Física para ingeniería

1. VOLUMEN 1
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VOLUMEN 1
SERWAY JEWETT
FÍSICA
NOVENA EDICIÓN
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NOVENA EDICIÓN
para ciencias e ingeniería

2. N O V E N A
E D I C I Ó N
Física
para ciencias e ingeniería
Volumen 1
© Ashley Cooper/Corbis

4. Raymond A. Serway
Emeritus, James Madison University
John W. Jewett, Jr.
Emeritus, California State Polytechnic
University, Pomona
Con las contribuciones de Vahé Peroomian,
University of California en Los Angeles
Traducción
Dra. Ana Elizabeth García Hernández
Revisión técnica
Dr. Ernesto Filio López
Unidad Profesional en Ingeniería
y Tecnologías Aplicadas
Instituto Politécnico Nacional
N O V E N A
E D I C I Ó N
Física
para ciencias e ingeniería
Volumen 1
© Ashley Cooper/Corbis
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Física para ciencias e ingeniería
Volumen 1
Novena edición
5DPRQG$6HUZD-RKQ:-HZHWW-U
Presidente de Cengage Learning
Latinoamérica:
)HUQDQGR9DOHQ]XHOD0LJRD
Director Editorial, de Producción y de
Plataformas Digitales para Latinoamérica:
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Editora de Adquisiciones para Latinoamérica:
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Gerente de Manufactura para Latinoamérica:
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Editor:
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Diseño de portada:
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Imagen de portada:
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Composición tipográfica:
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9XQDRPSD³¯DGHHQJDJH/HDUQLQJ,QF
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Physics for Scientists and Engineers9ROXPH
9th Edition.
5DPRQG$6HUZD-RKQ-HZHWW-U
3XEOLFDGRHQLQJO«VSRU%URRNVROHXQDFRPSD³¯D
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6HUZD5DPRQG$-RKQ:-HZHWW-U
Física para ciencias e ingeniería
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,6%1
9LVLWHQXHVWURVLWLRHQ
KWWSODWLQRDPHULFDFHQJDJHFRP
978-607-519-200-0

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

7. P A R T E 1
Mecánica 1
1 Física y medición 2
2 Movimiento en una dimensión 21
3. Vectores 59
4 Movimiento en dos dimensiones 78
5 Las leyes del movimiento 111
6 Movimiento circular y otras aplicaciones de
las leyes de Newton 150
7 Energía de un sistema 177
8 Conservación de la energía 211
9 Cantidad de movimiento lineal y colisiones 247
10 Rotación de un objeto rígido en torno
a un eje fijo 293
11 Cantidad de movimiento angular 335
12 Equilibrio estático y elasticidad 363
13 Gravitación universal 388
14 Mecánica de fluidos 417
P A R T E 2
Oscilaciones y
ondas mecánicas 449
15 Movimiento oscilatorio 450
16 Movimiento ondulatorio 483
17 Ondas sonoras 507
18 Sobreposición y ondas estacionarias 533
P A R T E 3
Termodinámica 567
19 Temperatura 568
20 Primera ley de la termodinámica 590
21 Teoría cinética de los gases 626
22 Máquinas térmicas, entropía y segunda ley
de la termodinámica 653
vi
Contenido breve

