YOUNG • FREEDMAN          SEARS • ZEMANSKY       Físicauniversitaria   Volumen 1       Decimosegunda edición
FACTORES DE CONVERSIÓN DE UNIDADESLongitud                                                 Aceleración1 m 5 100 cm 5 1000 ...
CONSTANTES NUMÉRICASConstantes físicas fundamentales*Nombre                                            Símbolo            ...
SEARS • ZEMANSKY       físicaunIverSitaria
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x     Cómo triunfar en física si se intenta de verdadLas clases y los apuntes                                           Ex...
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xiv      PrefacioAgradecimientosPearson Educación agradece a los centros de estudios y profesores usuarios de esta obra po...
Prefacio   xvUNIVERSIDAD LA SALLE                       Fernanda Adriana Camacho AlanísCuernavaca                         ...
xvi   Prefacio                 Agradecimientos                 Queremos agradecer a los cientos de revisores y colegas que...
Prefacio   xviiMartin Tiersten (CUNY, City College), David Toot (Alfred University), Somdev Tyagi (Drexel Uni-versity), F....
CONTENIDO                                                        4.5   Tercera ley de Newton                      123MECÁN...
Contenido    xix 8.5   Centro de masa                          266   12.3    Energía potencial gravitacional              ...
xx      Contenido16       SONIDO Y EL OÍDO                        527   19       LA PRIMERA LEY DE LA                     ...
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  1. 1. YOUNG • FREEDMAN SEARS • ZEMANSKY Físicauniversitaria Volumen 1 Decimosegunda edición
  2. 2. FACTORES DE CONVERSIÓN DE UNIDADESLongitud Aceleración1 m 5 100 cm 5 1000 mm 5 106 mm 5 109 nm 1 m/s2 5 100 cm/s2 5 3.281 ft/s21 km 5 1000 m 5 0.6214 mi 1 cm/s2 5 0.01 m/s2 5 0.03281 ft/s21 m 5 3.281 ft 5 39.37 in 1 ft/s2 5 0.3048 m/s2 5 30.48 cm/s21 cm 5 0.3937 in 1 mi/h # s 5 1.467 ft/s21 in. 5 2.540 cm1 ft 5 30.48 cm1 yd 5 91.44 cm Masa1 mi 5 5280 ft 5 1.609 km 1 kg 5 103 g 5 0.0685 slug1 Å 5 10210 m 5 1028 cm 5 1021 nm 1 g 5 6.85 3 1025 slug1 milla náutica 5 6080 ft 1 slug 5 14.59 kg1 año luz 5 9.461 3 1015 m 1 u 5 1.661 3 10227 kg 1 kg tiene un peso de 2.205 lb cuando g 5 9.80 m>s2Área1 cm2 5 0.155 in2 Fuerza1 m2 5 104 cm2 5 10.76 ft2 1 N 5 105 dinas 5 0.2248 lb1 in2 5 6.452 cm2 1 lb 5 4.448 N 5 4.448 3 105 dinas1 ft 5 144 in2 5 0.0929 m2 Presión 1 Pa 5 1 N/m2 5 1.450 3 1024lb/in2 5 0.209 lb/ft2Volumen 1 bar 5 105 Pa1 litro 5 1000 cm3 5 1023 m3 5 0.03531 ft3 5 61.02 in3 1 lb/in2 5 6895 Pa1 ft3 5 0.02832 m3 5 28.32 litros 5 7.477 galones 1 lb/ft2 5 47.88 Pa1 galón 5 3.788 litros 1 atm 5 1.013 3 105 Pa 5 1.013 bar 5 14.7 lb/in2 5 2117 lb/ft2 1 mm Hg 5 1 torr 5 133.3 PaTiempo1 min 5 60 s1 h 5 3600 s Energía1 d 5 86,400 s 1 J 5 107ergs 5 0.239 cal1 año 5 365.24 d 5 3.156 3 107 s 1 cal 5 4.186 J (con base en caloría de 15°) 1 ft # lb 5 1.356 J 1 Btu 5 1055 J 5 252 cal 5 778 ft # lbÁngulo 1 eV 5 1.602 3 10219 J1 rad 5 57.30° 5 180°/p 1 kWh 5 3.600 3 106 J1° 5 0.01745 rad 5 p/180 rad1 revolución 5 360° 5 2p rad1 rev/min (rpm) 5 0.1047 rad/s Equivalencia masa-energía 1 kg 4 8.988 3 1016 J 1 u 4 931.5 MeVRapidez 1 eV 4 1.074 3 1029 u1 m/s 5 3.281 ft/s1 ft/s 5 0.3048 m/s1 mi/min 5 60 mi/h 5 88 ft/s Potencia1 km/h 5 0.2778 m/s 5 0.6214 mi/h 1 W 5 1 J/s1 mi/h 5 1.466 ft/s 5 0.4470 m/s 5 1.609 km/h 1 hp 5 746 W 5 550 ft # lb/s1 furlong/14 días 5 1.662 3 1024 m/s 1 Btu/h 5 0.293 W
  3. 3. CONSTANTES NUMÉRICASConstantes físicas fundamentales*Nombre Símbolo ValorRapidez de la luz c 2.99792458 3 108 m/sMagnitud de carga del electrón e 1.60217653(14) 3 10219 CConstante gravitacional G 6.6742(10) 3 10211 N # m2 /kg2Constante de Planck h 6.6260693(11) 3 10234 J # sConstante de Boltzmann k 1.3806505(24) 3 10223 J/KNúmero de Avogadro NA 6.0221415(10) 3 1023 moléculas/molConstante de los gases R 8.314472(15) J/mol # KMasa del electrón me 9.1093826(16) 3 10231 kgMasa del protón mp 1.67262171(29) 3 10227 kgMasa del neutrón mn 1.67492728(29) 3 10227 kgPermeabilidad del espacio libre m0 4p 3 1027 Wb/A # mPermitividad del espacio libre P0 5 1/m 0c 2 8.854187817 c 3 10212 C2/N # m2 1/4pP0 8.987551787 c 3 109 N # m2 /C2Otras constante útilesEquivalente mecánico del calor 4.186 J/cal (15° caloría )Presión atmosférica estándar 1 atm 1.01325 3 105 PaCero absoluto 0K 2273.15 °CElectrón volt 1 eV 1.60217653(14) 3 10219 JUnidad de masa atómica 1u 1.66053886(28) 3 10227 kgEnergía del electrón en reposo mec 2 0.510998918(44) MeVVolumen del gas ideal (0 °C y 1 atm) 22.413996(39) litros/molAceleración debida a la gravedad g 9.80665 m/s2(estándar)*Fuente: National Institute of Standards and Technology (http://physics.nist.gov/cuu). Los números entre paréntesisindican incertidumbre en los dígitos finales del número principal; por ejemplo, el número 1.6454(21) significa1.6454 6 0.0021. Los valores que no indican incertidumbre son exactos.Datos astronómicos† Radio de la Periodo deCuerpo Masa (kg) Radio (m) órbita (m) la órbitaSol 1.99 3 1030 6.96 3 108 — —Luna 7.35 3 1022 1.74 3 106 3.84 3 108 27.3 dMercurio 3.30 3 1023 2.44 3 106 5.79 3 1010 88.0 dVenus 4.87 3 1024 6.05 3 106 1.08 3 1011 224.7 dTierra 5.97 3 1024 6.38 3 106 1.50 3 1011 365.3 dMarte 6.42 3 1023 3.40 3 106 2.28 3 1011 687.0 dJúpiter 1.90 3 1027 6.91 3 107 7.78 3 1011 11.86 ySaturno 5.68 3 1026 6.03 3 107 1.43 3 1012 29.45 yUrano 8.68 3 1025 2.56 3 107 2.87 3 1012 84.02 yNeptuno 1.02 3 1026 2.48 3 107 4.50 3 1012 164.8 yPlutón‡ 1.31 3 1022 1.15 3 106 5.91 3 1012 247.9 y† Fuente: NASA Jet Propulsion Laboratory Solar System Dynamics Group (http://ssd.jlp.nasa.gov) y P. KennethSeidelmann, 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 mediadesde 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 giranen órbita alrededor del Sol como “planetas enanos”.
