Física
universitaria
YOUNG • FREEDMAN
Volumen 1
SEARS • ZEMANSKY
Decimosegunda ediciónDecimosegunda ediciónDecimosegunda e...
Longitud
1 año luz 5 9.461 3 1015
m
Área
Volumen
Tiempo
Ángulo
Rapidez
1 furlong/14 días 5 1.662 3 1024
m/s
1 mi/h 5 1.466...
CONSTANTES NUMÉRICAS
Constantes físicas fundamentales*
Nombre Símbolo Valor
Rapidez de la luz c
Magnitud de carga del elec...
física
unIverSitaria
SEARS • ZEMANSKY
ESTRATEGIAS PARA RESOLVER PROBLEMAS
1.1 Cómo resolver problemas de física 3
1.2 Conversiones de unidades 7
1.3 Suma de vec...
ACTIVIDADES ACTIVPHYSICS ONLINETM
1.1 Análisis del movimiento con diagramas
1.2 Análisis del movimiento con gráficas
1.3 Pr...
MÉXICO
Ricardo Pintle Monroy
Rafael Mata
Carlos Gutiérrez Aranzeta
Instituto Politécnico Nacional
Escuela Superior de Inge...
física
unIverSitaria
Decimosegunda edición
volumen 1
Addison-Wesley
HUGH D. YOUNG
CARNEGIE MELLON UNIVERSITY
ROGER A. FREE...
DECIMOSEGUNDA EDICIÓN VERSIÓN IMPRESA, 2009
DECIMOSEGUNDA EDICIÓN E-BOOK, 2009
D.R. © 2009 por Pearson Educación de México...
CONTENIDO BREVE
Ondas/Acústica
15 Ondas mecánicas 487
16 Sonido y el oído 527
Termodinámica
17 Temperatura y calor 570
18 ...
SOBRE LOS AUTORES
Hugh D. Young es profesor emérito de física en Carnegie Mellon University, en
Pittsburgh, PA. Cursó sus ...
AL ESTUDIANTE
CÓMO TRIUNFAR EN
FÍSICA SI SE INTENTA
DE VERDAD
Mark Hollabaugh Normandale Community College
ix
La física es...
x Cómo triunfar en física si se intenta de verdad
Las clases y los apuntes
Un factor importante de cualquier curso univers...
AL PROFESOR
PREFACIO
xi
Este libro es el producto de más de medio siglo de liderazgo
e innovación en la enseñanza de la fí...
xii Prefacio
problemas de un solo concepto dirigidos a secciones especí-
ficas del libro; los problemas por lo general requ...
Prefacio xiii
Las transparencias contienen más de 200 figuras clave de
Física universitaria, decimosegunda edición, a todo ...
xiv Prefacio
MÉXICO
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESIME Culhuacán
Luis Díaz Hernández
Miguel Ángel Morales
Pedro Cervante...
Prefacio xv
Fernanda Adriana Camacho Alanís
Hortensia Caballero López
Israel Santamaría Mata
Karla M. Díaz Gutiérrez
M. Eu...
xvi Prefacio
Agradecimientos
Queremos agradecer a los cientos de revisores y colegas que han hecho comentarios y
sugerenci...
Martin Tiersten (CUNY, City College), David Toot (Alfred University), Somdev Tyagi (Drexel Uni-
versity), F. Verbrugge, He...
CONTENIDO
4.5 Tercera ley de Newton 123
4.6 Diagramas de cuerpo libre 126
Resumen/Términos clave 129
Preguntas para anális...
Contenido xix
12.3 Energía potencial gravitacional 390
12.4 Movimiento de satélites 393
12.5 Las leyes de Kepler y el movi...
xx Contenido
16 SONIDO Y EL OÍDO 527
16.1 Ondas sonoras 527
16.2 Rapidez de las ondas sonoras 532
16.3 Intensidad del soni...
1
1
UNIDADES,
CANTIDADES FÍSICAS
Y VECTORES
? Ser capaz de pre-
decir la trayectoria de
un huracán resulta
esencial para r...
2 CAPÍTULO 1 Unidades, cantidades físicas y vectores
1.1 La naturaleza de la física
La física es una ciencia experimental....
1.2 Cómo resolver problemas en física 3
esas técnicas en acción. (Las Estrategias para resolver problemas también ayudan a...
4 CAPÍTULO 1 Unidades, cantidades físicas y vectores
nuestro modelo predeciría que si lanzamos la pelota hacia arriba, ést...
1.3 Estándares y unidades 5
actual, adoptado en 1967, es mucho más preciso; se basa en un reloj atómico que
usa la diferen...
6 CAPÍTULO 1 Unidades, cantidades físicas y vectores
1.5 Algunas longitudes representativas en el Universo. a) La distanci...
1.4 Consistencia y conversiones de unidades 7
Toda ecuación siempre debe ser dimensionalmente consistente. No podemos
suma...
8 CAPÍTULO 1 Unidades, cantidades físicas y vectores
1.5 Incertidumbre y cifras significativas
Las mediciones siempre tiene...