8. vii
Acerca de los autores xi
Prefacio xiii
Al estudiante xxix
P A R T E 1
Mecánica 1
1 Física y medición 2
1.1 Estándares de longitud, masa y tiempo 3
1.2 Materia y construcción de modelos 6
1.3 Análisis dimensional 7
1.4 Conversión de unidades 9
1.5 Estimaciones y cálculos de orden de magnitud 10
1.6 Cifras significativas 11
2 Movimiento en una dimensión 21
2.1 Posición, velocidad y rapidez 22
2.2 Velocidad y rapidez instantáneas 25
2.3 Análisis de modelo: la partícula
bajo velocidad constante 28
2.4 Aceleración 31
2.5 Diagramas de movimiento 35
2.6 Análisis de modelo: la partícula
bajo aceleración constante 36
2.7 Objetos en caída libre 40
2.8 Ecuaciones cinemáticas deducidas del cálculo 43
3. Vectores 59
3.1 Sistemas coordenados 59
3.2 Cantidades vectoriales y escalares 61
3.3 Algunas propiedades de los vectores 62
3.4 Componentes de un vector y vectores unitarios 65
4 Movimiento en dos dimensiones 78
4.1 Vectores de posición, velocidad y aceleración 78
4.2 Movimiento en dos dimensiones
con aceleración constante 81
4.3 Movimiento de proyectil 84
4.4 Análisis de modelo: partícula en movimiento
circular uniforme 91
4.5 Aceleraciones tangencial y radial 94
4.6 Velocidad y aceleración relativas 96
5 Las leyes del movimiento 111
5.1 Concepto de fuerza 111
5.2 Primera ley de Newton y marcos inerciales 113
5.3 Masa 114
5.4 Segunda ley de Newton 115
5.5 Fuerza gravitacional y peso 117
5.6 Tercera ley de Newton 118
5.7 Análisis de modelos utilizando la segunda ley de Newton 120
5.8 Fuerzas de fricción 130
6 Movimiento circular y otras aplicaciones de
las leyes de Newton 150
6.1 Extensión de la partícula en el modelo
del movimiento circular uniforme 150
6.2 Movimiento circular no uniforme 156
6.3 Movimiento en marcos acelerados 158
6.4 Movimiento en presencia de fuerzas resistivas 161
7 Energía de un sistema 177
7.1 Sistemas y entornos 178
7.2 Trabajo realizado por una fuerza constante 178
7.3 Producto escalar de dos vectores 181
7.4 Trabajo realizado por una fuerza variable 183
7.5 Energía cinética y el teorema
trabajo-energía cinética 188
7.6 Energía potencial de un sistema 191
7.7 Fuerzas conservativas y no conservativas 196
7.8 Relación entre fuerzas conservativas
y energía potencial 198
7.9 Diagramas de energía y equilibrio de un sistema 199
8 Conservación de la energía 211
8.1 Análisis de modelo: sistema no aislado (energía) 212
8.2 Análisis de modelo: sistema aislado (energía) 215
8.3 Situaciones que incluyen fricción cinética 222
8.4 Cambios en la energía mecánica para
fuerzas no conservativas 227
8.5 Potencia 231
9 Cantidad de movimiento lineal y
colisiones 247
9.1 Cantidad de movimiento lineal 247
9.2 Análisis de modelo: sistema aislado
(cantidad de movimiento) 250
Contenido

