 Blindaje eléctrico, seguridad 577 Estructura del ADN y replicación 581-2 Células: fuerzas eléctrica y teoría cinética 581-2, 617 Impresoras láser y de inyección de tinta 585 Capítulo 23 Voltaje de ruptura 612 Pararrayos, corona 612 CRT, osciloscopios, Monitores de TV 620-1, 723 Fotoceldas (Pr75) 626 Contador Geiger(Pr83) 627 Van de Graaff (Pr84) 627, 607 Capítulo 24 Uso de capacitares 628, 631 Capacitancia muy alta 631 Teclas de computadora 631 Cámara de flash 636 Cómo se disuelve el agua (Q14) 647 Desfibrilador de corazón 638 DRAM (Pr10, 57) 644, 647 Limpiador de aire electrostático (Pr20) 645 Circuitos CMOS (Pr53) 647 Capítulo 25 Bombilla eléctrica 651, 653, 660 Construcción de una batería 653 Cables de altavoz 659 Termómetro de resistencia 660 Elemento de calentamiento, bombilla de filamento 660 ¿Por qué se queman las bombillas cuando se encienden? 661 Rayos 662 Circuitos caseros, corto circuito 662-3 Fusibles, disyuntores de circuito 662-3, 747, 776 Peligro en extensiones eléctricas 663 Sistema nervioso, conducción 669-70 Capítulo 26 Carga de la batería de un automóvil, encendido 689, 687 Aplicaciones de circuitos RC, luces intermitentes, limpiadores 691 Marcapasos de un corazón 692, 787 Peligros eléctricos 692-4 Tierra adecuada 693-4 Fibrilación del corazón 692 Medidores, analógico y digital 695-7 Potenciómetros y puentes (Pr85, 71) 704, 705 Capítulo 27 Brújula y declinación magnética 709 Auroras Boreales 717 Motores, altavoces, galvanómetros 720-1 Espectrómetro de masas 724-5 Bombeo electromagnético (Q14) 726 Ciclotrón (Pr66) 731 Conducción de rayos (Pr67) 731 Capítulo 28 Cable coaxial 740, 789 Interruptores de solenoide de interruptores: arrancadores de automóviles, timbre 747 Disyuntores de circuito, magnético 747, 776 Relevo (Relay) (Q16) 751 Trampa atómica (Pr73) 757 Capítulo 29 Estufa de inducción 762 Medidor EM de flujo sanguíneo 765 Generadores de una central eléctrica 766-7 Capítulo 35 Resolución de lentes y espejos 929-30 Telecopio Espacial Hubble 930 Resolución del ojo, magnificación útil 930, 932-3 Radiotelescopios 931 Resolución de un telescopio, la regla ␭ 931 Espectroscopia 935-6 Difracción de rayos X en biología 939 Gafas de sol polarizadas 942 LCD–pantallas de cristal líquido 943-4 Color del cielo 945 Capítulo 36 Viaje espacial Sistema de posicionamiento global (GPS) Capítulo 37 Fotoceldas Fotodiodos Fotosíntesis Medición de la densidad ósea Microscopios electrónicos Capítulo 38 Diodo de efecto túnel Microscopio electrónico de barrido de efecto túnel Capítulo 39 Análisis de fluorescencia Bombillas fluorescentes Cirugía láser Operación de DVD y CD con láser Códigos de barras Holografía Capítulo 40 Energía de la células–ATP, energía de activación Enlaces débiles en las células,ADN Síntesis de proteínas Diodos semiconductores, transistores Circuitos rectificadores Pantallas de LEDs, fotodiodos Circuitos integrados Capítulo 41 Detectores de humo Datación con carbono-14 Datación arqueológica y geológica Rocas más antiguas de la Tierra y vida primitiva Capítulo 42 Reactores nucleares y plantas de energía Proyecto Manhattan Contaminación por gas radón Fusión estelar Daños biológicos por radiación Dosimetría de la radiación Trazadores en medicina y biología Imágenes de rayos X Barridos CAT Reconstrucción de imágenes de tomografía Imágenes en medicina: PET y SPET Imágenes NRM (MRI) Capítulo 44 Evolución estelar Supernovas distancias estelares Hoyos negros Evolución del Universo Alternadores de automóviles 768 Sobrecarga del motor 769 Detector de metales de un aeropuerto 770 Amortiguamiento de corrientes de remolino 770 Transformadores y usos, potencia 770-3 Encendido de automóviles, bombilla de lastre 772, 773 Micrófono 775 Lectura/escritura en disco y cinta 775 Codificación digital 775 Lectoras de tarjetas de crédito 776 Interruptor de circuito de fallas tierra (GFCI) 776 Betatrón (Pr55) 782 Bobina de giro (Pr68) 783 Cargador de batería inductivo (Pr81) 784 Capítulo 30 Bujías 785 Marcapasos 787 Protector de sobrecargas 792 Osciladores LC, resonancia 794-802 Capacitores como filtros 799 Altavoz con selector de frecuencias 799 Igualación de impedancias 802-3 CA trifásica 803 Valor Q (Pr86, 87) 810 Capítulo 31 Antenas 824, 831 Retraso en llamadas telefónicas 825 Navegación solar 829 Pinzas ópticas 829 Transmisión inalámbrica:AM/FM,TV, sintonización, teléfonos celulares, control remoto 829-32 Capítulo 32 Qué tan alto necesitas un espejo 840-1 Espejos de acercamiento (close up) y de campo ancho 842, 849, 859 Dónde puedes verte a ti mismo en un espejo cóncavo 848 Ilusiones ópticas 851, 903 Profundidad aparente en el agua 852 Arco iris 853 Colores bajo el agua 854 Prismas binoculares 855 Fibra óptica en telecomunicaciones 855-6, 865 Endoscopios médicos 856 Reflectores en carreteras (Pr86) 865 Capítulo 33 Donde se puede ver la imagen producida por una lente 869 Cámaras, digitales y de película 878 Ajustes de cámara 879-80 Píxeles de resolución 881 Ojo humano 882-5, 892 Lentes correctoras 883-5 Lentes de contacto 885 Resolución (seeing) bajo el agua 885 Telescopios 887-9, 931, 933 Microscopios 890-1, 931, 933 Capítulo 34 Burbujas, colores reflejados 900, 912-13 Espejismos 903 Colores en películas de jabón delgadas, detalles 912-13 Recubrimiento de lentes 913-14 Recubrimiento múltiple (Pr52) 919
  18. 18. PREFACIO xix Desde el principio me sentí motivado para escribir un libro de texto diferente de los de- más, los cuales, en general, presentan la física como una secuencia de hechos o como un catálogo de artículos:“Aquí están los hechos y es mejor que los aprendan”. En vez de utili- zar este enfoque en el que los temas empiezan formal y dogmáticamente, traté de iniciar cada tema con observaciones y experiencias concretas que los estudiantes puedan rela- cionar: primero describo situaciones específicas para después referirme a las grandes ge- neralizaciones y los aspectos más formales de un tema. La intención fue mostrar por qué creemos lo que creemos. Este enfoque refleja cómo se practica la ciencia en realidad. ¿Por qué una cuarta edición? Dos tendencias recientes en los libros de texto son perturbadoras: (1) sus ciclos de revi- sión se han acortado, pues se revisan cada 3 o 4 años; (2) los libros han aumentado su vo- lumen, algunos rebasan las 1500 páginas. No veo cómo alguna de estas tendencias sea benéfica para los estudiantes. Mi respuesta ante ello. (1) Han pasado 8 años desde la edi- ción anterior de este libro. (2) Este libro utiliza la investigación educativa en física; evita el detalle que un profesor tal vez quiera expresar en clase, pero que en un libro resultaría in- necesario