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  1. 1. Física universitaria YOUNG • FREEDMAN Volumen 1 SEARS • ZEMANSKY Decimosegunda ediciónDecimosegunda ediciónDecimosegunda edición
  2. 2. Longitud 1 año luz 5 9.461 3 1015 m Área Volumen Tiempo Ángulo Rapidez 1 furlong/14 días 5 1.662 3 1024 m/s 1 mi/h 5 1.466 ft/s 5 0.4470 m/s 5 1.609 km/h 1 km/h 5 0.2778 m/s 5 0.6214 mi/h 1 mi/min 5 60 mi/h 5 88 ft/s 1 ft/s 5 0.3048 m/s 1 m/s 5 3.281 ft/s 1 rev/min (rpm) 5 0.1047 rad/s 1 revolución 5 360° 5 2p rad 1° 5 0.01745 rad 5 p/180 rad 1 rad 5 57.30° 5 180°/p 1 año 5 365.24 d 5 3.156 3 107 s 1 d 5 86,400 s 1 h 5 3600 s 1 min 5 60 s 1 galón 5 3.788 litros 1 ft3 5 0.02832 m3 5 28.32 litros 5 7.477 galones 1 litro 5 1000 cm3 5 1023 m3 5 0.03531 ft3 5 61.02 in3 1 ft 5 144 in2 5 0.0929 m2 1 in2 5 6.452 cm2 1 m2 5 104 cm2 5 10.76 ft2 1 cm2 5 0.155 in2 1 milla náutica 5 6080 ft 1 Å 5 10210 m 5 1028 cm 5 1021 nm 1 mi 5 5280 ft 5 1.609 km 1 yd 5 91.44 cm 1 ft 5 30.48 cm 1 in. 5 2.540 cm 1 cm 5 0.3937 in 1 m 5 3.281 ft 5 39.37 in 1 km 5 1000 m 5 0.6214 mi 1 m 5 100 cm 5 1000 mm 5 106 mm 5 109 nm Aceleración Masa 1 kg tiene un peso de 2.205 lb cuando g 5 9.80 m>s2 Fuerza Presión Energía Equivalencia masa-energía Potencia 1 Btu/h 5 0.293 W 1 hp 5 746 W 5 550 ft # lb/s 1 W 5 1 J/s 1 eV 4 1.074 3 1029 u 1 u 4 931.5 MeV 1 kg 4 8.988 3 1016 J 1 kWh 5 3.600 3 106 J 1 eV 5 1.602 3 10219 J 1 Btu 5 1055 J 5 252 cal 5 778 ft # lb 1 ft # lb 5 1.356 J 1 cal 5 4.186 J (con base en caloría de 15°) 1 J 5 107 ergs 5 0.239 cal 1 mm Hg 5 1 torr 5 133.3 Pa 5 14.7 lb/in2 5 2117 lb/ft2 1 atm 5 1.013 3 105 Pa 5 1.013 bar 1 lb/ft2 5 47.88 Pa 1 lb/in2 5 6895 Pa 1 bar 5 105 Pa 1 Pa 5 1 N/m2 5 1.450 3 1024 lb/in2 5 0.209 lb/ft2 1 lb 5 4.448 N 5 4.448 3 105 dinas 1 N 5 105 dinas 5 0.2248 lb 1 u 5 1.661 3 10227 kg 1 slug 5 14.59 kg 1 g 5 6.85 3 1025 slug 1 kg 5 103 g 5 0.0685 slug 1 mi/h # s 5 1.467 ft/s2 1 ft/s2 5 0.3048 m/s2 5 30.48 cm/s2 1 cm/s2 5 0.01 m/s2 5 0.03281 ft/s2 1 m/s2 5 100 cm/s2 5 3.281 ft/s2 FACTORES DE CONVERSIÓN DE UNIDADES
  3. 3. CONSTANTES NUMÉRICAS Constantes físicas fundamentales* Nombre Símbolo Valor Rapidez de la luz c Magnitud de carga del electrón e Constante gravitacional G Constante de Planck h Constante de Boltzmann k Número de Avogadro Constante de los gases R Masa del electrón Masa del protón Masa del neutrón Permeabilidad del espacio libre Permitividad del espacio libre Otras constante útiles Equivalente mecánico del calor Presión atmosférica estándar 1 atm Cero absoluto 0 K Electrón volt 1 eV Unidad de masa atómica 1 u Energía del electrón en reposo 0.510998918(44) MeV Volumen del gas ideal (0 °C y 1 atm) 22.413996(39) litros/mol Aceleración debida a la gravedad g (estándar) *Fuente: National Institute of Standards and Technology (http://physics.nist.gov/cuu). Los números entre paréntesis indican incertidumbre en los dígitos finales del número principal; por ejemplo, el número 1.6454(21) significa 1.6454 6 0.0021. Los valores que no indican incertidumbre son exactos. Datos astronómicos† Radio de la Periodo de Cuerpo Masa (kg) Radio (m) órbita (m) la órbita Sol — — Luna 27.3 d Mercurio 88.0 d Venus 224.7 d Tierra 365.3 d Marte 687.0 d Júpiter 11.86 y Saturno 29.45 y Urano 84.02 y Neptuno 164.8 y Plutón‡ 247.9 y † Fuente: NASA Jet Propulsion Laboratory Solar System Dynamics Group (http://ssd.jlp.nasa.gov) y P. Kenneth Seidelmann, ed., Explanatory Supplement to the Astronomical Almanac (University Science Books, Mill Valley, CA, 1992), pp. 704-706. Para cada cuerpo, “radio” es el radio en su ecuador y “radio de la órbita” es la distancia media desde el Sol (en el caso de los planetas) o desde la Tierra (en el caso de la Luna). ‡ En agosto de 2006 la Unión Astronómica Internacional reclasificó a Plutón y a otros pequeños objetos que giran en órbita alrededor del Sol como “planetas enanos”. 5.91 3 1012 1.15 3 106 1.31 3 1022 4.50 3 1012 2.48 3 107 1.02 3 1026 2.87 3 1012 2.56 3 107 8.68 3 1025 1.43 3 1012 6.03 3 107 5.68 3 1026 7.78 3 1011 6.91 3 107 1.90 3 1027 2.28 3 1011 3.40 3 106 6.42 3 1023 1.50 3 1011 6.38 3 106 5.97 3 1024 1.08 3 1011 6.05 3 106 4.87 3 1024 5.79 3 1010 2.44 3 106 3.30 3 1023 3.84 3 108 1.74 3 106 7.35 3 1022 6.96 3 108 1.99 3 1030 9.80665 m/s2 mec2 1.66053886(28) 3 10227 kg 1.60217653(14) 3 10219 J 2273.15 °C 1.01325 3 105 Pa 4.186 J/cal (15° caloría ) 8.987551787 c 3 109 N # m2 /C2 1/4pP0 8.854187817 c 3 10212 C2 /N # m2 P0 5 1/m0c2 4p 3 1027 Wb/A # mm0 1.67492728(29) 3 10227 kgmn 1.67262171(29) 3 10227 kgmp 9.1093826(16) 3 10231 kgme 8.314472(15) J/mol # K 6.0221415(10) 3 1023 moléculas/molNA 1.3806505(24) 3 10223 J/K 6.6260693(11) 3 10234 J # s 6.6742(10) 3 10211 N # m2 /kg2 1.60217653(14) 3 10219 C 2.99792458 3 108 m/s