9. viii Contenido
9.3 Análisis de modelo: sistema no aislado
(cantidad de movimiento) 252
9.4 Colisiones en una dimensión 256
9.5 Colisiones en dos dimensiones 264
9.6 El centro de masa 267
9.7 Sistemas de muchas partículas 272
9.8 Sistemas deformables 275
9.9 Propulsión de cohetes 277
10 Rotación de un objeto rígido en torno
a un eje fijo 293
10.1 Posición, velocidad y aceleración angular 293
10.2 Análisis de modelo: objeto rígido bajo aceleración
angular constante 296
10.3 Cantidades angulares y traslacionales 298
10.4 Momento de torsión 300
10.5 Análisis de modelo: objeto rígido bajo
un momento de torsión neto 302
10.6 Cálculo de momentos de inercia 307
10.7 Energía cinética rotacional 311
10.8 Consideraciones energéticas
en el movimiento rotacional 312
10.9 Movimiento de rodamiento de un objeto rígido 316
11 Cantidad de movimiento angular 335
11.1 Producto vectorial y momento de torsión 335
11.2 Análisis de modelo: sistema no aislado
(cantidad de movimiento angular) 338
11.3 Cantidad de movimiento angular
de un objeto rígido rotatorio 342
11.4 Análisis de modelo: sistema aislado
(cantidad de movimiento angular) 345
11.5 El movimiento de giroscopios y trompos 350
12 Equilibrio estático y elasticidad 363
12.1 Análisis de modelo: objeto rígido en equilibrio 363
12.2 Más acerca del centro de gravedad 365
12.3 Ejemplos de objetos rígidos
en equilibrio estático 366
12.4 Propiedades elásticas de los sólidos 373
13 Gravitación universal 388
13.1 Ley de Newton de gravitación universal 389
13.2 Aceleración en caída libre y fuerza gravitacional 391
13.3 Análisis de modelo: partícula
en un campo (gravitacional) 392
13.4 Las leyes de Kepler y el movimiento
de los planetas 394
13.5 Energía potencial gravitacional 400
13.6 Consideraciones energéticas en el
movimiento planetario y de satélites 402
14 Mecánica de fluidos 417
14.1 Presión 417
14.2 Variación de la presión con la profundidad 419
14.3 Mediciones de presión 423
14.4 Fuerzas de flotación y principio de Arquímedes 423
14.5 Dinámica de fluidos 427
14.6 Ecuación de Bernoulli 430
14.7 Otras aplicaciones de la dinámica de fluidos 433
P A R T E 2
Oscilaciones y
ondas mecánicas 449
15 Movimiento oscilatorio 450
15.1 Movimiento de un objeto unido a un resorte 450
15.2 Análisis de modelo: partícula en
movimiento armónico simple 452
15.3 Energía del oscilador armónico simple 458
15.4 Comparación de movimiento armónico simple
con movimiento circular uniforme 462
15.5 El péndulo 464
15.6 Oscilaciones amortiguadas 468
15.7 Oscilaciones forzadas 469
16 Movimiento ondulatorio 483
16.1 Propagación de una perturbación 484
16.2 Análisis de modelo: onda viajera 487
16.3 La rapidez de ondas sobre cuerdas 491
16.4 Reflexión y transmisión 494
16.5 Rapidez de transferencia de energía mediante
ondas sinusoidales sobre cuerdas 495
16.6 La ecuación de onda lineal 497
17 Ondas sonoras 507
17.1 Variaciones de presión en ondas sonoras 508
17.2 Rapidez de ondas sonoras 510
17.3 Intensidad de ondas sonoras periódicas 512
17.4 El efecto Doppler 517
18 Sobreposición y ondas estacionarias 533
18.1 Análisis de modelo: ondas en interferencia 534
18.2 Ondas estacionarias 538
18.3 Análisis de modelo: ondas bajo condiciones
de frontera 541
18.4 Resonancia 546
18.5 Ondas estacionarias en columnas de aire 546
18.6 Ondas estacionarias en barras y membranas 550
18.7 Batimientos: interferencia en el tiempo 550
18.8 Patrones de onda no sinusoidales 553
P A R T E 3
Termodinámica 567
19 Temperatura 568
19.1 Temperatura y ley cero de la termodinámica 568
19.2 Termómetros y escala de temperatura Celsius 570
19.3 Termómetro de gas a volumen constante
y escala absoluta de temperatura 571

10. Contenido ix
19.4 Expansión térmica de sólidos y líquidos 573
19.5 Descripción macroscópica de un gas ideal 578
20 Primera ley de la termodinámica 590
20.1 Calor y energía interna 590
20.2 Calor específico y calorimetría 593
20.3 Calor latente 597
20.4 Trabajo y calor en procesos termodinámicos 601
20.5 Primera ley de la termodinámica 603
20.6 Algunas aplicaciones de la primera ley
de la termodinámica 604
20.7 Mecanismos de transferencia de energía
en procesos térmicos 608
21 Teoría cinética de los gases 626
21.1 Modelo molecular de un gas ideal 627
21.2 Calor específico molar de un gas ideal 631
21.3 Equipartición de la energía 635
21.4 Procesos adiabáticos para un gas ideal 637
21.5 Distribución de rapideces moleculares 639
22 Máquinas térmicas, entropía y segunda ley
de la termodinámica 653
22.1 Máquinas térmicas y segunda ley
de la termodinámica 654
22.2 Bombas de calor y refrigeradores 656
22.3 Procesos reversibles e irreversibles 659
22.4 La máquina de Carnot 660
22.5 Motores de gasolina y diesel 665
22.6 Entropía 667
22.7 Cambios de entropía en sistemas termodinámicos 671
22.8 Entropía y la segunda ley 676
Apéndices
A Tablas A-1
A.1 Factores de conversión A-1
A.2 Símbolos, dimensiones y unidades de cantidades físicas A-2
B Repaso matemático A-4
B.1 Notación científica A-4
B.2 Álgebra A-5
B.3 Geometría A-10
B.4 Trigonometría A-11
B.5 Desarrollo de series A-13
B.6 Cálculo diferencial A-13
B.7 Cálculo integral A-16
B.8 Propagación de incertidumbre A-20
C Tabla periódica de los elementos A-22
D Unidades del SI A-24
D.1 Unidades del SI A-24
D.2 Algunas unidades del SI deducibles A-24
Respuestas a exámenes rápidos y problemas
con numeración impar A-25
Índice I-1