  4. 4. SEARS • ZEMANSKY físicaunIverSitaria
  5. 5. ESTRATEGIAS PARA RESOLVER PROBLEMASESTRATEGIA PARA RESOLVER PROBLEMAS PÁGINA ESTRATEGIA PARA RESOLVER PROBLEMAS PÁGINA1.1 Cómo resolver problemas de física 3 11.1 Equilibrio de un cuerpo rígido 3591.2 Conversiones de unidades 7 13.1 Movimiento armónico simple I: Descripción del movimiento 4271.3 Suma de vectores 18 13.2 Movimiento armónico simple II: Energía 4302.1 Movimiento con aceleración constante 51 14.1 Ecuación de Bernoulli 4693.1 Movimiento de proyectil 82 15.1 Ondas mecánicas 4943.2 Velocidad relativa 92 15.2 Ondas estacionarias 5105.1 Primera ley de Newton: Equilibrio de una partícula 137 16.1 Intensidad del sonido 5385.2 Segunda ley de Newton: Dinámica 16.2 Efecto Doppler 554 de partículas 143 17.1 Expansión térmica 5786.1 Trabajo y energía cinética 188 17.2 Problemas de calorimetría 5897.1 Problemas donde se utiliza energía 17.3 Conducción de calor 593 mecánica I 217 18.1 Gas ideal 6137.2 Problemas utilizando energía mecánica II 225 18.2 Teoría cinética molecular 6238.1 Conservación del momento lineal 255 19.1 Primera ley de la termodinámica 6549.1 Energía rotacional 299 20.1 Máquinas térmicas 67710.1 Dinámica rotacional de cuerpos rígidos 320
  6. 6. ACTIVIDADES ACTIVPHYSICS ONLINETM ONLINE www.masteringphysics.com1.1 Análisis del movimiento con diagramas 4.1 Magnitud de aceleración centrípeta 8.1 Características de un gas1.2 Análisis del movimiento con gráficas 4.2 Resolución de problemas de movimiento 8.2 Análisis conceptual de la distribución de1.3 Predicción de un movimiento con base en circular Maxwell-Boltzmann gráficas 4.3 Carrito que viaja en una trayectoria 8.3 Análisis cuantitativo de la distribución de1.4 Predicción de un movimiento con base en circular Maxwell-Boltzmann ecuaciones 4.4 Pelota que se balancea en una cuerda 8.4 Variables de estado y ley del gas ideal1.5 Estrategias para resolver problemas de 4.5 Automóvil que describe círculos en una 8.5 Trabajo efectuado por un gas cinemática pista 8.6 Calor, energía térmica y primera ley de la1.6 Esquiador en competencia de descenso 4.6 Satélites en órbita termodinámica1.7 Se deja caer limonada desde un globo 5.1 Cálculos de trabajo 8.7 Capacidad calorífica aerostático 5.2 Frenado de un elevador que asciende 8.8 Proceso isocórico1.8 Los cinturones de seguridad salvan vidas 5.3 Frenado de un elevador que baja 8.9 Proceso isobárico1.9 Frenado con derrape 5.4 Salto inverso con bungee 8.10 Proceso isotérmico1.10 Caída de un saltador con garrocha 5.5 Bolos con impulso de resorte 8.11 Proceso adiabático1.11 Auto arranca y luego se detiene 5.6 Rapidez de un esquiador 8.12 Proceso cíclico: estrategias1.12 Resolución de problemas con dos 5.7 Máquina de Atwood modificada 8.13 Proceso cíclico: problemas vehículos 6.1 Momento lineal y cambio de energía 8.14 Ciclo de Carnot1.13 Auto alcanza a camión 6.2 Choques y elasticidad 9.1 Ecuaciones y gráficas de posición1.14 Cómo evitar un choque por atrás 6.3 Conservación del momento lineal y 9.2 Descripción del movimiento vibratorio2.1.1 Magnitudes de fuerza choques 9.3 Energía de vibración2.1.2 Paracaidista 6.4 Problemas de choques 9.4 Dos formas de medir la masa del joven2.1.3 Cambio de tensión 6.5 Choque de autos: dos dimensiones Tarzán2.1.4 Deslizamiento en una rampa 6.6 Rescate de un astronauta 9.5 Mono tira a Tarzán2.1.5 Carrera de automóviles 6.7 Problemas de explosión 9.6 Liberación de un esquiador que vibra I2.2 Levantar una caja 6.8 Deslizador y carrito 9.7 Liberación de un esquiador que vibra II2.3 Bajar una caja 6.9 Péndulo que golpea una caja 9.8 Sistemas vibratorios de uno y2.4 Despegue de cohete 6.10 Péndulo persona-proyectil, boliche dos resortes2.5 Camión que tira de una caja 7.1 Cálculo de torcas 9.9 Vibrojuego2.6 Empujar una caja hacia arriba contra una 7.2 Viga inclinada: torcas y equilibrio 9.10 Frecuencia de péndulo pared 7.3 Brazos de palanca 9.11 Arriesgado paseo con péndulo2.7 Esquiador que baja una cuesta 7.4 Dos pintores en una viga 9.12 Péndulo físico2.8 Esquiador y cuerda de remolque 7.5 Conferencia desde una viga 10.1 Propiedades de las ondas mecánicas2.9 Salto con garrocha 7.6 Inercia rotacional 10.2 Rapidez de las ondas en una cuerda2.10 Camión que tira de dos cajas 7.7 Cinemática rotacional 10.3 Rapidez del sonido en un gas2.11 Máquina de Atwood modificada 7.8 Rotojuego: Enfoque de dinámica 10.4 Ondas estacionarias en cuerdas3.1 Resolución de problemas de movimiento 7.9 Escalera que cae 10.5 Afinación de un instrumento de cuerda: de proyectiles 7.10 Mujeres y elevador de volante: enfoque ondas estacionarias3.2 Dos pelotas que caen de dinámica 10.6 Masa de una cuerda y ondas3.3 Cambio de la velocidad en x 7.11 Carrera entre un bloque y un disco estacionarias3.4 Aceleraciones x y y de proyectiles 7.12 Mujeres y elevador de volante: enfoque 10.7 Pulsos y frecuencia del pulso3.5 Componentes de la velocidad inicial de energía 10.8 Efecto Doppler: introducción conceptual3.6 Práctica de tiro al blanco I 7.13 Rotojuego: enfoque de energía 10.9 Efecto Doppler: problemas3.7 Práctica de tiro al blanco II 7.14 La bola le pega al bate 10.10 Ondas complejas: análisis de Fourier
  7. 7. REVISIÓN TÉCNICAMÉXICO COSTA RICARicardo Pintle Monroy Diego Chaverri PoliniRafael Mata Universidad Latina de Costa RicaCarlos Gutiérrez Aranzeta San JoséInstituto Politécnico NacionalEscuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica-Zacatenco Juan Meneses Rimola Instituto Tecnológico de Costa RicaJosé Arturo Tar Ortiz Peralta CartagoOmar Olmos LópezVíctor Bustos Meter Randall Figueroa MataJosé Luis Salazar Laureles Universidad HispanoamericanaInstituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey San JoséCampus Toluca ESPAÑADaniel Zalapa Zalapa José M. Zamarro MinguellCentro de Enseñanza Técnica Industrial Universidad de MurciaGuadalajara Campus del Espinardo MurciaLorena Vega LópezCentro Universitario de Ciencias Exactas e Ingenierías Fernando Ribas PérezUniversidad de Guadalajara Universidad de Vigo Escola Universitaria de Enxeñería Técnica IndustrialSergio Flores VigoInstituto de Ingeniería y TecnologíaUniversidad Autónoma de Ciudad Juárez Stefano Chiussi Universidad de VigoARGENTINA Escola Técnica Superior de Enxeñeiros de TelecomunicaciónsEma Aveleyra VigoUniversidad de Buenos AiresBuenos Aires Miguel Ángel Hidalgo Universidad de Alcalá de HenaresAlerino Beltramino Campus UniversitarioUTN Regional Buenos Aires Alcalá de HenaresBuenos Aires PERÚMiguel Ángel Altamirano Yuri Milachay VicenteUTN Regional Córdoba Universidad Peruana de Ciencias AplicadasCórdoba LimaCOLOMBIA VENEZUELAFernando Molina Focazzio Mario CaicedoPontificia Universidad Javeriana Álvaro RestucciaBogotá Jorge Stephany Universidad Simón BolívarJaime Isaza Ceballos CaracasEscuela Colombiana de IngenieríaBogotá
  8. 8. SEARS • ZEMANSKY físicaunIverSitaria Decimosegunda edición volumen 1 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 Addison-Wesley
  9. 9. 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: 760Authorized 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 9780321501219Adaptación 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 españolEditor: Rubén Fuerte Rivera e-mail: ruben.fuerte@pearsoned.comEditor de desarrollo: Felipe Hernández CarrascoSupervisor de producción: Enrique Trejo HernándezEdición en inglésVice President and Editorial Director: Adam Black, Ph.D. Cover Design: Yvo Riezebos DesignSenior Development Editor: Margot Otway Manufacturing Manager: Pam AugspurgerEditorial Manager: Laura Kenney Director, Image Resource Center: Melinda PatelliAssociate Editor: Chandrika Madhavan Manager, Rights and Permissions: Zina ArabiaMedia Producer: Matthew Phillips Photo Research: Cypress Integrated SystemsDirector of Marketing: Christy Lawrence Cover Printer: Phoenix Color CorporationManaging Editor: Corinne Benson Printer and Binder: Courier Corporation/KendallvilleProduction Supervisor: Nancy Tabor Cover Image: The Millau Viaduct, designed by Lord Norman Foster,Production Service: WestWords, Inc. Millau, France.Illustrations: Rolin Graphics Photograph by Jean-Philippe Arles/Reuters/CorbisText Design: tani hasegawaDECIMOSEGUNDA EDICIÓN VERSIÓN IMPRESA, 2009DECIMOSEGUNDA EDICIÓN E-BOOK, 2009D.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.comCámara 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 unsistema de recuperación de información, en ninguna forma ni por ningún medio, sea electrónico, mecánico, fotoquímico, magnéticoo 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 Addison-Wesley es una marca de ISBN VERSIÓN IMPRESA: 978-607-442-288-7 www.pearsoneducacion.net ISBN E-BOOK:
  10. 10. CONTENIDO BREVEMecánica Ondas/Acústica 1 Unidades, cantidades físicas y vectores 1 15 Ondas mecánicas 487 2 Movimiento en línea recta 36 16 Sonido y el oído 527 3 Movimiento en dos o en tres dimensiones 71 Termodinámica 4 Leyes del movimiento de Newton 107 17 Temperatura y calor 570 5 Aplicación de las leyes de Newton 136 18 Propiedades térmicas de la materia 610 6 Trabajo y energía cinética 181 19 La primera ley de la termodinamica 646 7 Energía potencial y conservación 20 La segunda ley de la termodinámica 673 de la energía 213 8 Momento lineal, impulso y choques 247 APÉNDICES 9 Rotación de cuerpos rígidos 285 A El sistema internacional de unidades A-110 Dinámica del movimiento rotacional 316 B Relaciones matemáticas útiles A-3 C El alfabeto griego A-411 Equilibrio y elasticidad 354 D Tabla periódica de los elementos A-5 E Factores de conversión de unidades A-612 Gravitación 383 F Constantes numéricas A-713 Movimiento periódico 419 Respuestas a los problemas con número impar A-914 Mecánica de fluidos 456