  4. 4. física unIverSitaria SEARS • ZEMANSKY
  5. 5. ESTRATEGIAS PARA RESOLVER PROBLEMAS 1.1 Cómo resolver problemas de física 3 1.2 Conversiones de unidades 7 1.3 Suma de vectores 18 2.1 Movimiento con aceleración constante 51 3.1 Movimiento de proyectil 82 3.2 Velocidad relativa 92 5.1 Primera ley de Newton: Equilibrio de una partícula 137 5.2 Segunda ley de Newton: Dinámica de partículas 143 6.1 Trabajo y energía cinética 188 7.1 Problemas donde se utiliza energía mecánica I 217 7.2 Problemas utilizando energía mecánica II 225 8.1 Conservación del momento lineal 255 9.1 Energía rotacional 299 10.1 Dinámica rotacional de cuerpos rígidos 320 11.1 Equilibrio de un cuerpo rígido 359 13.1 Movimiento armónico simple I: Descripción del movimiento 427 13.2 Movimiento armónico simple II: Energía 430 14.1 Ecuación de Bernoulli 469 15.1 Ondas mecánicas 494 15.2 Ondas estacionarias 510 16.1 Intensidad del sonido 538 16.2 Efecto Doppler 554 17.1 Expansión térmica 578 17.2 Problemas de calorimetría 589 17.3 Conducción de calor 593 18.1 Gas ideal 613 18.2 Teoría cinética molecular 623 19.1 Primera ley de la termodinámica 654 20.1 Máquinas térmicas 677 ESTRATEGIA PARA RESOLVER PROBLEMAS PÁGINA ESTRATEGIA PARA RESOLVER PROBLEMAS PÁGINA
  6. 6. ACTIVIDADES ACTIVPHYSICS ONLINETM 1.1 Análisis del movimiento con diagramas 1.2 Análisis del movimiento con gráficas 1.3 Predicción de un movimiento con base en gráficas 1.4 Predicción de un movimiento con base en ecuaciones 1.5 Estrategias para resolver problemas de cinemática 1.6 Esquiador en competencia de descenso 1.7 Se deja caer limonada desde un globo aerostático 1.8 Los cinturones de seguridad salvan vidas 1.9 Frenado con derrape 1.10 Caída de un saltador con garrocha 1.11 Auto arranca y luego se detiene 1.12 Resolución de problemas con dos vehículos 1.13 Auto alcanza a camión 1.14 Cómo evitar un choque por atrás 2.1.1 Magnitudes de fuerza 2.1.2 Paracaidista 2.1.3 Cambio de tensión 2.1.4 Deslizamiento en una rampa 2.1.5 Carrera de automóviles 2.2 Levantar una caja 2.3 Bajar una caja 2.4 Despegue de cohete 2.5 Camión que tira de una caja 2.6 Empujar una caja hacia arriba contra una pared 2.7 Esquiador que baja una cuesta 2.8 Esquiador y cuerda de remolque 2.9 Salto con garrocha 2.10 Camión que tira de dos cajas 2.11 Máquina de Atwood modificada 3.1 Resolución de problemas de movimiento de proyectiles 3.2 Dos pelotas que caen 3.3 Cambio de la velocidad en x 3.4 Aceleraciones x y y de proyectiles 3.5 Componentes de la velocidad inicial 3.6 Práctica de tiro al blanco I 3.7 Práctica de tiro al blanco II 4.1 Magnitud de aceleración centrípeta 4.2 Resolución de problemas de movimiento circular 4.3 Carrito que viaja en una trayectoria circular 4.4 Pelota que se balancea en una cuerda 4.5 Automóvil que describe círculos en una pista 4.6 Satélites en órbita 5.1 Cálculos de trabajo 5.2 Frenado de un elevador que asciende 5.3 Frenado de un elevador que baja 5.4 Salto inverso con bungee 5.5 Bolos con impulso de resorte 5.6 Rapidez de un esquiador 5.7 Máquina de Atwood modificada 6.1 Momento lineal y cambio de energía 6.2 Choques y elasticidad 6.3 Conservación del momento lineal y choques 6.4 Problemas de choques 6.5 Choque de autos: dos dimensiones 6.6 Rescate de un astronauta 6.7 Problemas de explosión 6.8 Deslizador y carrito 6.9 Péndulo que golpea una caja 6.10 Péndulo persona-proyectil, boliche 7.1 Cálculo de torcas 7.2 Viga inclinada: torcas y equilibrio 7.3 Brazos de palanca 7.4 Dos pintores en una viga 7.5 Conferencia desde una viga 7.6 Inercia rotacional 7.7 Cinemática rotacional 7.8 Rotojuego: Enfoque de dinámica 7.9 Escalera que cae 7.10 Mujeres y elevador de volante: enfoque de dinámica 7.11 Carrera entre un bloque y un disco 7.12 Mujeres y elevador de volante: enfoque de energía 7.13 Rotojuego: enfoque de energía 7.14 La bola le pega al bate 8.1 Características de un gas 8.2 Análisis conceptual de la distribución de Maxwell-Boltzmann 8.3 Análisis cuantitativo de la distribución de Maxwell-Boltzmann 8.4 Variables de estado y ley del gas ideal 8.5 Trabajo efectuado por un gas 8.6 Calor, energía térmica y primera ley de la termodinámica 8.7 Capacidad calorífica 8.8 Proceso isocórico 8.9 Proceso isobárico 8.10 Proceso isotérmico 8.11 Proceso adiabático 8.12 Proceso cíclico: estrategias 8.13 Proceso cíclico: problemas 8.14 Ciclo de Carnot 9.1 Ecuaciones y gráficas de posición 9.2 Descripción del movimiento vibratorio 9.3 Energía de vibración 9.4 Dos formas de medir la masa del joven Tarzán 9.5 Mono tira a Tarzán 9.6 Liberación de un esquiador que vibra I 9.7 Liberación de un esquiador que vibra II 9.8 Sistemas vibratorios de uno y dos resortes 9.9 Vibrojuego 9.10 Frecuencia de péndulo 9.11 Arriesgado paseo con péndulo 9.12 Péndulo físico 10.1 Propiedades de las ondas mecánicas 10.2 Rapidez de las ondas en una cuerda 10.3 Rapidez del sonido en un gas 10.4 Ondas estacionarias en cuerdas 10.5 Afinación de un instrumento de cuerda: ondas estacionarias 10.6 Masa de una cuerda y ondas estacionarias 10.7 Pulsos y frecuencia del pulso 10.8 Efecto Doppler: introducción conceptual 10.9 Efecto Doppler: problemas 10.10 Ondas complejas: análisis de Fourier www.masteringphysics.com O N L I N E