para el lector. Este libro todavía sigue siendo uno de los más breves de física. Esta nueva edición introduce algunas nuevas herramientas pedagógicas importan- tes. Contiene nueva física (como cosmología) y muchas nuevas aplicaciones atractivas (que se mencionan en la página anterior). Las páginas y los cambios de página se dise- ñaron cuidadosamente para hacer la física más fácil de aprender: no hay que dar vuelta a una página a la mitad de una deducción o un ejemplo. Se realizaron grandes esfuer- zos para hacer el libro atractivo, de manera que los estudiantes disfruten leerlo. A continuación se mencionan algunas de sus nuevas características. Qué hay de nuevo Preguntas de inicio de capítulo: Cada capítulo comienza con una pregunta de opción múltiple, cuyas respuestas incluyen interpretaciones erróneas comunes. Se pide a los estudiantes responder la pregunta antes de comenzar el capítulo, para interesarlos en el material y eliminar algunas nociones preconcebidas. Las preguntas reaparecen más ade- lante en el capítulo, por lo general como ejercicios, una vez que se explicó el tema. Las preguntas de inicio de capítulo también muestran a los estudiantes el poder y la utili- dad de la física. Párrafo de PLANTEAMIENTO en ejemplos numéricos resueltos: Un breve párrafo de introducción antes de la solución bosqueja un enfoque y los pasos que se pueden to- mar. Las NOTAS breves después de la solución tienen la función de comentar esta úl- tima, sugerir un enfoque alternativo o mencionar alguna aplicación. Ejemplos paso a paso: Después de muchas estrategias para resolución de problemas, el siguiente ejemplo se realiza siguiendo uno a uno los pasos recién descritos. Los ejercicios dentro del texto, después de un ejemplo o una deducción, dan a los estu- diantes la oportunidad de constatar si comprendieron lo suficiente como para respon- der una pregunta o hacer un cálculo sencillo. Muchos ejercicios son de opción múltiple. Mayor claridad: Ningún tema o párrafo en el libro se pasó por alto en la búsqueda de mejorar la claridad y la concisión de la presentación. Se eliminaron frases y oraciones que pudieran velar el argumento principal: se intentó apegarse a lo esencial primero y hacer precisiones después. Notación vectorial, flechas: Los símbolos para cantidades vectoriales en el texto y las figuras tienen una pequeña flecha sobre ellos, así que son similares a la forma que se utiliza cuando se escriben a mano. Revolución cosmológica: Gracias a la generosa ayuda de grandes expertos en el cam- po, los lectores tienen información reciente. B B vB ,F B , Prefacio
  19. 19. xx PREFACIO Distribución de la página: Más que en la edición anterior, se prestó gran atención al formato de cada página. Los ejemplos y todas las deducciones y argumentos impor- tantes aparecen en páginas que se enfrentan. Los estudiantes no tienen que ir hacia atrás o adelante para consultar los antecedentes o la continuación de un asunto. A to- do lo largo del libro, los lectores ven en dos páginas, una al lado de la otra, un impor- tante pasaje de física. Nuevas aplicaciones: LCD, cámaras digitales y CCD, riesgos eléctricos, GFCI, fotoco- piadoras, impresoras de tinta e impresoras láser, detectores de metales, visión submari- na, bolas curvas, alas de avión, ADN, la forma en que en realidad se ven las imágenes son sólo algunas de las nuevas aplicaciones que se presentan. (Dé vuelta hacia atrás a la hoja para ver una lista más larga). Ejemplos modificados: Se explican más pasos matemáticos y se incluyen muchos ejem- plos nuevos. Aproximadamente el 10% son ejemplos de estimación. Este libro es más breve que otros libros completos del mismo nivel. Las explicaciones más breves son más fáciles de comprender y es más probable que se lean. Contenido y cambios organizativos • Movimiento rotacional: Los capítulos 10 y 11 se reorganizaron. Ahora toda la cantidad de movimiento angular está en el capítulo 11. • La primera ley de la termodinámica, en el capítulo 19, se reescribió y se amplió. La forma completa está dada como ⌬K ϩ ⌬U ϩ ⌬Eint ϭ Q Ϫ W, donde la energía interna es Eint y U es la energía potencial; la forma Q Ϫ W se mantiene de ma- nera que dW ϭ P dV. • La cinemática y la dinámica del movimiento circular ahora se estudian juntas en el capítulo 5. • El trabajo y la energía, capítulos 7 y 8, se revisaron cuidadosamente. • El trabajo realizado por fricción se analiza ahora en el marco de la conservación de energía (términos energéticos debidos a fricción). • Los capítulos acerca de inductancia y circuitos CA se combinaron en uno solo, el capítulo 30. • El análisis gráfico y la integración numérica es una nueva sección 2-9, opcional. Los problemas que requieren una computadora o una calculadora graficadora se encuentran al final de la mayoría de los capítulos. • La longitud de un objeto se denota con una l de tipo manuscrito en vez de la l normal, que podría confundirse con 1 o I (momento de inercia, corriente), como en F ϭ IlB. La L mayúscula se reserva para cantidad de movimiento angular, calor latente, inductancia y dimensiones de longitud [L]. • La ley de Newton de la gravitación permanece en el capítulo 6. ¿Por qué? Por- que la ley 1/r2 es muy importante como para relegarla a una capítulo poste- rior, que tal vez no pueda cubrirse en el semestre; más aún, es una de las fuerzas básicas de la naturaleza. En el capítulo 8 se puede tratar la energía potencial gra- vitacional real y tener un fino ejemplo del uso de • Los nuevos apéndices incluyen la forma diferencial de las ecuaciones de Max- well y más acerca de análisis dimensional. • Las estrategias para resolución de problemas se encuentran en las páginas 30, 58, 64, 96, 102, 125, 166, 198, 229, 261, 314, 504 y 551 de este primer volumen. Organización Algunos profesores encontrarán que este libro contiene más material del que es posi- ble cubrir en un curso. El texto ofrece gran flexibilidad. Las secciones marcadas con as- terisco (*) se consideran opcionales. Éstas contienen material de física ligeramente más avanzada; no incluyen material necesario en capítulos posteriores (excepto tal vez en secciones opcionales posteriores). Para un breve curso, todo el material opcional se po- dría omitir, así como grandes partes de los capítulos 1, 13, 16, 26, 30 y 35, partes selec- cionadas de los capítulos 9, 12, 19, 20, 33 y los capítulos de física moderna. Los temas no cubiertos en clase constituyen un valioso recurso para el posterior estudio de los alum- nos. De hecho, este texto podría funcionar como una referencia útil durante años, gra- cias a su amplio rango de cobertura. U = – ͐F B # dL B .