  11. 11. SOBRE LOS AUTORESHugh D. Young es profesor emérito de física en Carnegie Mellon University, enPittsburgh, PA. Cursó sus estudios de licenciatura y posgrado en Carnegie Mellon,donde obtuvo su doctorado en teoría de partículas fundamentales bajo la direcciónde 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 enla Universidad de California en Berkeley durante dos años. La carrera del profesor Young se ha centrado por completo en la docencia en elnivel 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 FrancisSears y Mark Zemansky. A la muerte de éstos, el profesor Young asumió toda laresponsabilidad 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 veranoviaja con su esposa Alice, en especial a Europa y a la zona desértica de los cañonesdel 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 yLos Ángeles de la Universidad de California, y realizó su investigación doctoral enteoría nuclear en la Universidad de Stanford bajo la dirección del profesor J. DirkWalecka. Llegó a UCSB en 1981, después de haber sido durante tres años profesore investigador en la Universidad de Washington. En UCSB el doctor Freedman ha impartido cátedra tanto en el departamento deFísica como en la Escuela de Estudios Creativos, un organismo de la universidad queda cabida a los estudiantes con dotes y motivación para el arte. Ha publicado artículossobre física nuclear, física de partículas elementales y física de láseres. En los añosrecientes ha colaborado en el desarrollo de herramientas de cómputo para la enseñanzade la física y la astronomía. Cuando no está en el aula o trabajando afanosamente ante una computadora, aldoctor Freedman se le ve volando (tiene licencia de piloto comercial) o manejandocon su esposa Caroline su automóvil convertible Nash Metropolitan, modelo 1960.A. Lewis Ford es profesor de física en Texas A&M University. Cursó la licenciaturaen Rice University en 1968, y obtuvo un doctorado en física química de la Universidadde 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 esla física atómica teórica, con especialidad en colisiones atómicas. En Texas A&MUniversity ha impartido una amplia variedad de cursos de licenciatura y posgrado,pero sobre todo de introducción a la física.
  12. 12. AL ESTUDIANTECÓMO TRIUNFAR ENFÍSICA SI SE INTENTADE VERDADMark Hollabaugh Normandale Community CollegeLa física estudia lo grande y lo pequeño, lo viejo y lo nue- hábitos de estudio. Quizá lo más importante que pueda hacervo. Del átomo a las galaxias, de los circuitos eléctricos a la por usted mismo sea programar de manera regular el tiempoaerodinámica, la física es una gran parte del mundo que nos adecuado en un ambiente libre de distracciones.rodea. Es probable que esté siguiendo este curso de introduc-ción a la física, basado en el cálculo, porque lo requiera para Responda las siguientes preguntas para usted mismo:materias posteriores que planee tomar para su carrera en • ¿Soy capaz de utilizar los conceptos matemáticos funda-ciencias o ingeniería. Su profesor quiere que aprenda física mentales del álgebra, geometría y trigonometría? (Si noy goce la experiencia. Él o ella tienen mucho interés en ayu- es así, planee un programa de repaso con ayuda de sudarlo a aprender esta fascinante disciplina. Ésta es parte de profesor.)la razón por la que su maestro eligió este libro para el curso. • En cursos similares, ¿qué actividad me ha dado más pro-También es la razón por la que los doctores Young y Freedman blemas? (Dedique más tiempo a eso.) ¿Qué ha sido lome pidieron que escribiera esta sección introductoria. ¡Quere- más fácil para mí? (Haga esto primero; lo ayudará a ga-mos que triunfe! nar confianza.) El propósito de esta sección de Física universitaria es dar- • ¿Entiendo el material mejor si leo el libro antes o despuésle algunas ideas que lo ayuden en su aprendizaje. Al análisis de la clase? (Quizás aprenda mejor si revisa rápido elbreve de los hábitos generales y las estrategias de estudio, se- material, asiste a clase y luego lee con más profundidad.)guirán sugerencias específicas de cómo utilizar el libro. • ¿Dedico el tiempo adecuado a estudiar física? (Una regla práctica para una clase de este tipo es dedicar en prome-Preparación para este curso dio 2.5 horas de estudio fuera del aula por cada hora deSi en el bachillerato estudió física, es probable que aprenda clase en esta. Esto significa que para un curso con cincolos conceptos más rápido que quienes no lo hicieron porque es- horas de clase programadas a la semana, debe destinar detará familiarizado con el lenguaje de la física. De igual modo, 10 a 15 horas semanales al estudio de la física.)si tiene estudios avanzados de matemáticas comprenderá con • ¿Estudio física a diario? (¡Distribuya esas 10 a15 horasmás rapidez los aspectos matemáticos de la física. Aun si a lo largo de toda la semana!) ¿A qué hora estoy en mituviera un nivel adecuado de matemáticas, encontrará útiles mejor momento para estudiar física? (Elija un horariolibros como el de Arnold D. Pickar, Preparing for General específico del día y respételo.)Physics: Math Skill Drills and Other Useful Help (Calculus • ¿Trabajo en un lugar tranquilo en el que pueda mantenerVersion). Es posible que su profesor asigne tareas de este mi concentración? (Las distracciones romperán su rutinarepaso de matemáticas como auxilio para su aprendizaje. y harán que pase por alto puntos importantes.)Aprender a aprender Trabajar con otrosCada uno de nosotros tiene un estilo diferente de aprendizaje Es raro que los científicos e ingenieros trabajen aislados unos dey un medio preferido para hacerlo. Entender cuál es el suyo lo otros, y más bien trabajan en forma cooperativa. Aprenderáayudará a centrarse en los aspectos de la física que tal vez le más física y el proceso será más ameno si trabaja con otrosplanteen dificultades y a emplear los componentes del curso estudiantes. Algunos profesores tal vez formalicen el uso delque lo ayudarán a vencerlas. Es obvio que querrá dedicar más aprendizaje cooperativo o faciliten la formación de grupostiempo a aquellos aspectos que le impliquen más problemas. de estudio. Es posible que desee formar su propio grupo noSi usted aprende escuchando, las conferencias serán muy im- formal de estudio con miembros de su clase que vivan en suportantes. Si aprende con explicaciones, entonces será de vecindario o residencia estudiantil. Si tiene acceso al correoayuda trabajar con otros estudiantes. Si le resulta difícil re- electrónico, úselo para estar en contacto con los demás. Susolver problemas, dedique más tiempo a aprender cómo ha- grupo de estudio será un recurso excelente cuando se pre-cerlo. Asimismo, es importante entender y desarrollar buenos pare para los exámenes. ix
  13. 13. x Cómo triunfar en física si se intenta de verdadLas clases y los apuntes ExámenesUn factor importante de cualquier curso universitario son las Presentar un examen es estresante. Pero si se preparó de ma-clases. Esto es especialmente cierto en física, ya que será fre- nera adecuada y descansó bien, la tensión será menor. Lacuente que su profesor haga demostraciones de principios preparación para un examen es un proceso continuo; co-físicos, ejecute simulaciones de computadora o proyecte mienza en el momento en que termina el último examen.videos. Todas éstas son actividades de aprendizaje que lo Debe analizar sus exámenes y comprender los errores queayudarán a comprender los principios básicos de la física. haya cometido. Si resolvió un problema y cometió erroresNo falte a clases, y si lo hace por alguna razón especial, pida importantes, pruebe lo siguiente: tome una hoja de papel ya un amigo o miembro de su grupo de estudio que le dé los divídala en dos partes con una línea de arriba hacia abajo.apuntes y le diga lo que pasó. En una columna escriba la solución apropiada del problema, En clase, tome notas rápidas y entre a los detalles después. y en la otra escriba lo que hizo y por qué, si es que lo sabe, yEs muy difícil tomar notas palabra por palabra, de modo que la razón por la que su propuesta de solución fue incorrecta.sólo escriba las ideas clave. Si su profesor utiliza un dia- Si no está seguro de por qué cometió el error o de la formagrama del libro de texto, deje espacio en el cuaderno para de evitarlo, hable con su profesor. La física se construye deéste y agréguelo más tarde. Después de clase, complete sus manera continua sobre ideas fundamentales y es importanteapuntes con la cobertura de cualquier faltante u omisión y corregir de inmediato cualquiera malentendido. Cuidado: sianotando los conceptos que necesite estudiar posteriormen- se prepara en el último minuto para un examen, no retendráte. Haga referencias por página del libro de texto, número de en forma adecuada los conceptos para el siguiente.ecuación o de sección. Asegúrese de hacer preguntas en clase, o vea a su pro-fesor durante sus horas de asesoría. Recuerde que la únicapregunta “fuera de lugar” es la que no se hace. En su escue-la quizá haya asistentes de profesor o tutores para ayudarlocon las dificultades que encuentre.