  7. 7. MÉXICO Ricardo Pintle Monroy Rafael Mata Carlos Gutiérrez Aranzeta Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica-Zacatenco José Arturo Tar Ortiz Peralta Omar Olmos López Víctor Bustos Meter José Luis Salazar Laureles Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey Campus Toluca Daniel Zalapa Zalapa Centro de Enseñanza Técnica Industrial Guadalajara Lorena Vega López Centro Universitario de Ciencias Exactas e Ingenierías Universidad de Guadalajara Sergio Flores Instituto de Ingeniería y Tecnología Universidad Autónoma de Ciudad Juárez ARGENTINA Ema Aveleyra Universidad de Buenos Aires Buenos Aires Alerino Beltramino UTN Regional Buenos Aires Buenos Aires Miguel Ángel Altamirano UTN Regional Córdoba Córdoba COLOMBIA Fernando Molina Focazzio Pontificia Universidad Javeriana Bogotá Jaime Isaza Ceballos Escuela Colombiana de Ingeniería Bogotá COSTA RICA Diego Chaverri Polini Universidad Latina de Costa Rica San José Juan Meneses Rimola Instituto Tecnológico de Costa Rica Cartago Randall Figueroa Mata Universidad Hispanoamericana San José ESPAÑA José M. Zamarro Minguell Universidad de Murcia Campus del Espinardo Murcia Fernando Ribas Pérez Universidad de Vigo Escola Universitaria de Enxeñería Técnica Industrial Vigo Stefano Chiussi Universidad de Vigo Escola Técnica Superior de Enxeñeiros de Telecomunicacións Vigo Miguel Ángel Hidalgo Universidad de Alcalá de Henares Campus Universitario Alcalá de Henares PERÚ Yuri Milachay Vicente Universidad Peruana de Ciencias Aplicadas Lima VENEZUELA Mario Caicedo Álvaro Restuccia Jorge Stephany Universidad Simón Bolívar Caracas REVISIÓN TÉCNICA
  8. 8. física unIverSitaria Decimosegunda edición volumen 1 Addison-Wesley HUGH D. YOUNG CARNEGIE MELLON UNIVERSITY ROGER A. FREEDMAN UNIVERSITY OF CALIFORNIA, SANTA BARBARA CON LA COLABORACIÓN DE A. LEWIS FORD texas a&m university TRADUCCIÓN VICTORIA A. FLORES FLORES traductora profesional especialista en el área de ciencias REVISIÓN TÉCNICA ALBERTO RUBIO PONCE GABRIELA DEL VALLE DÍAZ MUÑOZ HÉCTOR LUNA GARCÍA JOSÉ ANTONIO EDUARDO ROA NERI departamento de ciencias básicas universidad autónoma metropolitana, unidad azcapotzalco, méxico SEARS • ZEMANSKY
  9. 9. DECIMOSEGUNDA EDICIÓN VERSIÓN IMPRESA, 2009 DECIMOSEGUNDA EDICIÓN E-BOOK, 2009 D.R. © 2009 por Pearson Educación de México, S.A. de C.V. Atlacomulco No. 500-5° piso Col. 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. Addison-Wesley 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. Impreso en México. Printed in Mexico. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 – 13 12 11 10 Datos de catalogación bibliográfica YOUNG, HUGH D. y ROGER A. FREEDMAN Física universitaria volumen 1. Decimosegunda edición PEARSON EDUCACIÓN, México, 2009 ISBN: 978-607-442-288-7 Área: Ciencias Formato: 21 3 27 cm Páginas: 760 Authorized adaptation from the English language edition, entitled University Physics with Modern Physics 12th ed., (chapters 1-20) by Hugh D. Young, Roger A. Freedman; contributing author, A. Lewis Ford published by Pearson Education, Inc., publishing as Addison-Wesley, Copyright © 2008. All rights reserved. ISBN 9780321501219 Adaptación autorizada de la edición en idioma inglés, titulada University Physics with Modern Physics 12ª ed., (capítulos 1-20) de Hugh D. Young, Roger A. Freedman; con la colaboración de A. Lewis Ford, publicada por Pearson Education, Inc., publicada como Addison-Wesley, 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: Enrique Trejo Hernández Edición en inglés Addison-Wesley es una marca de Vice President and Editorial Director: Adam Black, Ph.D. Senior Development Editor: Margot Otway Editorial Manager: Laura Kenney Associate Editor: Chandrika Madhavan Media Producer: Matthew Phillips Director of Marketing: Christy Lawrence Managing Editor: Corinne Benson Production Supervisor: Nancy Tabor Production Service: WestWords, Inc. Illustrations: Rolin Graphics Text Design: tani hasegawa Cover Design: Yvo Riezebos Design Manufacturing Manager: Pam Augspurger Director, Image Resource Center: Melinda Patelli Manager, Rights and Permissions: Zina Arabia Photo Research: Cypress Integrated Systems Cover Printer: Phoenix Color Corporation Printer and Binder: Courier Corporation/Kendallville Cover Image: The Millau Viaduct, designed by Lord Norman Foster, Millau, France. Photograph by Jean-Philippe Arles/Reuters/Corbis ISBN VERSIÓN IMPRESA: 978-607-442-288-7 ISBN E-BOOK:www.pearsoneducacion.net