  20. 20. PREFACIO xxi Mario Affatigato, Coe College Lorraine Allen, United States Coast Guard Academy Zaven Altounian, McGill University Bruce Barnett, Johns Hopkins University Michael Barnett, Lawrence Berkeley Lab Anand Batra, Howard University Cornelius Bennhold, George Washington University Bruce Birkett, University of California Berkeley Dr. Robert Boivin, Auburn University Subir Bose, University of Central Florida David Branning, Trinity College Meade Brooks, Collin County Community College Bruce Bunker, University of Notre Dame Grant Bunker, Illinois Institute of Technology Wayne Carr, Stevens Institute of Technology Charles Chiu, University of Texas Austin Robert Coakley, University of Southern Maine David Curott, University of North Alabama Biman Das, SUNY Potsdam Bob Davis, Taylor University Kaushik De, University of Texas Arlington Michael Dennin, University of California Irvine Kathy Dimiduk, University of New Mexico John DiNardo, Drexel University Scott Dudley, United States Air Force Academy John Essick, Reed College Cassandra Fesen, Dartmouth College Alex Filippenko, University of California Berkeley Richard Firestone, Lawrence Berkeley Lab Mike Fortner, Northern Illinois University Tom Furtak, Colorado School of Mines Edward Gibson, California State University Sacramento John Hardy, Texas A&M J. Erik Hendrickson, University of Wisconsin Eau Claire Laurent Hodges, Iowa State University David Hogg, New York University Mark Hollabaugh, Normandale Community College Andy Hollerman, University of Louisiana at Lafayette Bob Jacobsen, University of California Berkeley Teruki Kamon, Texas A&M Daryao Khatri, University of the District of Columbia Jay Kunze, Idaho State University Jim LaBelle, Dartmouth College M.A.K. Lodhi, Texas Tech Bruce Mason, University of Oklahoma Dan Mazilu, Virginia Tech Linda McDonald, North Park College Bill McNairy, Duke University Raj Mohanty, Boston University Giuseppe Molesini, Istituto Nazionale di Ottica Florence Lisa K. Morris, Washington State University Blaine Norum, University of Virginia Alexandria Oakes, Eastern Michigan University Michael Ottinger, Missouri Western State University Lyman Page, Princeton and WMAP Bruce Partridge, Haverford College R. Daryl Pedigo, University of Washington Robert Pelcovitz, Brown University Vahe Peroomian, UCLA James Rabchuk, Western Illinois University Michele Rallis, Ohio State University Paul Richards, University of California Berkeley Peter Riley, University of Texas Austin Larry Rowan, University of North Carolina Chapel Hill Cindy Schwarz, Vassar College Peter Sheldon, Randolph-Macon Woman’s College Natalia A. Sidorovskaia, University of Louisiana at Lafayette George Smoot, University of California Berkeley Mark Sprague, East Carolina University Michael Strauss, University of Oklahoma Laszlo Takac, University of Maryland Baltimore Co. Franklin D.Trumpy, Des Moines Area Community College Ray Turner, Clemson University Som Tyagi, Drexel University John Vasut, Baylor University Robert Webb, Texas A&M Robert Weidman, Michigan Technological University Edward A.Whittaker, Stevens Institute of Technology John Wolbeck, Orange County Community College Stanley George Wojcicki, Stanford University Edward Wright, UCLA Todd Young, Wayne State College William Younger, College of the Albemarle Hsiao-Ling Zhou, Georgia State University Debo agradecer especialmente el profesor Bob Davis por su valiosa información y, en especial, por trabajar todos los problemas y producir el Manual de soluciones para to- dos los problemas, así como por dar las respuestas a los problemas con número impar al final de este libro. Muchas gracias también a J. Erik Hendrickson, quien colaboró con Bob Davis en las soluciones, y al equipo que ambos condujeron (profesores Anand Batra, Meade Brooks, David Currott, Blaine Norum, Michael Ottinger, Larry Rowan, Ray Turner, John Vasut y William Younger). Muchas gracias a Katherine Whatley y Ju- dith Beck, quienes dieron respuesta a las preguntas conceptuales al final de cada capí- tulo. Estoy agradecido con los profesores John Essick, Bruce Barnett, Robert Coakley, Biman Das, Michael Dennin, Kathy Dimiduk, John DiNardo, Scout Dudley, David How, Cindy Schwarz, Ray Turner y Som Tyagi, quienes inspiraron muchos de los ejem- plos, preguntas, problemas y aclaraciones significativos. Cruciales para desenraizar errores, así como para brindar excelentes sugerencias, fueron los profesores Kathy Dimiduk, Ray Turner y Lorrain Allen. Muchas gracias a ellos y al profesor Giuseppe Molesini por sus sugerencias y sus excepcionales fotogra- fías sobre óptica. Agradecimientos Muchos profesores de física dieron información o retroalimentación directa acerca de cada aspecto de este libro. Se mencionan a continuación, y con cada uno tengo una deuda de gratitud.
  21. 21. xxii PREFACIO Para el capítulo 44, acerca de cosmología y astrofísica, fui afortunado al recibir ge- nerosa información de algunos de los grandes expertos en el campo, con quienes tengo una deuda de gratitud: George Smoot, Paul Richards y Alex Filippenko (UC Berke- ley), Lyman Page (Princeton y WMAP), Edward Wright (UCLA y WMAP) y Michael Strauss (Universidad de Oklahoma). Quiero agradecer especialmente a los profesores Howard Shugart, Chair Marjorie Shapiro y a muchos otros en el Departamento de Física de la Universidad de Califor- nia, Berkeley, por sus útiles discusiones y por su hospitalidad. Gracias también al pro- fesor Tito Arecchi y a otros más en el Istituto Nazionale di Ottica, en Florencia, Italia. Finalmente, estoy agradecido con muchas personas en Prentice Hall, con quienes trabajé en este proyecto, en especial Paul Corey, Christian Botting, Sean Hogan, Frank Weihenig, John Christiana y Karen Karlin. La responsabilidad final de todos los errores es mía. Doy la bienvenida a comenta- rios, correcciones y sugerencias tan pronto como sea posible para beneficiar a los estu- diantes con la siguiente reimpresión. D.C.G. correo electrónico: Paul_Corey@Prenhall.com Dirección postal: Paul Corey One Lake Street Upper Saddle River, NJ 07458 Acerca del autor Douglas C. Giancoli obtuvo su licenciatura en física (summa cum laude) en la Univer- sidad de California, Berkeley, su maestría en física en el Massachusetts Institute of Technology (MIT) y su doctorado en física de partículas elementales en la Universidad de California, Berkeley. Luego pasó dos años en una estancia posdoctoral en el labora- torio de virus de la UC Berkeley, donde realizó estudios en biología molecular y biofí- sica. Sus profesores incluyen a los ganadores del Premio Nobel Emilio Segré y Donald Glaser. Ha impartido una amplia variedad de cursos tradicionales de licenciatura, así co- mo algunos innovadores, y ha continuado actualizando sus libros meticulosamente en busca de formas para ofrecer una mejor comprensión de la física a los estudiantes. El pasatiempo favorito de Doug es al aire libre, especialmente el montañismo (aquí aparece en la cima de los Dolomitas, en el invierno de 2007). Asegura que esca- lar montañas es como aprender física: es una actividad que requiere esfuerzo, pero las recompensas son grandes. Complementos en línea (lista parcial) MasteringPhysicsTM (www.masteringphysics.com) es un elaborado sistema de tutoría y tareas en línea desarrolla- do especialmente para cursos que usan física basada en cálculo. Originalmente desarrollado por David Pritchard y colaborado- res en el MIT, MasteringPhysics ofrece a los estudiantes tutoría individualizada en línea al corregir sus respuestas equivocadas y dar sugerencias para resolver problemas de múltiples pasos cuan- do se les presentan dificultades.Les da valoración inmediata y ac- tualizada de sus avances, y les muestra dónde necesitan practicar más. MasteringPhysics ofrece a los instructores una forma rápi- da y efectiva de asignar tareas en línea que comprenden una am- plia variedad de tipos de problemas. Los poderosos diagnósticos posteriores a la asignación permiten a los instructores valorar el progreso tanto de su clase en conjunto como de los estudiantes individuales, al tiempo que les ayudan a identificar rápidamen- te áreas de dificultad. WebAssign (www.webassign.com) CAPA y LON-CAPA (www.lon-capa.org/)