  14. 14. AL PROFESORPREFACIOEste libro es el producto de más de medio siglo de liderazgo • Problemas mejorados al final de cada capítulo Reco-e innovación en la enseñanza de la física. Cuando en 1949 se nocido por contener los problemas más variados y pro-publicó la primera edición de Física universitaria, de Francis bados que existen, la decimosegunda edición va másW. Sears y Mark W. Zemansky, su énfasis en los principios allá: ofrece la primera biblioteca de problemas de fí-fundamentales de la física y la forma de aplicarlos fue un sica mejorados de manera sistemática con base en elaspecto revolucionario entre los libros de la disciplina cuya desempeño de estudiantes de toda la nación. A partir debase era el cálculo. El éxito del libro entre generaciones de este análisis, más de 800 nuevos problemas se integran(varios millones) de estudiantes y profesores de todo el mun- al conjunto de 3700 de toda la biblioteca.do da testimonio del mérito de este enfoque, y de las muchasinnovaciones posteriores. • MasteringPhysics™ (www.masteringphysics.com). Lan- Al preparar esta nueva decimosegunda edición, hemos zado con la undécima edición, la herramienta de Mastering-mejorado y desarrollado aún más Física universitaria asimi- Physics ahora es el sistema de tareas y enseñanza en línealando las mejores ideas de la investigación educativa con más avanzado del mundo que se haya adoptado y probadorespecto a la enseñanza basada en la resolución de problemas, en la educación de la manera más amplia. Para la deci-la pedagogía visual y conceptual; este libro es el primero que mosegunda edición, MasteringPhysics incorpora un con-presenta problemas mejorados en forma sistemática, y en uti- junto de mejoras tecnológicas y nuevo contenido. Ademáslizar el sistema de tareas y enseñanza en línea más garantizado de una biblioteca de más de 1200 tutoriales y de todosy usado del mundo. los problemas de fin de capítulo, MasteringPhysics ahora también presenta técnicas específicas para cada Estrategia para resolver problemas, así como para las preguntas deLo nuevo en esta edición la sección de Evalúe su comprensión de cada capítulo.• Solución de problemas El celebrado enfoque de cua- Las respuestas incluyen los tipos algebraico, numérico y de tro pasos para resolver problemas, basado en la inves- opción múltiple, así como la clasificación, elaboración tigación (identificar, plantear, ejecutar y evaluar) ahora de gráficas y trazado de vectores y rayos. se usa en cada ejemplo resuelto, en la sección de Estra- tegia para resolver problemas de cada capítulo, y en las Características clave de soluciones de los manuales para el profesor y para el es- tudiante. Los ejemplos resueltos ahora incorporan boce- Física universitaria tos en blanco y negro para centrar a los estudiantes en Una guía para el estudiante Muchos estudiantes de física esta etapa crítica: aquella que, según las investigaciones, tienen dificultades tan sólo porque no saben cómo usar su los estudiantes tienden a saltar si se ilustra con figuras libro de texto. La sección llamada “Cómo triunfar en física muy elaboradas. si se intenta de verdad”.• Instrucciones seguidas por práctica Una trayectoria de Organización de los capítulos La primera sección de cada enseñanza y aprendizaje directa y sistemática seguida por capítulo es una introducción que da ejemplos específicos del la práctica, incluye Metas de aprendizaje al principio de contenido del capítulo y lo conecta con lo visto antes. Tam- cada capítulo, así como Resúmenes visuales del capítulo bién hay una pregunta de inicio del capítulo y una lista de que consolidan cada concepto con palabras, matemáticas metas de aprendizaje para hacer que el lector piense en el y figuras. Las preguntas conceptuales más frecuentes en tema del capítulo que tiene por delante. (Para encontrar la la sección de Evalúe su comprensión al final de cada sec- respuesta a la pregunta, busque el icono ?) La mayoría de las ción ahora usan formatos de opción múltiple y de clasi- secciones terminan con una pregunta para que usted Evalúe ficación que permiten a los estudiantes la comprobación su comprensión, que es de naturaleza conceptual o cuantita- instantánea de sus conocimientos. tiva. Al final de la última sección del capítulo se encuentra un resumen visual del capítulo de los principios más impor-• Poder didáctico de las figuras El poder que tienen las tantes que se vieron en éste, así como una lista de términos figuras en la enseñanza fue enriquecido con el empleo de clave que hace referencia al número de página en que se pre- la técnica de “anotaciones”, probada por las investiga- senta cada término. Las respuestas a la pregunta de inicio del ciones (comentarios estilo pizarrón integrados en la figura, capítulo y a las secciones Evalúe su comprensión se encuen- para guiar al estudiante en la interpretación de ésta), y por tran después de los términos clave. el uso apropiado del color y del detalle (por ejemplo, en la mecánica se usa el color para centrar al estudian- Preguntas y problemas Al final de cada capítulo hay un te en el objeto de interés al tiempo que se mantiene el conjunto de preguntas de repaso que ponen a prueba y am- resto de la imagen en una escala de grises sin detalles que plían la comprensión de los conceptos que haya logrado el distraigan). estudiante. Después se encuentran los ejercicios, que son xi
  15. 15. xii Prefacioproblemas de un solo concepto dirigidos a secciones especí- emplea el joule como la unidad estándar de todas las formasficas del libro; los problemas por lo general requieren uno o de energía, incluida la calorífica.dos pasos que no son triviales; y los problemas de desafíobuscan provocar a los estudiantes más persistentes. Los pro- Flexibilidad El libro es adaptable a una amplia variedad deblemas incluyen aplicaciones a campos tan diversos como la formatos de curso. Hay material suficiente para uno de tres se-astrofísica, la biología y la aerodinámica. Muchos problemas mestres o de cinco trimestres. La mayoría de los profesorestienen una parte conceptual en la que los estudiantes deben encontrarán que es demasiado material para un curso de unanalizar y explicar sus resultados. Las nuevas preguntas, ejer- semestre, pero es fácil adaptar el libro a planes de estudio decicios y problemas de esta edición fueron creados y organiza- un año si se omiten ciertos capítulos o secciones. Por ejemplo,dos por Wayne Anderson (Sacramento City College), Laird es posible omitir sin pérdida de continuidad cualquiera o to-Kramer (Florida International University) y Charlie Hibbard. dos los capítulos sobre mecánica de fluidos, sonido, ondas electromagnéticas o relatividad. En cualquier caso, ningúnEstrategias para resolver problemas y ejemplos resueltos profesor debiera sentirse obligado a cubrir todo el libro.Los recuadros de Estrategia para resolver problemas, distri-buidos en todo el libro, dan a los estudiantes tácticas específicaspara resolver tipos particulares de problemas. Están enfocados Material complementarioen las necesidades de aquellos estudiantes que sienten que “en- para el profesortienden