  10. 10. CONTENIDO BREVE Ondas/Acústica 15 Ondas mecánicas 487 16 Sonido y el oído 527 Termodinámica 17 Temperatura y calor 570 18 Propiedades térmicas de la materia 610 19 La primera ley de la termodinamica 646 20 La segunda ley de la termodinámica 673 APÉNDICES A El sistema internacional de unidades A-1 B Relaciones matemáticas útiles A-3 C El alfabeto griego A-4 D Tabla periódica de los elementos A-5 E Factores de conversión de unidades A-6 F Constantes numéricas A-7 Respuestas a los problemas con número impar A-9 Mecánica 1 Unidades, cantidades físicas y vectores 1 2 Movimiento en línea recta 36 3 Movimiento en dos o en tres dimensiones 71 4 Leyes del movimiento de Newton 107 5 Aplicación de las leyes de Newton 136 6 Trabajo y energía cinética 181 7 Energía potencial y conservación de la energía 213 8 Momento lineal, impulso y choques 247 9 Rotación de cuerpos rígidos 285 10 Dinámica del movimiento rotacional 316 11 Equilibrio y elasticidad 354 12 Gravitación 383 13 Movimiento periódico 419 14 Mecánica de fluidos 456
  11. 11. SOBRE LOS AUTORES Hugh D. Young es profesor emérito de física en Carnegie Mellon University, en Pittsburgh, PA. Cursó sus estudios de licenciatura y posgrado en Carnegie Mellon, donde obtuvo su doctorado en teoría de partículas fundamentales bajo la dirección de Richard Cutkosky, hacia el final de la carrera académica de éste. Se unió al claus- tro de profesores de Carnegie Mellon en 1956 y también ha sido profesor visitante en la Universidad de California en Berkeley durante dos años. La carrera del profesor Young se ha centrado por completo en la docencia en el nivel de licenciatura. Ha escrito varios libros de texto para ese nivel y en 1973 se con- virtió en coautor de los bien conocidos libros de introducción a la física de Francis Sears y Mark Zemansky. A la muerte de éstos, el profesor Young asumió toda la responsabilidad de las nuevas ediciones de esos textos, hasta que se le unió el pro- fesor Freedman para elaborar Física Universitaria. El profesor Young practica con entusiasmo el esquí, el montañismo y la caminata. También ha sido durante varios años organista asociado en la Catedral de San Pablo, en Pittsburgh, ciudad en la que ha ofrecido numerosos recitales. Durante el verano viaja con su esposa Alice, en especial a Europa y a la zona desértica de los cañones del sur de Utah. Roger A. Freedman es profesor en la Universidad de California, en Santa Bárbara (UCSB). El doctor Freedman estudió su licenciatura en los planteles de San Diego y Los Ángeles de la Universidad de California, y realizó su investigación doctoral en teoría nuclear en la Universidad de Stanford bajo la dirección del profesor J. Dirk Walecka. Llegó a UCSB en 1981, después de haber sido durante tres años profesor e investigador en la Universidad de Washington. En UCSB el doctor Freedman ha impartido cátedra tanto en el departamento de Física como en la Escuela de Estudios Creativos, un organismo de la universidad que da cabida a los estudiantes con dotes y motivación para el arte. Ha publicado artículos sobre física nuclear, física de partículas elementales y física de láseres. En los años recientes ha colaborado en el desarrollo de herramientas de cómputo para la enseñanza de la física y la astronomía. Cuando no está en el aula o trabajando afanosamente ante una computadora, al doctor Freedman se le ve volando (tiene licencia de piloto comercial) o manejando con su esposa Caroline su automóvil convertible Nash Metropolitan, modelo 1960. A. Lewis Ford es profesor de física en Texas A&M University. Cursó la licenciatura en Rice University en 1968, y obtuvo un doctorado en física química de la Universidad de Texas, en Austin, en 1972. Después de pasar un año de posdoctorado en la Univer- sidad de Harvard, se unió en 1973 a Texas A&M University como profesor de física, donde ha permanecido desde entonces. El área de investigación del profesor Ford es la física atómica teórica, con especialidad en colisiones atómicas. En Texas A&M University ha impartido una amplia variedad de cursos de licenciatura y posgrado, pero sobre todo de introducción a la física.