  22. 22. PREFACIO xxiii A los estudiantes CÓMO ESTUDIAR 1. Lea el capítulo. Aprenda el vocabulario y la notación. Intente responder las pre- guntas y ejercicios como se presenten. 2. Asista a todas las clases. Escuche. Tome notas, especialmente acerca de aspectos que no recuerde haber visto en el libro. Pregunte (todos quieren hacerlo, pero qui- zás usted tenga el valor). Obtendrá más de la clase si primero lee el capítulo. 3. Lea el capítulo de nuevo, ponga atención a los detalles. Siga las deducciones y re- suelva los ejemplos. Absorba su lógica. Responda los ejercicios y tantas preguntas como pueda del final del capítulo. 4. Resuelva de 10 a 20 (o más) problemas de final del capítulo, en especial los asigna- dos. Al resolver problemas descubrirá qué aprendió y qué no aprendió. Discútalos con otros estudiantes. La resolución de problemas es una de las mayores herra- mientas de aprendizaje. No se limite a buscar una fórmula, no funcionará. NOTAS ACERCA DEL FORMATO Y LA RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS 1. Las secciones marcadas con asterisco (*) se consideran opcionales. Se pueden omi- tir sin interrumpir el flujo principal de los temas. Ningún material posterior depen- de de ellas, excepto quizá las posteriores secciones con asterisco. Sin embargo, resulta entretenido leerlas. 2. Se usan las convenciones acostumbradas: los símbolos para cantidades (como m para masa) van en cursivas, mientras que las unidades (como m para metro) no aparecen en cursivas. Los símbolos para vectores se muestran en negritas con una pequeña flecha sobre ellos: 3. Algunas ecuaciones son válidas en todas las situaciones. Donde sea práctico, las li- mitaciones de las ecuaciones importantes se indican entre corchetes junto a la ecuación. Las ecuaciones que representan las grandes leyes de la física se muestran con un fondo sombreado, así como algunas otras ecuaciones indispensables. 4. Al final de cada capítulo hay un conjunto de Problemas que se clasifican como nivel I, II o III, de acuerdo con la dificultad estimada. Los problemas del nivel I son los más sencillos, los del nivel II son problemas estándar, y los del nivel III son “proble- mas de desafío”. Estos problemas clasificados se ordenan por sección, pero los pro- blemas para una sección dada pueden depender también del material anterior. Después aparece un grupo de problemas generales, que no se ordenan por sección ni están clasificados por dificultad. Los problemas que se relacionan con las secciones opcionales tienen asterisco (*). La mayoría de los capítulos tienen 1 o 2 problemas numéricos/por computadora al final, que requieren una computadora o calculadora graficadora. Las respuestas a los problemas impares se presentan al final del libro. 5. Ser capaz de resolver problemas es una parte crucial del aprendizaje de física y constituye un poderoso medio para comprender los conceptos y principios. Este li- bro contiene muchos auxiliares para la resolución de problemas: a) ejemplos tra- bajados y sus soluciones en el texto, que se deben estudiar como parte integral del tema; b) algunos de los ejemplos trabajados son ejemplos de estimación, que muestran cómo se pueden obtener resultados aproximados incluso si los datos da- dos son escasos (véase la sección 1-6); c) a lo largo de todo el texto se colocaron Estrategias para la resolución de problemas especiales con el fin de sugerir un mé- todo paso a paso para resolver problemas acerca de un tema particular; la mayoría de estas “estrategias” van seguidas por un ejemplo que se resuelve al seguir de ma- nera explícita los pasos sugeridos; d) secciones especiales de resolución de proble- mas; e) notas marginales de “resolución de problemas” que se refieren a sugerencias dentro del texto para resolver problemas; f) Ejercicios dentro del tex- to que debe trabajar inmediatamente para luego comparar sus respuestas con las que aparecen al pie de la última página de ese capítulo; g) los problemas mismos al final de cada capítulo (punto 4 anterior). 6. Los ejemplos conceptuales plantean una pregunta que tiene la intención de hacer pensar al lector y conducirlo a una respuesta. Tómese un poco de tiempo para en- contrar su respuesta antes de leer la respuesta dada. 7. El repaso matemático y algunos temas adicionales se encuentran en los apéndices. Datos útiles, factores de conversión y fórmulas matemáticas se encuentran en la primera y última páginas del libro, así como en los forros. F B .
  23. 23. Imagen de la Tierra desde un satélite de la NASA. Desde el espacio el cielo se ve negro porque hay pocas moléculas que reflejen la luz. (El porqué el cielo nos parece azul en la Tierra tiene que ver con la dispersión de la luz por parte de las moléculas en la atmósfera, como veremos en el capítulo 35). Advierta el huracán en la costa de México. 1 CONTENIDO 1–1 La naturaleza de la ciencia 1–2 Modelos, teorías y leyes 1–3 Medición e incertidumbre; cifras significativas 1–4 Unidades, estándares y el sistema SI 1–5 Conversión de unidades 1–6 Orden de magnitud: Estimación rápida 1–7 Dimensiones y análisis dimensional C A P Í T U L O 1PREGUNTA DE INICIO DE CAPÍTULO: ¡Adivine qué! Suponga que usted realmente quiere medir el radio de la Tierra, al menos aproximada- mente, en vez de tomar lo que otras personas dicen sobre él. ¿Cuál respuesta de las si- guientes describe el mejor enfoque? a) Rendirse; es imposible hacerlo utilizando medios ordinarios. b) Utilizar una cinta extremadamente larga para medir. c) Sólo es posible rolar lo suficientemente alto y ver la curvatura terrestre real. d) Utilizar una cinta para medir estándar, una escalera plegable y un lago grande y tranquilo. e) Utilizar un láser y un espejo en la Luna o en un satélite. [Empezamos cada capítulo con una pregunta, como la anterior. Intente responderla ahora mismo. No se preocupe por obtener la respuesta correcta de inmediato: la idea es poner sobre la mesa sus nociones pre- concebidas. Si éstas son incorrectas, esperamos que se le aclaren conforme lea el capítulo. Por lo general, tendrá otra oportunidad para responder esta pregunta más adelante en este capítulo, cuando haya estu- diado el material pertinente. Las preguntas de inicio de capítulo también le ayudarán a conocer el poder y la utilidad de la física]. Introducción, mediciones, estimaciones *
  24. 24. 2 CAPÍTULO 1 L a física es la más fundamental de las ciencias. Estudia el comportamiento y la estructura de la materia. El campo de la física se divide usualmente en física clásica, que incluye movimiento, fluidos, calor, sonido, luz, electricidad y magne- tismo; y física moderna que incluye relatividad, estructura atómica, materia condensada, física nuclear, partículas elementales, y cosmología y astrofísica. En este li- bro cubriremos todos esos temas, empezando con movimiento (o mecánica, como se le denomina con frecuencia); y finalizaremos con los resultados más recientes en nuestro estudio del cosmos. La comprensión de la física es indispensable para cualquiera que piense estudiar una carrera científica o tecnológica. Por ejemplo, los ingenieros deben saber cómo calcular las fuerzas dentro de una estructura, para diseñarla de manera que permanezca estable (fi- gura 1-1a). De hecho, en el capítulo 12 veremos un ejemplo resuelto de cómo un simple cálculo físico —o incluso una intuición basada en el entendimiento de la física de las fuerzas— habría salvado cientos de vidas humanas (figura 1-1b). En este libro veremos muchos ejemplos de cómo la física es útil en diversos campos y en la vida cotidiana. 