los conceptos pero no pueden resolver los problemas”. Todos los recuadros de la Estrategia para resolver pro- Los manuales de soluciones para el profesor, que preparóblemas van después del método IPEE (identificar, plantear, A. Lewis Ford (Texas A&M University), contienen solucio-ejecutar y evaluar) para solucionar problemas. Este enfoque nes completas y detalladas de todos los problemas de finalayuda a los estudiantes a visualizar cómo empezar con una de capítulo. Todas siguen de manera consistente el método desituación compleja parecida, identificar los conceptos físicos identificar, plantear, ejecutar y evaluar usado en el libro. Elrelevantes, decidir cuáles herramientas se necesitan para re- Manual de soluciones para el profesor, para el volumen 1solver el problema, obtener la solución y luego evaluar si el cubre los capítulos 1 al 20, y el Manual de soluciones pararesultado tiene sentido. el profesor, para los volúmenes 2 y 3 comprende los capí- Cada recuadro de Estrategia para resolver problemas va tulos 21 a 44.seguido de uno o más ejemplos resueltos que ilustran la es- La plataforma cruzada Administrador de medios ofrece unatrategia; además, en cada capítulo se encuentran muchos otros biblioteca exhaustiva de más de 220 applets de ActivPhysicsejemplos resueltos. Al igual que los recuadros de Estrategia OnLine™, así como todas las figuras del libro en formatopara resolver problemas, todos los ejemplos cuantitativos JPEG. Además, todas las ecuaciones clave, las estrategiasutilizan el método IPEE. Varios de ellos son cualitativos y se para resolver problemas, las tablas y los resúmenes de capí-identifican con el nombre de Ejemplos conceptuales; como tulos se presentan en un formato de Word que permite laejemplo, vea los ejemplos conceptuales 6.5 (Comparación edición. También se incluyen preguntas de opción múltiplede energías cinéticas, p. 191), 8.1 (Cantidad de movimiento semanales para usarlas con varios Sistemas de Respuesta enversus energía cinética, p. 251) y 20.7 (Proceso adiabático Clase (SRC), con base en las preguntas de la sección Evalúereversible, p. 693). su comprensión en el libro.Párrafos de “Cuidado” Dos décadas de investigaciones enla enseñanza de la física han sacado a la luz cierto número de MasteringPhysics™ (www.masteringphysics.com) es el sis-errores conceptuales comunes entre los estudiantes de física tema de tareas y enseñanza de la física más avanzado y efi-principiantes. Éstos incluyen las ideas de que se requiere caz y de mayor uso en el mundo. Pone a disposición de losfuerza para que haya movimiento, que la corriente eléctrica maestros una biblioteca de problemas enriquecedores de fi-“se consume” a medida que recorre un circuito, y que el pro- nal de capítulo, tutoriales socráticos que incorporan variosducto de la masa de un objeto por su aceleración constituye tipos de respuestas, retroalimentación sobre los errores, yuna fuerza en sí mismo. Los párrafos de “Cuidado” alertan ayuda adaptable (que comprende sugerencias o problemasa los lectores sobre éstos y otros errores, y explican por qué más sencillos, si se solicitan). MasteringPhysics™ permiteestá equivocada cierta manera de pensar en una situación que los profesores elaboren con rapidez una amplia variedad(en la que tal vez ya haya incurrido el estudiante. Véanse por de tareas con el grado de dificultad y la duración apropiadas;ejemplo las páginas 118, 159 y 559.) además, les da herramientas eficientes para que analicen las tendencias de la clase —o el trabajo de cualquier estudiante—Notación y unidades Es frecuente que los estudiantes tengan con un detalle sin precedente y para que comparen los resul-dificultades con la distinción de cuáles cantidades son vecto- tados ya sea con el promedio nacional o con el desempeño deres y cuáles no. Para las cantidades vectoriales usamos carac- grupos anteriores. SteresSen cursivas y negritas con una flecha encima, como v,S ^a y F; los vectores unitarios tales como d van testados con Cinco lecciones fáciles: estrategias para la enseñanza exi-un acento circunflejo. En las ecuaciones con vectores se em- tosa de la física por Randall D. Knight (California Polytechnicplean signos en negritas, 1, 2, 3 y 5, para hacer énfasis en State University, San Luis Obispo), expone ideas creativasla distinción entre las operaciones vectoriales y escalares. acerca de cómo mejorar cualquier curso de física. Es una Se utilizan exclusivamente unidades del SI (cuando es herramienta invaluable para los maestros tanto principiantesapropiado se incluyen las conversiones al sistema inglés). Se como veteranos.
  16. 16. Prefacio xiiiLas transparencias contienen más de 200 figuras clave de ActivPhysics OnLine™ (www.masteringphy-Física universitaria, decimosegunda edición, a todo color. ONLINE sics.com), incluido ahora en el área de autoapren- dizaje de MasteringPhysics, brinda la bibliotecaEl Banco de exámenes incluye más de 2000 preguntas de más completa de applets y tutoriales basados enopción múltiple, incluye todas las preguntas del Banco de exá- éstos. ActivPhysics OnLine fue creado por el pionero de lamenes. Más de la mitad de las preguntas tienen valores numé- educación Alan Van Heuvelen de Rutgers. A lo largo dericos que pueden asignarse al azar a cada estudiante. la decimosegunda edición de University Physics hay iconos que dirigen al estudiante hacia applets específicos en Activ-Material complementario Physics OnLine para ayuda interactiva adicional.para el estudiante Cuadernos de Trabajo de ActivPhysics OnLine™, por MasteringPhysics™ (www.masteringphysics.com) Alan Van Heuvelen, Rutgers y Paul d’Alessandris, Monroe es el sistema de enseñanza de la física más avanzado, Community College, presentan una amplia gama de guías para usado y probado en el mundo. Es resultado de ocho la enseñanza que emplean los applets de gran aceptación queaños de estudios detallados acerca de cómo resuelven pro- ayudan a los estudiantes a desarrollar su comprensión y con-blemas de física los estudiantes reales y de las áreas donde fianza. En particular, se centran en el desarrollo de la intui-requieren ayuda. Los estudios revelan que los alumnos que ción, la elaboración de pronósticos, la prueba experimentalrecurren a MasteringPhysics™ mejoran de manera signifi- de suposiciones, el dibujo de diagramas eficaces, el entendi-cativa sus calificaciones en los exámenes finales y pruebas miento cualitativo y cuantitativo de las ecuaciones clave, asíconceptuales como la del Inventario Force Concept. Mastering- como en la interpretación de la información gráfica. EstosPhysics™ logra esto por medio de dar a los estudiantes re- cuadernos de trabajo se usan en laboratorios, tareas o auto-troalimentación instantánea y específica sobre sus respuestas estudio.equivocadas, proponer a solicitud de ellos problemas mássencillos cuando no logran avanzar, y asignar una calificaciónparcial por el método. Este sistema individualizado de tutoríalas 24 horas de los siete días de la semana es recomendadopor nueve de cada diez alumnos a sus compañeros como elmodo más eficaz de aprovechar el tiempo para estudiar.