  12. 12. AL ESTUDIANTE CÓMO TRIUNFAR EN FÍSICA SI SE INTENTA DE VERDAD Mark Hollabaugh Normandale Community College ix La física estudia lo grande y lo pequeño, lo viejo y lo nue- vo. Del átomo a las galaxias, de los circuitos eléctricos a la aerodinámica, la física es una gran parte del mundo que nos rodea. Es probable que esté siguiendo este curso de introduc- ción a la física, basado en el cálculo, porque lo requiera para materias posteriores que planee tomar para su carrera en ciencias o ingeniería. Su profesor quiere que aprenda física y goce la experiencia. Él o ella tienen mucho interés en ayu- darlo a aprender esta fascinante disciplina. Ésta es parte de la razón por la que su maestro eligió este libro para el curso. También es la razón por la que los doctores Young y Freedman me pidieron que escribiera esta sección introductoria. ¡Quere- mos que triunfe! El propósito de esta sección de Física universitaria es dar- le algunas ideas que lo ayuden en su aprendizaje. Al análisis breve de los hábitos generales y las estrategias de estudio, se- guirán sugerencias específicas de cómo utilizar el libro. Preparación para este curso Si en el bachillerato estudió física, es probable que aprenda los conceptos más rápido que quienes no lo hicieron porque es- tará familiarizado con el lenguaje de la física. De igual modo, si tiene estudios avanzados de matemáticas comprenderá con más rapidez los aspectos matemáticos de la física. Aun si tuviera un nivel adecuado de matemáticas, encontrará útiles libros como el de Arnold D. Pickar, Preparing for General Physics: Math Skill Drills and Other Useful Help (Calculus Version). Es posible que su profesor asigne tareas de este repaso de matemáticas como auxilio para su aprendizaje. Aprender a aprender Cada uno de nosotros tiene un estilo diferente de aprendizaje y un medio preferido para hacerlo. Entender cuál es el suyo lo ayudará a centrarse en los aspectos de la física que tal vez le planteen dificultades y a emplear los componentes del curso que lo ayudarán a vencerlas. Es obvio que querrá dedicar más tiempo a aquellos aspectos que le impliquen más problemas. Si usted aprende escuchando, las conferencias serán muy im- portantes. Si aprende con explicaciones, entonces será de ayuda trabajar con otros estudiantes. Si le resulta difícil re- solver problemas, dedique más tiempo a aprender cómo ha- cerlo. Asimismo, es importante entender y desarrollar buenos hábitos de estudio. Quizá lo más importante que pueda hacer por usted mismo sea programar de manera regular el tiempo adecuado en un ambiente libre de distracciones. Responda las siguientes preguntas para usted mismo: • ¿Soy capaz de utilizar los conceptos matemáticos funda- mentales del álgebra, geometría y trigonometría? (Si no es así, planee un programa de repaso con ayuda de su profesor.) • En cursos similares, ¿qué actividad me ha dado más pro- blemas? (Dedique más tiempo a eso.) ¿Qué ha sido lo más fácil para mí? (Haga esto primero; lo ayudará a ga- nar confianza.) • ¿Entiendo el material mejor si leo el libro antes o después de la clase? (Quizás aprenda mejor si revisa rápido el material, asiste a clase y luego lee con más profundidad.) • ¿Dedico el tiempo adecuado a estudiar física? (Una regla práctica para una clase de este tipo es dedicar en prome- dio 2.5 horas de estudio fuera del aula por cada hora de clase en esta. Esto significa que para un curso con cinco horas de clase programadas a la semana, debe destinar de 10 a 15 horas semanales al estudio de la física.) • ¿Estudio física a diario? (¡Distribuya esas 10 a15 horas a lo largo de toda la semana!) ¿A qué hora estoy en mi mejor momento para estudiar física? (Elija un horario específico del día y respételo.) • ¿Trabajo en un lugar tranquilo en el que pueda mantener mi concentración? (Las distracciones romperán su rutina y harán que pase por alto puntos importantes.) Trabajar con otros Es raro que los científicos e ingenieros trabajen aislados unos de otros, y más bien trabajan en forma cooperativa. Aprenderá más física y el proceso será más ameno si trabaja con otros estudiantes. Algunos profesores tal vez formalicen el uso del aprendizaje cooperativo o faciliten la formación de grupos de estudio. Es posible que desee formar su propio grupo no formal de estudio con miembros de su clase que vivan en su vecindario o residencia estudiantil. Si tiene acceso al correo electrónico, úselo para estar en contacto con los demás. Su grupo de estudio será un recurso excelente cuando se pre- pare para los exámenes.
  13. 13. x Cómo triunfar en física si se intenta de verdad Las clases y los apuntes Un factor importante de cualquier curso universitario son las clases. Esto es especialmente cierto en física, ya que será fre- cuente que su profesor haga demostraciones de principios físicos, ejecute simulaciones de computadora o proyecte videos. Todas éstas son actividades de aprendizaje que lo ayudarán a comprender los principios básicos de la física. No falte a clases, y si lo hace por alguna razón especial, pida a un amigo o miembro de su grupo de estudio que le dé los apuntes y le diga lo que pasó. En clase, tome notas rápidas y entre a los detalles después. Es muy difícil tomar notas palabra por palabra, de modo que sólo escriba las ideas clave. Si su profesor utiliza un dia- grama del libro de texto, deje espacio en el cuaderno para éste y agréguelo más tarde. Después de clase, complete sus apuntes con la cobertura de cualquier faltante u omisión y anotando los conceptos que necesite estudiar posteriormen- te. Haga referencias por página del libro de texto, número de ecuación o de sección. Asegúrese de hacer preguntas en clase, o vea a su pro- fesor durante sus horas de asesoría. Recuerde que la única pregunta “fuera de lugar” es la que no se hace. En su escue- la quizá haya asistentes de profesor o tutores para ayudarlo con las dificultades que encuentre. Exámenes Presentar un examen es estresante. Pero si se preparó de ma- nera adecuada y descansó bien, la tensión será menor. La preparación para un examen es un proceso continuo; co- mienza en el momento en que termina el último examen. Debe analizar sus exámenes y comprender los errores que haya cometido. Si resolvió un problema y cometió errores importantes, pruebe lo siguiente: tome una hoja de papel y divídala en dos partes con una línea de arriba hacia abajo. En una columna escriba la solución apropiada del problema, y en la otra escriba lo que hizo y por qué, si es que lo sabe, y la razón por la que su propuesta de solución fue incorrecta. Si no está seguro de por qué cometió el error o de la forma de evitarlo, hable con su profesor. La física se construye de manera continua sobre ideas fundamentales y es importante corregir de inmediato cualquiera malentendido. Cuidado: si se prepara en el último minuto para un examen, no retendrá en forma adecuada los conceptos para el siguiente.