1–1 La naturaleza de la ciencia Por lo general, se considera que el objetivo principal de todas las ciencias, incluida la física, es la búsqueda de orden en nuestras observaciones del mundo que nos rodea. Mucha gente piensa que la ciencia es un proceso mecánico de recolección de datos y de formulación de teorías. Sin embargo, no es algo tan sencillo. La ciencia es una acti- vidad creativa que en muchos aspectos se parece a otras actividades creativas de la mente humana. Un aspecto importante de la ciencia es la observación de eventos, que incluye el diseño y la realización de experimentos. No obstante, la observación y la experimen- tación requieren imaginación, pues los científicos nunca pueden incluir en una descrip- ción todo lo que observan. Por lo tanto, los científicos deben emitir juicios acerca de lo que es importante en sus observaciones y experimentos. Considere, por ejemplo, cómo dos grandes pensadores, Aristóteles (384-322 A.C.) y Galileo (1564-1642), interpretaron el movimiento a lo largo de una superficie horizontal. Aristóteles notó que los objetos con un empuje inicial a lo largo del suelo (o de una mesa) siempre sufren una desaceleración y se detienen. En consecuencia,Aristóteles indicó que el estado natural de un objeto es el reposo. En el siglo XVII Galileo, en su reexamen del movimiento horizontal, imaginó que si la fricción pudiera suprimirse, un objeto con un empuje inicial a lo largo de una superficie horizontal continuaría moviéndose indefinida- mente sin detenerse. Concluyó que para un objeto, estar en movimiento es algo tan natural como estar en reposo. Inventando un nuevo enfoque, Galileo fundó muestra visión mo- derna del movimiento (capítulos 2, 3 y 4), y lo hizo así con un salto de la imaginación. Galileo hizo este salto conceptualmente, sin eliminar realmente la fricción. La observación, junto con la experimentación y medición cuidadosas, son un aspec- to del proceso científico. El otro aspecto es la creación de teorías para explicar y orde- nar las observaciones. Las teorías nunca se derivan directamente de las observaciones. En realidad, las observaciones pueden ayudar a inspirar una teoría, y las teorías se aceptan o se rechazan con base en los resultados obtenidos de la observación y los ex- perimentos. Las grandes teorías de la ciencia pueden compararse, en cuanto a logros creativos, con las grandes obras de arte o de la literatura. Pero, ¿cómo difiere la ciencia de esas otras actividades creativas? Una diferencia importante radica en que la ciencia requiere pruebas de sus ideas o teorías, para saber si sus predicciones se corroboran o no con el experimento. Si bien las pruebas de las teorías distinguen a la ciencia de otros campos creativos, no debe suponerse que una teoría “se comprueba” mediante pruebas. Ante todo, nin- gún instrumento de medición es perfecto, por lo que no es posible realizar una confir- mación exacta. Además, no es factible probar una teoría en cualquier circunstancia posible. Por consiguiente, una teoría no puede verificarse en forma absoluta. De hecho, la historia de la ciencia nos indica que las teorías que durante mucho tiempo se han considerado como válidas pueden reemplazarse por otras teorías nuevas. 1–2 Modelos, teorías y leyes Cuando los científicos tratan de entender un conjunto específico de fenómenos, a me- nudo utilizan un modelo que, en el sentido científico, es un tipo de analogía o imagen mental de los fenómenos en términos de algo con lo que estamos familiarizados. Un FIGURA 1–1 a) Este acueducto romano fue construido hace 2000 años y aún se mantiene en pie. b) En 1978 el Centro Cívico de Hartford colapsó, sólo dos años después de haberse construido.
  25. 25. SECCIÓN 1–3 3 ejemplo es el modelo ondulatorio de la luz. No podemos ver las ondas de luz como ob- servamos las ondas de agua; pero es conveniente pensar que la luz está formada por ondas, porque los experimentos indican que en muchos aspectos la luz se comporta co- mo lo hacen las ondas de agua. La finalidad de un modelo es darnos una imagen mental o visual aproximada —al- go en qué apoyarnos—, cuando no podemos ver lo que realmente está sucediendo. Con frecuencia, los modelos nos dan una comprensión más profunda: la analogía con un sis- tema conocido (por ejemplo, las ondas de agua en el ejemplo anterior) puede sugerir nuevos experimentos y ofrecer ideas acerca de qué otros fenómenos relacionados po- drían ocurrir. Tal vez usted se pregunte cuál es la diferencia entre una teoría y un modelo. Por lo general un modelo es relativamente sencillo y proporciona una similitud estructural con los fenómenos que se estudian. Una teoría es más amplia, más detallada y puede ofrecer predicciones cuantitativamente demostrables, a menudo con gran precisión. Sin embargo, es importante no confundir un modelo o una teoría con el sistema real o los fenómenos mismos. Los científicos dan el nombre de ley a ciertos enunciados concisos pero generales acerca de cómo se comporta la naturaleza (por ejemplo, que la energía se conserva). A veces, el enunciado toma la forma de una relación o ecuación entre cantidades (como la segunda ley de Newton, Fnet ϭ ma). Para llamarse ley, un enunciado debe ser experimentalmente válido en una amplia gama de fenómenos observados. Para enunciados menos generales, a menudo se utiliza el término principio (como el principio de Arquímedes). Las leyes científicas son diferentes de las leyes políticas en tanto que éstas últimas son prescriptivas, es decir, ellas nos dicen cómo debemos comportarnos. Las leyes cientí- ficas son descriptivas: no dicen cómo debería comportarse la naturaleza, sino más bien indi- can cómo se comporta la naturaleza. Al igual que las teorías, las leyes no pueden probarse en la infinita variedad de casos posibles. Por lo tanto, no podemos estar seguros de que cualquier ley sea absolutamente verdadera. Usamos el término “ley” cuando su validez se ha probado en una amplia gama de casos, y cuando cualquier limitación y dominio de validez se entienden claramente. Los científicos realizan normalmente su trabajo como si las leyes y teorías acepta- das fueran verdaderas. Pero ellos están obligados a mantener una mente abierta, en el caso de que nueva información altere la validez de cualquier ley o teoría establecida. 1–3 Medición e incertidumbre; cifras significativas En un esfuerzo por entender el mundo a nuestro alrededor, los científicos tratan de en- contrar relaciones entre cantidades físicas que puedan medirse. Incertidumbre Las mediciones precisas son una parte fundamental de la física. Sin embargo, ninguna medición es absolutamente precisa. Siempre, hay una incertidumbre asociada con toda me- dición. Entre las fuentes más importantes de incertidumbre, aparte de las equivocacio- nes, están la precisión limitada de cualquier instrumento de medición, y la incapacidad de leer un instrumento más allá de alguna fracción de la división más pequeña que per- mita el instrumento. Por ejemplo, si se usa una regla centimétrica graduada en milíme- tros para medir el ancho de un tablón (figura 1-2), puede declararse que el resultado es preciso hasta 0.1 cm (1 mm), que es la división más pequeña de la regla; aunque la mitad de este valor podría también considerarse como el límite de nuestra precisión. La razón de esto es que resulta difícil para el observador estimar (o interpolar) entre las divisiones más pequeñas. Además, quizá la regla misma no haya sido fabricada con una precisión mucho mejor que ésta. Al dar el resultado de una medición, es importante indicar la incertidumbre esti- mada en la medición. Por ejemplo, el ancho de un tablón podría escribirse como 8.8 Ϯ 0.1 cm. El Ϯ 0.1 cm (“más o menos 0.1 cm”) representa la incertidumbre estimada en la medición, por lo que el ancho real muy probablemente se encuentre entre 8.7 y 8.9 cm. La incertidumbre porcentual es la razón de la incertidumbre al valor medido, multipli- cada por 100. Por ejemplo, si la medición es 8.8 cm y la incertidumbre es aproximada- mente 0.1 cm, la incertidumbre porcentual es donde Ϸ significa “aproximadamente igual a”. 0.1 8.8 * 100% L 1%, FIGURA 1–2 La medición del ancho de un tablón con una regla centimétrica. La incertidumbre es de aproximadamente Ϯ 1 mm.