  17. 17. xiv PrefacioAgradecimientosPearson Educación agradece a los centros de estudios y profesores usuarios de esta obra por su apoyo y retroalimentación, ele-mentos fundamentales para esta nueva edición de Física universitaria.MÉXICO TECNOLÓGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES DE ECATEPECINSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL Antonio Silva MartínezESIME Culhuacán Crispín Ramírez MartínezLuis Díaz Hernández Fidel Castro LópezMiguel Ángel Morales Guillermo Tenorio EstradaPedro Cervantes Jesús González Lemus Leticia Vera PérezUPIICSA María Del Rosario González BañalesAmado F García Ruiz Mauricio Javier Zárate SánchezEnrique Álvarez González Omar Pérez RomeroFabiola Martínez Zúñiga Raúl Nava CervantesFrancisco Ramírez Torres UNITEC Campus EcatepecUPIITA Inocencio Medina OlivaresÁlvaro Gordillo SolCésar Luna Muñoz Julián Rangel RangelIsrael Reyes Ramírez Lorenzo Martínez Carrillo GarzónJesús Picazo RojasJorge Fonseca Campos UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE LA CIUDAD DE MÉXICO Alberto García QuirozINSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES Edith Mireya Vargas GarcíaDE MONTERREY Enrique Cruz MartínezCampus Chihuahua Gerardo González GarcíaFrancisco Espinoza Magaña Gerardo Oseguera PeñaSilvia Prieto Verónica Puente Vera Víctor Julián Tapia GarcíaCampus Ciudad de MéxicoLuis Jaime Neri Vitela UNIVERSIDAD AUTÓNOMA METROPOLITANARosa María González Castellan Unidad IztapalapaVíctor Francisco Robledo Rella Michael PicquarCampus Cuernavaca UNIVERSIDAD IBEROAMERICANACrisanto Castillo Distrito FederalFrancisco Giles Hurtado Abraham Vilchis UribeRaúl Irena Estrada Adolfo Genaro Finck Pastrana Alfredo Sandoval VillalbazoCampus Culiacán Anabel Arrieta OstosJuan Bernardo Castañeda Antonio Gén Mora Arturo Bailón MartínezCampus Estado de México Claudia Camacho ZúñigaElena Gabriela Cabral Velázquez Córdova Carmen González MesaElisabetta Crescio Domitila González PatiñoFrancisco J. Delgado Cepeda Elsa Fabiola Vázquez ValenciaMarcela Martha Villegas Garrido Enrique Sánchez y AguileraPedro Anguiano Rojas Enrique Téllez FabianiRaúl Gómez Castillo Erich Starke FabrisRaúl Martínez Rosado Esperanza Rojas OropezaSergio E. Martínez Casas Francisco Alejandro López Díaz Guillermo Aguilar HurtadoCampus Mazatlán Guillermo Chacón AcostaCarlos Mellado Osuna Guillermo Fernández AnayaEusebio de Jesús Guevara Villegas Gustavo Eduardo Soto de la Vega Jaime Lázaro Klapp EscribanoCampus Monterrey Jimena Bravo GuerreroJorge Lomas Treviño José Alfredo Heras GómezCampus Puebla José Fernando Pérez GodínezAbel Flores Amado José Luis Morales HernándezIdali Calderón Salas Juan Cristóbal Cárdenas Oviedo Lorena Arias MontañoCampus Querétaro María Alicia Mayela Ávila MartínezJuan José Carracedo María de Jesús Orozco ArellanesLázaro Barajas De La Torre Mariano Bauer EphrussiLucio López Cavazos Mario Alberto Rodríguez Meza Rafael Rodríguez DomínguezCampus Santa Fe Rodolfo Fabián Estrada GuerreroFrancisco Javier Hernández Rodrigo Alberto Rincón GómezMartín Pérez Díaz Salvador Carrillo MorenoNorma Elizabeth Olvera Silvia Patricia Ambrocio Cruz
  18. 18. Prefacio xvUNIVERSIDAD LA SALLE Fernanda Adriana Camacho AlanísCuernavaca Hortensia Caballero LópezMiguel Pinet Vázquez Israel Santamaría Mata Karla M. Díaz GutiérrezDistrito Federal M. Eugenia Ceballos SilvaIsrael Wood Cano M. Josefina Becerril Téllez-Girón M. Pilar Ortega BernalUNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO María Del Rayo Salinas VázquezFacultad de Ciencias Marta Rodríguez PérezAgustín Hernández Mauro Cruz MoralesAgustín Pérez Contreras Natalia de la TorreAída Gutiérrez Paola B. González AguirreAlberto Sánchez Moreno Praxedis Israel Santamaría MataAlejandro PadrónÁlvaro Gámez Estrada UNIVERSIDAD PANAMERICANA, MéxicoAndrea Luisa Aburto Rodolfo Cobos TéllezAntonio PachecoArmando Pluma UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CHIHUAHUAArturo F. Rodríguez Antonino PérezBeatriz Eugenia Hernández Rodríguez Carlos de la VegaCarlos Octavio Olvera Bermúdez Eduardo Benítez ReadEdgar Raymundo López Téllez Héctor HernándezElba Karen Sáenz García José Mora RuachoEliseo Martínez Juan Carlos Sáenz CarrascoElizabeth Aguirre Maldonado Raúl Sandoval JabaleraEnrique Villalobos Ricardo Romero CentenoEspiridión Martínez DíazFrancisco Javier Rodríguez Gómez INSTITUTO TECNOLÓGICO DE CHIHUAHUAFrancisco Miguel Pérez Ramírez Claudio González TolentinoGabriel Jaramillo Morales Manuel López RodríguezGenaro Muñoz HernándezGerardo Ovando Zúñiga UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CIUDAD JUÁREZGerardo Solares Sergio FloresGuadalupe Aguilar Mario BorundaGustavo Contreras MayénHeriberto Aguilar Juárez INSTITUTO TECNOLÓGICO DE ZACATEPECJaime García Ruiz Fernando Pona CelónJavier Gutiérrez S. Mateo Sixto Cortez RodríguezJesús Vicente González Sosa Nelson A Mariaca CárdenasJose Carlos Rosete Álvarez Ramiro Rodríguez SalgadoJuan Carlos Cedeño VázquezJuan Galindo MuñizJuan Manuel Gil Pérez INSTITUTO TECNOLÓGICO DE QUERÉTAROJuan Rios Hacha Adrián Herrera OlaldeLanzier Efraín Torres Ortiz Eleazar García GarcíaLourdes Del Carmen Pérez Salazar Joel Arzate VillanuevaLuis Andrés Suárez Hernández Manuel Francisco Jiménez MoralesLuis Eugenio Tejeda Calvillo Manuel Sánchez MuñizLuis Flores Juárez Marcela Juárez RíosLuis Humberto Soriano Sánchez Mario Alberto Montante GarzaLuis Javier Acosta Bernal Máximo Pliego DíazLuis Manuel León Rosano Raúl Vargas AlbaM. Alejandra CarmonaM. Del Rosario Narvarte G. INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MAZATLÁNMaría Del Carmen Melo Jesús Ernesto Gurrola PeñaMaría Josefa LabranderoMartín Bárcenas Escobar UNIVERSIDAD DE OCCIDENTE Unidad CuliacánNanzier Torres López Luis Antonio Achoy BustamanteOliverio Octavio Ortiz OliveraOscar Rafael San Román GutiérrezPatricia Goldstein Menache VENEZUELARamón Santillán RamírezRigel Gámez Leal UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL DE LASSalvador Villalobos FUERZAS ARMADAS (UNEFA), MaracaySantiago Gómez López Johnny MollejaVíctor Manuel Sánchez Esquivel José Gómez Rubén LeónFacultad de Estudios Superiores ZaragozaJavier Ramos Salamanca UNIVERSIDAD BICENTENARIA DE ARAGUA (UBA), MaracayZula Sandoval Villanueva Belkys Ramírez José PeraltaFacultad de QuímicaAlicia Zarzosa Pérez UNIVERSIDAD CATÓLICA ANDRÉS BELLO (UCAB), CaracasCarlos Rins Alonso José Marino.César Reyes Chávez Oscar RodríguezEmilio Orgaz Baque Rafael Degugliemo
  19. 19. xvi Prefacio Agradecimientos Queremos agradecer a los cientos de revisores y colegas que han hecho comentarios y sugerencias valiosos durante la vida de este libro. El continuo éxito de Física univer- sitaria se debe en gran medida a sus contribuciones. Edward Adelson (Ohio State University), Ralph Alexander (University of Missouri at Rolla), J. G. Anderson, R. S. Anderson, Wayne Anderson (Sacramento City College), Alex Azima (Lansing Community College), Dilip Balamore (Nassau Community College), Harold Bale (University of North Dakota), Arun Bansil (Northeastern University), John Barach (Vanderbilt University), J. D. Barnett, H. H. Barschall, Albert Bartlett (University of Colorado), Paul Baum (CUNY, Queens College), Frederick Becchetti (University of Michigan), B. Bederson, David Bennum (University of Nevada, Reno), Lev I. Berger (San Diego State University), Robert Boeke (William Rainey Harper College), S. Borowitz, A. C. Braden, James Brooks (Boston University), Nicholas E. Brown (California Polytechnic State University, San Luis Obispo), Tony Buffa (California Polytechnic State University, San Luis Obispo), A. Capecelatro, Michael Cardamone (Pennsylvania State University), Duane Carmony (Purdue University), Troy Carter (UCLA), P. Catranides, John Cerne (SUNY at Buffalo), Roger Clapp (University of South Florida), William M. Cloud (Eastern Illinois University), Leonard Cohen (Drexel University), W. R. Coker (University of Texas, Austin), Malcolm D. Cole (University of Missouri at Rolla), H. Conrad, David Cook (Lawrence University), Gayl Cook (University of Colorado), Hans Courant (University of Minnesota), Bruce A. Craver (University of Dayton), Larry Curtis (University of Toledo), Jai Dahiya (Southeast Missouri