  14. 14. AL PROFESOR PREFACIO xi Este libro es el producto de más de medio siglo de liderazgo e innovación en la enseñanza de la física. Cuando en 1949 se publicó la primera edición de Física universitaria, de Francis W. Sears y Mark W. Zemansky, su énfasis en los principios fundamentales de la física y la forma de aplicarlos fue un aspecto revolucionario entre los libros de la disciplina cuya base era el cálculo. El éxito del libro entre generaciones de (varios millones) de estudiantes y profesores de todo el mun- do da testimonio del mérito de este enfoque, y de las muchas innovaciones posteriores. Al preparar esta nueva decimosegunda edición, hemos mejorado y desarrollado aún más Física universitaria asimi- lando las mejores ideas de la investigación educativa con respecto a la enseñanza basada en la resolución de problemas, la pedagogía visual y conceptual; este libro es el primero que presenta problemas mejorados en forma sistemática, y en uti- lizar el sistema de tareas y enseñanza en línea más garantizado y usado del mundo. Lo nuevo en esta edición • Solución de problemas El celebrado enfoque de cua- tro pasos para resolver problemas, basado en la inves- tigación (identificar, plantear, ejecutar y evaluar) ahora se usa en cada ejemplo resuelto, en la sección de Estra- tegia para resolver problemas de cada capítulo, y en las soluciones de los manuales para el profesor y para el es- tudiante. Los ejemplos resueltos ahora incorporan boce- tos en blanco y negro para centrar a los estudiantes en esta etapa crítica: aquella que, según las investigaciones, los estudiantes tienden a saltar si se ilustra con figuras muy elaboradas. • Instrucciones seguidas por práctica Una trayectoria de enseñanza y aprendizaje directa y sistemática seguida por la práctica, incluye Metas de aprendizaje al principio de cada capítulo, así como Resúmenes visuales del capítulo que consolidan cada concepto con palabras, matemáticas y figuras. Las preguntas conceptuales más frecuentes en la sección de Evalúe su comprensión al final de cada sec- ción ahora usan formatos de opción múltiple y de clasi- ficación que permiten a los estudiantes la comprobación instantánea de sus conocimientos. • Poder didáctico de las figuras El poder que tienen las figuras en la enseñanza fue enriquecido con el empleo de la técnica de “anotaciones”, probada por las investiga- ciones (comentarios estilo pizarrón integrados en la figura, para guiar al estudiante en la interpretación de ésta), y por el uso apropiado del color y del detalle (por ejemplo, en la mecánica se usa el color para centrar al estudian- te en el objeto de interés al tiempo que se mantiene el resto de la imagen en una escala de grises sin detalles que distraigan). • Problemas mejorados al final de cada capítulo Reco- nocido por contener los problemas más variados y pro- bados que existen, la decimosegunda edición va más allá: ofrece la primera biblioteca de problemas de fí- sica mejorados de manera sistemática con base en el desempeño de estudiantes de toda la nación. A partir de este análisis, más de 800 nuevos problemas se integran al conjunto de 3700 de toda la biblioteca. • MasteringPhysics™ (www.masteringphysics.com). Lan- zado con la undécima edición, la herramienta de Mastering- Physics ahora es el sistema de tareas y enseñanza en línea más avanzado del mundo que se haya adoptado y probado en la educación de la manera más amplia. Para la deci- mosegunda edición, MasteringPhysics incorpora un con- junto de mejoras tecnológicas y nuevo contenido. Además de una biblioteca de más de 1200 tutoriales y de todos los problemas de fin de capítulo, MasteringPhysics ahora también presenta técnicas específicas para cada Estrategia para resolver problemas, así como para las preguntas de la sección de Evalúe su comprensión de cada capítulo. Las respuestas incluyen los tipos algebraico, numérico y de opción múltiple, así como la clasificación, elaboración de gráficas y trazado de vectores y rayos. Características clave de Física universitaria Una guía para el estudiante Muchos estudiantes de física tienen dificultades tan sólo porque no saben cómo usar su libro de texto. La sección llamada “Cómo triunfar en física si se intenta de verdad”. Organización de los capítulos La primera sección de cada capítulo es una introducción que da ejemplos específicos del contenido del capítulo y lo conecta con lo visto antes. Tam- bién hay una pregunta de inicio del capítulo y una lista de metas de aprendizaje para hacer que el lector piense en el tema del capítulo que tiene por delante. (Para encontrar la respuesta a la pregunta, busque el icono ?) La mayoría de las secciones terminan con una pregunta para que usted Evalúe su comprensión, que es de naturaleza conceptual o cuantita- tiva. Al final de la última sección del capítulo se encuentra un resumen visual del capítulo de los principios más impor- tantes que se vieron en éste, así como una lista de términos clave que hace referencia al número de página en que se pre- senta cada término. Las respuestas a la pregunta de inicio del capítulo y a las secciones Evalúe su comprensión se encuen- tran después de los términos clave. Preguntas y problemas Al final de cada capítulo hay un conjunto de preguntas de repaso que ponen a prueba y am- plían la comprensión de los conceptos que haya logrado el estudiante. Después se encuentran los ejercicios, que son