  26. 26. 4 CAPÍTULO 1 A menudo, la incertidumbre en un valor medido no se especifica de forma explíci- ta. En tales casos, por lo general la incertidumbre se supone igual a una o a unas cuantas unidades del último dígito especificado. Por ejemplo, si se da una longitud como 8.8 cm, la incertidumbre se supone igual a aproximadamente 0.1 cm o 0.2 cm. En este caso es importante que no escriba usted 8.80 cm, pues esto implicaría una incertidumbre del orden de 0.01 cm; se supone que la longitud está probablemente entre 8.79 cm y 8.81 cm, cuando en realidad usted piensa que está entre 8.7 y 8.9 cm. Cifras significativas El número de dígitos conocidos confiables en un número se llama número de cifras sig- nificativas. Así, en el número 23.21 cm hay cuatro cifras significativas, y dos en el núme- ro 0.062 cm (en este caso los ceros a la izquierda se usan sólo para indicar la posición del punto decimal). El número de cifras significativas no es siempre evidente. Por ejem- plo, considere el número 80. ¿Hay en él una o dos cifras significativas? Si decimos que hay aproximadamente 80 km entre dos ciudades, se tiene entonces sólo una cifra signifi- cativa (el 8) puesto que el cero es meramente un ocupante de lugar. Si no se indica que el 80 es una mera aproximación, entonces supondremos (como haremos en este libro) que el valor de 80 km está dentro de una precisión aproximada de 1 o 2 km, y así 80 tie- ne dos cifras significativas. Si hay precisamente 80 km entre las ciudades, entonces la precisión está dentro de Ϯ 0.1 km, y escribimos 80.0 km (tres cifras significativas). Al hacer mediciones o al realizar cálculos, usted debe evitar la tentación de mante- ner más dígitos en la respuesta final que lo que sea justificable. Por ejemplo, para calcu- lar el área de un rectángulo de 11.3 cm por 6.8 cm, el resultado de la multiplicación sería 76.84 cm2 . Pero esta respuesta no es claramente precisa a 0.01 cm2 , ya que (usan- do los límites exteriores de la incertidumbre supuesta para cada medida) el resultado podría estar entre 11.2 ϫ 6.7 ϭ 75.04 cm2 y 11.4 ϫ 6.9 cm ϭ 78.66 cm2 . En el mejor de los casos, daremos la respuesta como 77 cm2 , lo cual implica una incertidumbre de aproxi- madamente 1 o 2 cm2 . Los otros dos últimos dígitos (en el número 76.84 cm2 ) deben cancelarse, ya que no son significativos. Como regla burda general, (es decir, en ausen- cia de una consideración detallada de las incertidumbres) diremos que el resultado fi- nal de una multiplicación o división debe tener tantas cifras como el número de cifras en el valor de entrada menos preciso utilizado en los cálculos. En nuestro ejemplo, 6.8 cm tiene el menor número de cifras significativas; a saber, dos. Así, el resultado 76.84 cm2 necesita redondearse a 77 cm2 . EJERCICIO A El área de un rectángulo de 4.5 cm por 3.25 cm se da correctamente con a) 14.625 cm2 ; b) 14.63 cm2 ; c) 14.6 cm2 ; d) 15 cm2 . Cuando se suman o se restan números, el resultado final no es más exacto que el número menos preciso usado. Por ejemplo, el resultado de restar 0.57 de 3.6 es 3.0 (y no 3.03). Al usar una calculadora tenga en mente que todos los dígitos que genera quizá no sean significativos. Cuando usted divide 2.0 entre 3.0, la respuesta adecuada es 0.67 y no algo como 0.666666666. Los dígitos no deberán escribirse en un resultado, a menos que sean verdaderamente cifras significativas. Sin embargo, para obtener el resultado más exacto, por lo general mantenga una o más cifras significativas adicionales a lo lar- go de todo el cálculo y sólo redondee en el resultado final. (Con una calculadora, usted puede mantener todos sus dígitos en los resultados intermedios). Advierta también que a veces las calculadoras dan muy pocas cifras significativas. Por ejemplo, al multiplicar 2.5 ϫ 3.2, una calculadora puede dar la respuesta simplemente como 8. Pero la res- puesta es precisa con dos cifras significativas, por lo que la respuesta adecuada sería 8.0. Véase la figura 1-3. EJEMPLO CONCEPTUAL 1–1 Cifras significativas. Con el uso de un transportador (figura 1-4), mida un ángulo de 30°. a) ¿Cuántas cifras significativas se deben citar en es- ta medición? b) Use una calculadora para encontrar el coseno del ángulo medido. RESPUESTA a) Si observa un transportador, verá que la precisión con que se puede medir un ángulo es de aproximadamente un grado (ciertamente no 0.1°). Aquí se pueden citar dos cifras significativas; a saber, 30° (no 30.0°). b) Si se ingresa cos 30° en una calculadora, se obtiene un número como 0.866025403. Sin embargo, se sabe que el ángulo que se ingresó sólo tiene dos cifras significativas, así que su coseno está re- presentado correctamente como 0.87; es decir, se debe redondear la respuesta a dos cifras significativas. NOTA La función coseno y otras funciones trigonométricas se tratan en el Apéndice A. RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS Regla de cifras significativas: El número de cifras significativas en el resultado final es el mismo que el número de cifras significativas del valor de entrada menos preciso C U I D A D O Las calculadoras no saben manejar cifras significativas RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS Reporte sólo el número adecuado de cifras significativas en el resultado final, y mantenga dígitos adicionales durante los cálculos FIGURA 1–3 Estas dos calculadoras muestran el número equivocado de cifras significativas. En a) se dividió 2.0 entre 3.0. El resultado final correcto es 0.67. En b) 2.5 se multiplicó por 3.2. El resultado correcto es 8.0. FIGURA 1–4 Ejemplo 1-1. Un transportador que se utiliza para medir un ángulo.
  27. 27. SECCIÓN 1–3 Medición e incertidumbre; cifras significativas 5 EJERCICIO B ¿0.00324 y 0. 00056 tienen el mismo número de cifras significativas? Tenga cuidado de no confundir el número de cifras significativas con el número de lu- gares decimales. EJERCICIO C Para cada uno de los siguientes números, especifique el número de cifras sig- nificativas y el número de lugares decimales: a) 1.23; b) 0.123; c) 0.0123. Notación científica Comúnmente escribimos los números en “potencias de diez” o notación “científica”; por ejemplo, 36,900 lo escribimos como 3.69 ϫ 104 ; o 0.0021 lo escribimos como 2.1 ϫ 10Ϫ3 . Una ventaja de la notación científica es que permite expresar con claridad el nú- mero de cifras significativas. Por ejemplo, no es claro si 36,900 tiene tres, cuatro o cinco cifras significativas. Con potencias de diez se puede evitar la ambigüedad: si se sabe que el número tiene tres cifras significativas, escribimos 3.69 ϫ 104 ; pero si tiene cuatro, escribimos 3.690 ϫ 104 . EJERCICIO D Escriba cada uno de los siguientes números en notación científica y especifi- que el número de cifras significativas para cada uno: a) 0.0258, b) 42,300, c) 344.50. Incertidumbre porcentual versus cifras significativas La regla de cifras significativas es sólo aproximada, y en ciertos casos tal vez subestime la exactitud (o incertidumbre) de la respuesta.Por ejemplo, suponga que dividimos 97 entre 92: Tanto 97 como 92 tienen dos cifras significativas, de manera que la regla indica dar 1.1 como respuesta. No obstante, ambos números, 97 y 92, implican una incertidumbre de Ϯ 1 si no se especifica ninguna otra incertidumbre. Así, 92 Ϯ 1 y 97 Ϯ 1 implican am- bos una incertidumbre de aproximadamente 1% (1/92 a 0.01 = 1%). Pero el resultado final con dos cifras significativas es 1.1, con una incertidumbre tácita de Ϯ 0.1, que es una incentidumbre de 0.1/1.1 Ϸ 0.1 Ϸ 10%. En este caso, es mejor dar la respuesta co- mo 1.05 (que tiene tres cifras significativas). ¿Por qué? Porque 1.05 implica una incerti- dumbre de Ϯ 0.01, que es 0.01/1.05 Ϸ 0.01 Ϸ 1%, tal como la incertidumbre en los números originales 92 y 97. SUGERENCIA: Utilice la regla de cifras significativas, pero considere también la incertidumbre porcentual, y agregue un dígito extra si éste da una estimación más rea- lista de la incertidumbre. Aproximaciones Mucho de la física implica aproximaciones, a menudo porque no disponemos de los me- dios para resolver un problema con total precisión. Por ejemplo, tal vez elijamos ignorar la resistencia del aire o la fricción al realizar un ejercicio, aun cuando estén presentes en situaciones de la vida real y, por lo tanto, nuestro cálculo sería sólo una aproximación. Al hacer los ejercicios deberíamos estar conscientes de que las aproximaciones que es- tamos haciendo, y la precisión de nuestra respuesta, quizá no sean lo suficientemente buenas como el número de cifras significativas que se dan en el resultado. Exactitud versus precisión Hay una diferencia técnica entre “precisión” y “exactitud”. La precisión, en un sentido estricto, se refiere a la repetibilidad de una medición usando un instrumento dado. Por ejemplo, si usted mide el ancho de un tablón varias veces, y obtiene resultados como 8.81 cm, 8.85 cm, 8.78 cm, 8.82 cm (interpolando cada vez entre las marcas de 0.1 lo mejor posible), usted podría decir que las mediciones dan una precisión un poco mejor que 0.1 cm. La exactitud se refiere a cuán cerca está una medición de su valor verdade- ro. Por ejemplo, si la regla que se muestra en la figura 1-2 se fabricó con un error del 2%, la exactitud de su medición del ancho del tablón (aproximadamente 8.8 cm) sería de cerca del 2% de 8.8 cm o aproximadamente Ϯ 0.2 cm. La incertidumbre estimada debe considerar tanto la exactitud como la precisión. 97 92 = 1.05 L 1.1.