State University), Steve Detweiler (University of Florida), George Dixon (Oklahoma State University), Donald S. Duncan, Boyd Edwards (West Virginia University), Robert Eisenstein (Carnegie Mellon University), Amy Emerson Missourn (Virginia Institute of Technology), William Faissler (Northeastern Univer- sity), William Fasnacht (U.S. Naval Academy), Paul Feldker (St. Louis Community College), Carlos Figueroa (Cabrillo College), L. H. Fisher, Neil Fletcher (Florida State University), Robert Folk, Peter Fong (Emory University), A. Lewis Ford (Texas A&M University), D. Frantszog, James R. Gaines (Ohio State University), Solomon Gartenhaus (Purdue University), Ron Gautreau (New Jersey Institute of Technology), J. David Gavenda (University of Texas, Austin), Dennis Gay (University of North Florida), James Gerhart (University of Washington), N. S. Gingrich, J. L. Glathart, S. Goodwin, Rich Gottfried (Frederick Community College), Walter S. Gray (University of Michigan), Paul Gresser (University of Maryland), Benjamin Grinstein (UC San Diego), Howard Grotch (Pennsylvania State University), John Gruber (San Jose State University), Graham D. Gutsche (U.S. Naval Academy), Michael J. Harrison (Michigan State University), Harold Hart (Western Illinois University), Howard Hayden (University of Connecticut), Carl Helrich (Goshen College), Laurent Hodges (Iowa State University), C. D. Hodgman, Michael Hones (Villanova University), Keith Honey (West Virginia Institute of Technology), Gregory Hood (Tidewater Community College), John Hubisz (North Carolina State University), M. Iona, John Jaszczak (Michigan Technical University), Alvin Jenkins (North Carolina State University), Robert P. Johnson (UC Santa Cruz), Lorella Jones (University of Illinois), John Karchek (GMI Engineering & Management Institute), Thomas Keil (Worcester Polytechnic Institute), Robert Kraemer (Carnegie Mellon University), Jean P. Krisch (University of Michigan), Robert A. Kromhout, Andrew Kunz (Marquette University), Charles Lane (Berry College), Thomas N. Lawrence (Texas State University), Robert J. Lee, Alfred Leitner (Rensselaer Polytechnic University), Gerald P. Lietz (De Paul University), Gordon Lind (Utah State University), S. Livingston, Elihu Lubkin (University of Wisconsin, Milwaukee), Robert Luke (Boise State University), David Lynch (Iowa State Univer- sity), Michael Lysak (San Bernardino Valley College), Jeffrey Mallow (Loyola University), Robert Mania (Kentucky State University), Robert Marchina (University of Memphis), David Markowitz (University of Connecticut), R. J. Maurer, Oren Maxwell (Florida International University), Joseph L. McCauley (University of Houston), T. K. McCubbin, Jr. (Pennsylvania State University), Charles McFarland (University of Missouri at Rolla), James Mcguire (Tulane University), Lawrence McIntyre (University of Arizona), Fredric Messing (Carnegie-Mellon University), Thomas Meyer (Texas A&M University), Andre Mirabelli (St. Peter’s College, New Jersey), Herbert Muether (S.U.N.Y., Stony Brook), Jack Munsee (California State University, Long Beach), Lorenzo Narducci (Drexel University), Van E. Neie (Purdue University), David A. Nordling (U. S. Naval Academy), Benedict Oh (Pennsylvania State University), L. O. Olsen, Jim Pannell (DeVry Institute of Technol- ogy), W. F. Parks (University of Missouri), Robert Paulson (California State University, Chico), Jerry Peacher (University of Missouri at Rolla), Arnold Perlmutter (University of Miami), Lennart Peterson (University of Florida), R. J. Peterson (University of Colorado, Boulder), R. Pinkston, Ronald Poling (University of Minnesota), J. G. Potter, C. W. Price (Millersville University), Francis Prosser (University of Kansas), Shelden H. Radin, Michael Rapport (Anne Arundel Community College), R. Resnick, James A. Richards, Jr., John S. Risley (North Carolina State University), Francesc Roig (University of California, Santa Barbara), T. L. Rokoske, Richard Roth (Eastern Michigan University), Carl Rotter (University of West Virginia), S. Clark Rowland (Andrews University), Rajarshi Roy (Georgia Institute of Technology), Russell A. Roy (Santa Fe Community College), Dhiraj Sardar (University of Texas, San Antonio), Bruce Schumm (UC Santa Cruz), Melvin Schwartz (St. John’s University), F. A. Scott, L. W. Seagondollar, Paul Shand (University of Northern Iowa), Stan Shepherd (Pennsylvania State University), Douglas Sherman (San Jose State), Bruce Sherwood (Carnegie Mellon University), Hugh Siefkin (Greenville College), Tomasz Skwarnicki (Syracuse University), C. P. Slichter, Charles W. Smith (University of Maine, Orono), Malcolm Smith (University of Lowell), Ross Spencer (Brigham Young University), Julien Sprott (University of Wisconsin), Victor Stanionis (Iona College), James Stith (American Institute of Physics), Chuck Stone (North Carolina A&T State University), Edward Strother (Florida Institute of Technology), Conley Stutz (Bradley University), Albert Stwertka (U.S. Merchant Marine Academy),
  20. 20. Prefacio xviiMartin Tiersten (CUNY, City College), David Toot (Alfred University), Somdev Tyagi (Drexel Uni-versity), F. Verbrugge, Helmut Vogel (Carnegie Mellon University), Robert Webb (Texas A & M),Thomas Weber (Iowa State University), M. Russell Wehr, (Pennsylvania State University), RobertWeidman (Michigan Technical University), Dan Whalen (UC San Diego), Lester V. Whitney,Thomas Wiggins (Pennsylvania State University), David Willey (University of Pittsburgh,Johnstown), George Williams (University of Utah), John Williams (Auburn University), StanleyWilliams (Iowa State University), Jack Willis, Suzanne Willis (Northern Illinois University), RobertWilson (San Bernardino Valley College), L. Wolfenstein, James Wood (Palm Beach Junior College),Lowell Wood (University of Houston), R. E. Worley, D. H. Ziebell (Manatee Community College),George O. Zimmerman (Boston University)Además, nos gustaría hacer algunos agradecimientos individuales.Quiero dar gracias de todo corazón a mis colegas de Carnegie Mellon, en especial alos profesores Robert Kraemer, Bruce Sherwood, Ruth Chabay, Helmut Vogel yBrian Quinn, por las muchas conversaciones estimulantes sobre pedagogía de lafísica y su apoyo y ánimo durante la escritura de las ediciones sucesivas de este libro.También estoy en deuda con las muchas generaciones de estudiantes de CarnegieMellon que me ayudaron a aprender lo que es la buena enseñanza y la correcta escri-tura, al mostrarme lo que funciona y lo que no. Siempre es un gusto y un privilegioexpresar mi gratitud a mi esposa Alice y nuestros hijos Gretchen y Rebecca por suamor, apoyo y sostén emocional durante la escritura de las distintas dediciones dellibro. Que todos los hombres y mujeres sean bendecidos con un amor como el deellos. — H.D.Y. Me gustaría agradecer a mis colegas del pasado y el presente en UCSB, incluyendoa Rob Geller, Carl Gwinn, Al Nash, Elisabeth Nicol y Francesc Roig, por su apoyosincero y sus abundantes y útiles pláticas. Tengo una deuda de gratitud en especialcon mis primeros maestros Willa Ramsay, Peter Zimmerman, William Little, AlanSchwettman y Dirk Walecka por mostrarme qué es una enseñanza clara y cautivadorade la física, y con Stuart Johnson por invitarme a ser coautor de Física Universitaria apartir de la novena edición. Quiero dar gracias en especial al equipo editorial de Addi-son Wesley y a sus socios: Adam Black por su visión editorial; Margot Otway por sugran sentido gráfico y cuidado en el desarrollo de esta edición; a Peter Murphy y CarolReitz por la lectura cuidadosa del manuscrito; a Wayne Anderson, Charlie Hibbard,Laird Kramer y Larry Stookey por su trabajo en los problemas de final de capítulo; ya Laura Kenney, Chandrika Madhavan, Nancy Tabor y Pat McCutcheon por mantenerel flujo editorial y de producción. Agradezco a mi padre por su continuo amor y apoyoy por conservar un espacio abierto en su biblioteca para este libro. Sobre todo, expresomi gratitud y amor a mi esposa Caroline, a quien dedico mi contribución al libro. Hey,Caroline, al fin terminó la nueva edición. ¡Vámonos a volar! – R.A.F.Por favor, díganos lo que piensa…Son bienvenidos los comunicados de estudiantes y profesores, en especial sobreerrores y deficiencias que encuentren en esta edición. Hemos dedicado mucho tiempoy esfuerzo a la escritura del mejor libro que hemos podido escribir, y esperamos quele ayude a enseñar y aprender física. A la vez, usted nos puede ayudar si nos hacesaber qué es lo que necesita mejorarse… Por favor, siéntase en libertad para ponerseen contacto con nosotros por vía electrónica o por correo ordinario. Sus comentariosserán muy apreciados. Octubre de 2006 Hugh D. Young Roger A. Freedman Departamento de Física Departamento de Física Carnegie Mellon University University of California, Santa Barbara Pittsburgh, PA 15213 Santa Barbara, CA 93106-9530 hdy@andrew.cmu.edu airboy@physics.ucsb.edu http://www.physics.ucsb.edu/~airboy/