  15. 15. xii Prefacio problemas de un solo concepto dirigidos a secciones especí- ficas del libro; los problemas por lo general requieren uno o dos pasos que no son triviales; y los problemas de desafío buscan provocar a los estudiantes más persistentes. Los pro- blemas incluyen aplicaciones a campos tan diversos como la astrofísica, la biología y la aerodinámica. Muchos problemas tienen una parte conceptual en la que los estudiantes deben analizar y explicar sus resultados. Las nuevas preguntas, ejer- cicios y problemas de esta edición fueron creados y organiza- dos por Wayne Anderson (Sacramento City College), Laird Kramer (Florida International University) y Charlie Hibbard. Estrategias para resolver problemas y ejemplos resueltos Los recuadros de Estrategia para resolver problemas, distri- buidos en todo el libro, dan a los estudiantes tácticas específicas para resolver tipos particulares de problemas. Están enfocados en las necesidades de aquellos estudiantes que sienten que “en- tienden los conceptos pero no pueden resolver los problemas”. Todos los recuadros de la Estrategia para resolver pro- blemas van después del método IPEE (identificar, plantear, ejecutar y evaluar) para solucionar problemas. Este enfoque ayuda a los estudiantes a visualizar cómo empezar con una situación compleja parecida, identificar los conceptos físicos relevantes, decidir cuáles herramientas se necesitan para re- solver el problema, obtener la solución y luego evaluar si el resultado tiene sentido. Cada recuadro de Estrategia para resolver problemas va seguido de uno o más ejemplos resueltos que ilustran la es- trategia; además, en cada capítulo se encuentran muchos otros ejemplos resueltos. Al igual que los recuadros de Estrategia para resolver problemas, todos los ejemplos cuantitativos utilizan el método IPEE. Varios de ellos son cualitativos y se identifican con el nombre de Ejemplos conceptuales; como ejemplo, vea los ejemplos conceptuales 6.5 (Comparación de energías cinéticas, p. 191), 8.1 (Cantidad de movimiento versus energía cinética, p. 251) y 20.7 (Proceso adiabático reversible, p. 693). Párrafos de “Cuidado” Dos décadas de investigaciones en la enseñanza de la física han sacado a la luz cierto número de errores conceptuales comunes entre los estudiantes de física principiantes. Éstos incluyen las ideas de que se requiere fuerza para que haya movimiento, que la corriente eléctrica “se consume” a medida que recorre un circuito, y que el pro- ducto de la masa de un objeto por su aceleración constituye una fuerza en sí mismo. Los párrafos de “Cuidado” alertan a los lectores sobre éstos y otros errores, y explican por qué está equivocada cierta manera de pensar en una situación (en la que tal vez ya haya incurrido el estudiante. Véanse por ejemplo las páginas 118, 159 y 559.) Notación y unidades Es frecuente que los estudiantes tengan dificultades con la distinción de cuáles cantidades son vecto- res y cuáles no. Para las cantidades vectoriales usamos carac- teres en cursivas y negritas con una flecha encima, como , y ; los vectores unitarios tales como van testados con un acento circunflejo. En las ecuaciones con vectores se em- plean signos en negritas, 1, 2, 3 y 5, para hacer énfasis en la distinción entre las operaciones vectoriales y escalares. Se utilizan exclusivamente unidades del SI (cuando es apropiado se incluyen las conversiones al sistema inglés). Se d^F S a S v S emplea el joule como la unidad estándar de todas las formas de energía, incluida la calorífica. Flexibilidad El libro es adaptable a una amplia variedad de formatos de curso. Hay material suficiente para uno de tres se- mestres o de cinco trimestres. La mayoría de los profesores encontrarán que es demasiado material para un curso de un semestre, pero es fácil adaptar el libro a planes de estudio de un año si se omiten ciertos capítulos o secciones. Por ejemplo, es posible omitir sin pérdida de continuidad cualquiera o to- dos los capítulos sobre mecánica de fluidos, sonido, ondas electromagnéticas o relatividad. En cualquier caso, ningún profesor debiera sentirse obligado a cubrir todo el libro. Material complementario para el profesor Los manuales de soluciones para el profesor, que preparó A. Lewis Ford (Texas A&M University), contienen solucio- nes completas y detalladas de todos los problemas de final de capítulo. Todas siguen de manera consistente el método de identificar, plantear, ejecutar y evaluar usado en el libro. El Manual de soluciones para el profesor, para el volumen 1 cubre los capítulos 1 al 20, y el Manual de soluciones para el profesor, para los volúmenes 2 y 3 comprende los capí- tulos 21 a 44. La plataforma cruzada Administrador de medios ofrece una biblioteca exhaustiva de más de 220 applets de ActivPhysics OnLine™, así como todas las figuras del libro en formato JPEG. Además, todas las ecuaciones clave, las estrategias para resolver problemas, las tablas y los resúmenes de capí- tulos se presentan en un formato de Word que permite la edición. También se incluyen preguntas de opción múltiple semanales para usarlas con varios Sistemas de Respuesta en Clase (SRC), con base en las preguntas de la sección Evalúe su comprensión en el libro. MasteringPhysics™ (www.masteringphysics.com) es el sis- tema de tareas y enseñanza de la física más avanzado y efi- caz y de mayor uso en el mundo. Pone a disposición de los maestros una biblioteca de problemas enriquecedores de fi- nal de capítulo, tutoriales socráticos que incorporan varios tipos de respuestas, retroalimentación sobre los errores, y ayuda adaptable (que comprende sugerencias o problemas más sencillos, si se solicitan). MasteringPhysics™ permite que los profesores elaboren con rapidez una amplia variedad de tareas con el grado de dificultad y la duración apropiadas; además, les da herramientas eficientes para que analicen las tendencias de la clase —o el trabajo de cualquier estudiante— con un detalle sin precedente y para que comparen los resul- tados ya sea con el promedio nacional o con el desempeño de grupos anteriores. Cinco lecciones fáciles: estrategias para la enseñanza exi- tosa de la física por Randall D. Knight (California Polytechnic State University, San Luis Obispo), expone ideas creativas acerca de cómo mejorar cualquier curso de física. Es una herramienta invaluable para los maestros tanto principiantes como veteranos.
  16. 16. Prefacio