  28. 28. 6 CAPÍTULO 1 Introducción, mediciones, estimaciones 1–4 Unidades, estándares y el sistema SI La medición de cualquier cantidad se efectúa con respecto a un estándar o unidad par- ticular, y esta unidad debe especificarse junto con el valor numérico de la cantidad. Por ejemplo, podemos medir la longitud en unidades inglesas: pulgadas, pies o millas; o en el sistema métrico: centímetros, metros o kilómetros. Mencionar que la longitud de un objeto particular es de 18.6 no tiene sentido. Debe especificarse la unidad; es claro que 18.6 metros es muy diferente de 18.6 pulgadas o 18.6 milímetros. Para cualquier unidad que utilicemos, como el metro para distancia y el segundo para tiempo, tenemos que establecer un estándar que defina exactamente cuánto es un metro o un segundo. Es importante que los estándares elegidos sean fácilmente repro- ducibles, de manera que cualquiera que necesite realizar una medición muy precisa pueda remitirse al estándar en el laboratorio. Longitud El primer estándar internacional real fue el metro (que se abrevia m), establecido co- mo el estándar de longitud por la Academia Francesa de Ciencias en la década de 1790. El metro estándar se eligió originalmente como la diezmillonésima parte de la distancia del ecuador de la Tierra a uno de sus polos,† y se fabricó una barra de platino para representar dicha longitud. (Muy burdamente, un metro es la distancia de la pun- ta de la nariz a la punta de los dedos, con el brazo y la mano estirados hacia el lado). En 1889 el metro se definió con más precisión como la distancia entre dos marcas fina- mente grabadas sobre una barra particular de aleación platino-iridio. En 1960, para dar mayor precisión y facilidad de reproducción, el metro se redefinió como 1,650,763.73 longitudes de onda de una luz anaranjada particular emitida por el gas kriptón 86. En 1983 el metro se redefinió nuevamente, esta vez en términos de la rapidez de la luz (cu- yo mejor valor medido en términos de la antigua definición del metro fue de 299,792,458 m/s, con una incertidumbre de 1 m/s). La nueva definición indica lo si- guiente: “El metro es la longitud de la trayectoria recorrida por la luz en el vacío du- rante un intervalo de tiempo de 1/299,792,458 de un segundo”.‡ Las unidades inglesas de longitud (pulgada, pie, milla) se definen ahora en térmi- nos del metro. La pulgada (in) se define como precisamente 2.54 centímetros (cm; 1 cm = 0.01 m). Enfrente de la contraportada de este libro se presentan tablas con otros fac- tores de conversión. La tabla 1-1 muestra algunas longitudes características, desde muy pequeñas hasta muy grandes, redondeadas a la potencia de diez más cercana. Véase también la figura 1-5. Tiempo La unidad estándar de tiempo es el segundo (s). Durante muchos años, el segundo se definió como 1/86,400 de un día solar medio (24 h/día ϫ 60 min/h ϫ 60 s/min ϭ 86,400 s/día). El segundo estándar se define ahora con mayor precisión en términos de la fre- cuencia de la radiación emitida por átomos de cesio, cuando éstos pasan entre dos esta- dos particulares de energía. [Específicamente, un segundo se define como el tiempo requerido para completar 9,192,631,770 periodos de esta radiación]. Por definición, se tienen 60 s en un minuto (min) y 60 minutos en una hora (h). La tabla 1-2 muestra un rango de intervalos de tiempo medidos, redondeados a la potencia de diez más cercana. Masa La unidad estándar de masa es el kilogramo (kg). La masa estándar es un cilindro par- ticular de platino-iridio, que se mantiene en la Oficina Internacional de Pesos y Medi- das, cerca de París, Francia, y cuya masa se define como 1 kg exactamente. La tabla 1-3 presenta un rango de masas encontrado en el Universo. [Para fines prácticos, 1 kg pesa cerca de 2.2 libras en la Tierra]. † Las mediciones modernas de la circunferencia de la Tierra revelan que la longitud propuesta tiene un error de aproximadamente 1/50 del 1%. ¡Nada mal! ‡ La nueva definición del metro tiene el efecto de dar a la rapidez de la luz el valor exacto de 299,792,458 m/s. FIGURA 1–5 Algunas longitudes: a) Virus (de aproximadamente 10–7 m de largo) que atacan a una célula; b) la altura del monte Everest es del orden de 104 m (8850 m, para ser precisos). TABLA 1–1 Algunas longitudes o distancias comunes (orden de magnitud) Longitud Metros (o distancia) (aproximados) Neutrón o protón (diámetro) m Átomo (diámetro) m Virus [véase la figura 1-5a] m Hoja de papel (espesor) m Ancho de un dedo m Longitud de un campo de fútbol m Altura del monte Everest [véase la figura 1-5b] m Diámetro de la Tierra m Distancia de la Tierra al Sol m De la Tierra a la estrella más cercana m De la Tierra a la galaxia más cercana m De la Tierra a la galaxia visible más alejada m1026 1022 1016 1011 107 104 102 10–2 10–4 10–7 10–10 10–15
  29. 29. SECCIÓN 1–4 Unidades, estándares y el sistema SI 7 TABLA 1–2 Algunos intervalos de tiempo comunes Intervalo de tiempo Segundos (aproximados) Vida de una partícula subatómica muy inestable Vida de elementos radiactivos a Vida de un muón Tiempo entre latidos del corazón humano Un día Un año Vida humana Tiempo de la historia registrada Seres humanos en la Tierra Vida sobre la Tierra Edad del Universo 1018 s 1017 s 1014 s 1011 s 2 * 109 s 3 * 107 s 105 s 100 s (= 1 s) 10–6 s 1028 s10–22 s 10–23 s TABLA 1–3 Algunas masas Objeto Kilogramos (aproximados) Electrón kg Protón, neutrón kg Molécula de ADN kg Bacteria kg Mosquito kg Ciruela kg Ser humano kg Barco kg Tierra kg Sol kg Galaxia kg1041 1030 2 * 1024 6 * 108 102 10–1 10–5 10–15 10–17 10–27 10–30 Al tratar con átomos y moléculas, comúnmente usamos la unidad unificada de ma- sa atómica (u). En términos del kilogramo, Más adelante se darán definiciones de otras unidades estándar para otras cantida- des conforme vayan apareciendo en los siguientes capítulos. (Los forros de este libro presentan valores precisos de estos y otros números y constantes de la física). Prefijos de unidades En el sistema métrico, las unidades más grandes y más pequeñas se definen en múlti- plos de 10 de la unidad estándar, lo cual facilita los cálculos. Así, 1 kilómetro (km) es igual a 1000 m, 1 centímetro es igual a 1 milímetro (mm) es igual