  21. 21. CONTENIDO 4.5 Tercera ley de Newton 123MECÁNICA 4.6 Diagramas de cuerpo libre 126 Resumen/Términos clave 129 Preguntas para análisis/Ejercicios 1 UNIDADES, CANTIDADES FÍSICAS Y VECTORES 1 Problemas 1.1 1.2 La naturaleza de la física Cómo resolver problemas en física 2 2 5 APLICACIÓN DE LAS LEYES DE NEWTON 136 1.3 Estándares y unidades 4 1.4 Consistencia y conversiones de unidades 6 5.1 Empleo de la primera ley de Newton: 1.5 Incertidumbre y cifras significativas 8 Partículas en equilibrio 136 1.6 Estimaciones y órdenes de magnitud 10 5.2 Empleo de la segunda ley de Newton: 1.7 Vectores y suma de vectores 11 Dinámica de partículas 142 1.8 Componentes de vectores 15 5.3 Fuerzas de fricción 149 1.9 Vectores unitarios 20 5.4 Dinámica del movimiento circular 1581.10 Producto de vectores 21 *5.5 Fuerzas fundamentales de la naturaleza 163 Resumen/Términos clave 27 Resumen/Términos clave 165 Preguntas para análisis/Ejercicios Preguntas para análisis/Ejercicios Problemas Problemas 2 MOVIMIENTO EN 6 TRABAJO Y ENERGÍA LÍNEA RECTA 36 CINÉTICA 181 2.1 Desplazamiento, tiempo y 6.1 Trabajo 182 velocidad media 37 6.2 Energía cinética y el teorema 2.2 Velocidad instantánea 39 trabajo-energía 186 2.3 Aceleración media e instantánea 43 6.3 Trabajo y energía con fuerza variable 192 2.4 Movimiento con aceleración constante 47 6.4 Potencia 199 2.5 Cuerpos en caída libre 53 Resumen/Términos clave 202*2.6 Velocidad y posición por integración 57 Preguntas para análisis/Ejercicios Resumen/Términos clave 60 Problemas Preguntas para análisis/Ejercicios Problemas 7 ENERGÍA POTENCIAL Y CONSERVACIÓN DE LA 3 MOVIMIENTO EN DOS O EN TRES DIMENSIONES 71 7.1 ENERGÍA Energía potencial gravitacional 213 214 3.1 Vectores de posición y velocidad 72 7.2 Energía potencial elástica 222 3.2 El vector de aceleración 74 7.3 Fuerzas conservativas y no conservativas 228 3.3 Movimiento de proyectiles 79 7.4 Fuerza y energía potencial 232 3.4 Movimiento en un círculo 87 7.5 Diagramas de energía 235 3.5 Velocidad relativa 91 Resumen/Términos clave 237 Resumen/Términos clave 96 Preguntas para análisis/Ejercicios Preguntas para análisis/Ejercicios Problemas Problemas 4 LEYES DEL MOVIMIENTO 8 MOMENTO LINEAL, IMPULSO Y CHOQUES 247 DE NEWTON 107 8.1 Momento lineal e impulso 247 4.1 Fuerza e interacciones 108 8.2 Conservación del momento lineal 253 4.2 Primera ley de Newton 111 8.3 Conservación del momento lineal 4.3 Segunda ley de Newton 115 y choques 257 4.4 Masa y peso 120 8.4 Choques elásticos 262
  22. 22. Contenido xix 8.5 Centro de masa 266 12.3 Energía potencial gravitacional 390*8.6 Propulsión a reacción 270 12.4 Movimiento de satélites 393 Resumen/Términos clave 273 12.5 Las leyes de Kepler y el movimiento Preguntas para análisis/Ejercicios de los planetas 396 Problemas *12.6 Distribuciones esféricas de masa 400 *12.7 Peso aparente y rotación terrestre 403 12.8 Agujeros negros 405 9 ROTACIÓN DE CUERPOS Resumen/Términos clave 410 RÍGIDOS 285 Preguntas para análisis/Ejercicios Problemas 9.1 Velocidad y aceleración angulares 285 9.2 Rotación con aceleración 9.3 angular constante Relación entre cinemática lineal 290 13 MOVIMIENTO PERIÓDICO 419 y angular 293 13.1 Descripción de la oscilación 419 9.4 Energía en el movimiento rotacional 296 13.2 Movimiento armónico simple 421 9.5 Teorema de los ejes paralelos 301 13.3 Energía en el movimiento*9.6 Cálculos de momento de inercia 303 armónico simple 428 Resumen/Términos clave 306 13.4 Aplicaciones del movimiento Preguntas para análisis/Ejercicios armónico simple 432 Problemas 13.5 El péndulo simple 436 13.6 El péndulo físico 438 13.7 Oscilaciones amortiguadas 440 13.8 Oscilaciones forzadas y resonancia 44210 DINÁMICA DEL MOVIMIENTO ROTACIONAL 316 Resumen/Términos clave 445 Preguntas para análisis/Ejercicios10.1 Torca 316 Problemas10.2 Torca y aceleración angular de un cuerpo rígido 31910.3 Rotación de un cuerpo rígido sobre un eje móvil 323 14 MECÁNICA DE FLUIDOS 45610.4 Trabajo y potencia en movimiento 14.1 Densidad 456 rotacional 329 14.2 Presión en un fluido 45810.5 Momento angular 331 14.3 Flotación 46310.6 Conservación del momento angular 333 14.4 Flujo de fluido 46610.7 Giróscopos y precesión 337 14.5 Ecuación de Bernoulli 468 Resumen/Términos clave 341 *14.6 Viscosidad y turbulencia 472 Preguntas para análisis/Ejercicios Resumen/Términos clave 476 Problemas Preguntas para análisis/Ejercicios Problemas11 EQUILIBRIO Y ELASTICIDAD 35411.1 Condiciones del equilibrio 355 ONDAS/ACÚSTICA11.2 Centro de gravedad 35511.3 Resolución de problemas de equilibrio 15 ONDAS MECÁNICAS 487 de cuerpos rígidos 358 15.1 Tipos de ondas mecánicas 48811.4 Esfuerzo, deformación y módulos 15.2 Ondas periódicas 489 de elasticidad 363 15.3 Descripción matemática de una onda 49211.5 Elasticidad y plasticidad 368 15.4 Rapidez de una onda transversal 498 Resumen/Términos clave 370 15.5 Energía del movimiento ondulatorio 502 Preguntas para análisis/Ejercicios 15.6 Interferencia de ondas, condiciones Problemas de frontera y superposición 505 15.7 Ondas estacionarias en una cuerda 50712 GRAVITACIÓN 383 15.8 Modos normales de una cuerda Resumen/Términos clave 511 51612.1 Ley de Newton de la gravitación 383 Preguntas para análisis/Ejercicios12.2 Peso 388 Problemas
  23. 23. xx Contenido16 SONIDO Y EL OÍDO 527 19 LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA 646 16.1 Ondas sonoras 527 19.1 Sistemas termodinámicos 646 16.2 Rapidez de las ondas sonoras 532 19.2 Trabajo realizado al cambiar 16.3 Intensidad del sonido 537 el volumen 647 16.4 Ondas sonoras estacionarias y 19.3 Trayectoria entre estados modos normales 541 termodinámicos 650 16.5 Resonancia 546 19.4 Energía interna y la primera ley 16.6 Interferencia de ondas 548 de la termodinámica 651 16.7 Pulsos 550 19.5 Tipos de procesos termodinámicos 656 16.8 El efecto Doppler 552 19.6 Energía interna de un gas ideal 658*16.9 Ondas de choque 558 19.7 Capacidad calorífica del gas ideal 659 Resumen/Términos clave 561 19.8 Proceso adiabático para el gas ideal 662 Preguntas para análisis/Ejercicios Resumen/Términos clave 665 Problemas Preguntas para análisis/Ejercicios ProblemasTERMODINÁMICA 20 LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA 67317 TEMPERATURA Y CALOR 570 20.1 Dirección de los procesos termodinámicos 673 17.1 Temperatura y equilibrio térmico 571 20.2 Máquinas térmicas 675 17.2 Termómetros y escalas de temperatura 572 20.3 Motores de combustión interna 678 17.3 Termómetros de gas y la escala Kelvin 574 20.4 Refrigeradores 680 17.4 Expansión térmica 576 20.5 La segunda ley de la termodinámica 682 17.5 Cantidad de calor 582 20.6 El ciclo de Carnot 684 17.6 Calorimetría y cambios de fase 586 20.7 Entropía 690 17.7 Mecanismos de transferencia de calor 591 *20.8 Interpretación microscópica de la entropía 697 Resumen/Términos clave 598 Resumen/Términos clave 700 Preguntas para análisis/Ejercicios Preguntas para análisis/Ejercicios Problemas Problemas18 PROPIEDADES TÉRMICAS DE LA MATERIA 610 Apéndices A-1 18.1 Ecuaciones de estado 611 Respuestas a los problemas con número impar A-9 18.2 Propiedades moleculares Créditos de fotografías C-1 de la materia 617 18.3 Modelo cinético-molecular Índice I-1 del gas ideal 619 18.4 Capacidades caloríficas 626*18.5 Rapideces moleculares 629 18.6 Fases de la materia 631 Resumen/Términos clave 635 Preguntas para análisis/Ejercicios Problemas

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