a o etcétera. La tabla 1-4 muestra una lista de prefijos que pueden aplicarse no sólo a uni- dades de longitud, sino también a unidades de volumen, masa o cualquier otra unidad métrica. Por ejemplo, un centilitro (cL) es igual a litros (L), y un kilogramo (kg) es igual a 1000 gramos (g). Sistemas de unidades Al tratar con las leyes y ecuaciones de la física es muy importante usar un conjunto consistente de unidades. A lo largo de los años se han utilizado distintos sistemas de unidades. Actualmente el sistema de unidades más importante es el Sistema Interna- cional (Système International), que se abrevia SI. En unidades SI, el estándar de longi- tud es el metro, el estándar de tiempo es el segundo y el estándar para la masa es el kilogramo. Este sistema solía llamarse sistema MKS (metro-kilogramo-segundo). Un segundo sistema métrico es el sistema cgs, en el que el centímetro, el gramo y el segundo son las unidades estándares de longitud, masa y tiempo, respectivamente. El sistema de ingeniería inglés tiene como estándares el pie para longitud, la libra para peso y el segundo para tiempo. En este libro usaremos principalmente unidades del SI. Cantidades básicas versus cantidades derivadas Las cantidades físicas se dividen en dos categorías: cantidades básicas y cantidades deri- vadas. Las unidades correspondientes para tales cantidades se llaman unidades básicas y unidades derivadas. Una cantidad básica debe definirse en términos de un estándar. Por simplicidad, los científicos buscan el menor número posible de cantidades básicas, consistentes con una descripción completa del mundo físico. Se han definido siete uni- dades básicas y sus unidades en el SI se muestran en la tabla 1-5. Todas las demás can- tidades de la física se definen en términos de estas siete cantidades básicas† y, por consiguiente, se llaman cantidades derivadas. Un ejemplo de una cantidad derivada es la rapidez, que se define como la distancia recorrida dividida entre el tiempo que toma recorrer esa distancia. En las guardas de este libro se incluye una tabla con varias can- tidades derivadas, así como sus unidades en términos de unidades básicas. Para definir cualquier cantidad, sea ésta básica o derivada, especificamos una regla o un procedi- miento, y a esto se le llama una definición operacional. 1 100 1 10 cm,1 1000 m1 100 m, 1 u = 1.6605 * 10–27 kg. TABLA 1–4 Prefijos métricos (SI) Prefijo Abreviatura Valor yotta Y zetta Z exa E peta P tera T giga G mega M kilo k hecto h deca da deci d centi c milli m micro† nano n pico p femto f ato a zepto z docto y † ␮ es la letra griega para “mu”. 10–24 10–21 10–18 10–15 10–12 10–9 10–6 m 10–3 10–2 10–1 101 102 103 106 109 1012 1015 1018 1021 1024 TABLA 1–5 Cantidades básicas y unidades SI Abreviatura Cantidad Unidad de la unidad Longitud metro m Tiempo segundo s Masa kilogramo kg Corriente eléctrica ampere A Temperatura kelvin K Cantidad de sustancia mol mol Intensidad luminosa candela cd † Las únicas excepciones son para ángulos (radianes; véase el capítulo 8) y ángulos sólidos (estereorra- dián). No se ha llegado a un acuerdo general sobre si estas cantidades son básicas o derivadas.
  30. 30. 8 CAPÍTULO 1 Introducción, mediciones, estimaciones 1–5 Conversión de unidades Cualquier cantidad que midamos, como longitud, rapidez o corriente eléctrica, consiste en un número y una unidad. A menudo se nos da una cantidad en un conjunto de uni- dades, pero la queremos expresada en otro conjunto de unidades. Por ejemplo, supon- gamos que medimos una mesa cuyo ancho es de 21.5 pulgadas y queremos expresarlo en centímetros. Debemos usar un factor de conversión que, en este caso, es o, escrito de otra manera, Como la multiplicación por uno no cambia, el ancho de nuestra mesa en cm es Note cómo se cancelan las unidades (pulgadas en este caso). En los forros y las guardas del libro se presentan varios factores de conversión. Veamos algunos ejemplos. EJEMPLO 1–2 Las cumbres de 8000 m. A las 14 cumbres más altas del mundo (figura 1-6 y tabla 1-6) se les conoce como las “ochomiles”, lo cual significa que sus ci- mas están por encima de los 8000 m sobre el nivel del mar. ¿Cuál es la elevación, en pies, de una cumbre de 8000 m? PLANTEAMIENTO Simplemente necesitamos convertir metros a pies, para lo cual se debe comenzar con el factor de conversión 1 in. = 2.54 cm, que es exacto. Esto es, 1 in. = 2.5400 cm para cualquier número de cifras significativas, porque así está definido. SOLUCIÓN Un pie es igual a 12 in., así que se puede escribir que es exacto. Note cómo se cancelan las unidades (al tacharlas con una diagonal). Esta ecuación se puede reescribir para encontrar el número de pies en 1 metro: Esta ecuación se multiplica por 8000.0 (para obtener cinco cifras significativas): Una elevación de 8000 m está a 26,247 pies sobre el nivel del mar. NOTA Toda la conversión se pudo realizar en un solo renglón: La clave consiste en multiplicar los factores de conversión, cada uno igual a uno (= 1.0000) y asegurarse de que se cancelen las unidades. EJERCICIO E En el mundo sólo existen 14 cumbres de ocho mil metros (véase el ejemplo 1-2) y sus nombres y elevaciones se muestran en la tabla 1-6. Todas ellas están en la cordi- llera del Himalaya, que abarca la India, Paquistán, el Tíbet y China. Determine la eleva- ción en pies de las tres cumbres más altas del mundo. 8000.0 m = (8000.0 m )¢ 100 cm 1 m ≤ ¢ 1 in. 2.54 cm ≤ ¢ 1 ft 12 in. ≤ = 26,247 ft. 8000.0 m = (8000.0 m )¢3.28084 ft m ≤ = 26,247 ft. 1 m = 1 ft 0.3048 = 3.28084 ft. 1 ft = (12 in. )¢2.54 cm in. ≤ = 30.48 cm = 0.3048 m, 21.5 pulgadas = (21.5 in. ) * a2.54 cm in. b = 54.6 cm. 1 = 2.54 cm͞in. 1 in. = 2.54 cm FIGURA 1–6 La segunda cumbre más alta del mundo, el K2, cuya cima se considera la más difícil de las montañas de 8000 m. El K2 se ve aquí desde el norte (China). F Í S I C A A P L I C A D A Las cumbres más altas del mundo TABLA 1–6 Las cumbres de 8000 m Cumbre Altitud (m) Everest 8850 K2 8611 Kangchenjunga 8586 Lhotse 8516 Makalu 8462 Cho Oyu 8201 Dhaulagiri 8167 Manaslu 8156 Nanga Parbat 8125 Annapurna 8091 Gasherbrum I 8068 Broad Peak 8047 Gasherbrum II 8035 Shisha Pangma 8013

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