12. Raymond A. Serway recibió su doctorado en el Illinois Institute of Technology
y es profesor emérito en la James Madison University. En 2011 fue galardonado con
un doctorado honorario por parte de su alma mater, Utica College. En 1990 recibió
el Madison Scholar Award en la James Madison University, donde enseñó durante 17
años. El doctor Serway comenzó su carrera docente en la Clarkson University, donde
dirigió investigaciones y enseñó de 1967 a 1980. En 1977 recibió el Distinguished
Teaching Award en la Clarkson University y el Alumni Achievement Award del Utica
College en 1985. Como científico invitado en el IBM Research Laboratory en Zurich,
Suiza, trabajó con K. Alex Müller, ganador del premio Nobel 1987. El doctor Serway
también fue científico visitante en el Argonne National Laboratory, donde colaboró
con su mentor y amigo, Sam Marshall. Además, el doctor Serway es coautor de College
Physics, novena edición; Principles of Physics, quinta edición; Essentials of College Physics y
Modern Physics, tercera edición. También es coautor del libro de bachillerato Physics,
publicado por Holt, Rinehart y Winston. Además, el doctor Serway ha publicado más de 40 artículos de investigación en
el campo de física de materia condensada y ha impartido más de 60 conferencias en reuniones profesionales. El doctor
Serway y su esposa, Elizabeth, disfrutan viajar, jugar al golf, pescar, acampar cantar en un coro de iglesia y pasar tiempo de
calidad con sus cuatro hijos y diez nietos, y recientemente, otro grandioso nieto.
John W. Jewett, Jr. obtuvo su licenciatura en Física en la Drexel University y su
doctorado en la Ohio State University, con especialidad en las propiedades ópticas y
magnéticas de la materia condensada. El doctor Jewett comenzó su carrera académica
en el Richard Stockton College de Nueva Jersey, donde enseñó de 1974 a 1984. En
la actualidad es profesor emérito de física en la California State Polytechnic Univer-
sity, en Pomona. A lo largo de su carrera docente, el doctor Jewett ha sido un activo
promotor de la educación en ciencias físicas. Además de recibir cuatro becas Natio-
nal Science Foundation, ayudó a fundar y dirigir el Southern California Area Modern
Physics Institute (SCAMPI) y el Science IMPACT (Institute of Modern Pedagogy and
Creative Teaching), que trabaja con profesores y escuelas para desarrollar currícula
efectiva en ciencia. Los premios del doctor Jewett incluyen el Stockton Merit Award en
el Richard Stockton College en 1980, el Outstanding Professor Award en la California
State Polythecnic University de 1991-1992 y el Excellence in Undergraduate Physics Teaching Award de la American Asso-
ciation of Physics Teachers (AAPT) en 1998. Ha impartido más de 100 conferencias en reuniones profesionales, incluidas
conferencias en la AAPT. También ha publicado 25 artículos sobre física de la materia condensada e investigaciones en
la enseñanza de la física. Además es autor de The World of Physics: Mysteries, Magic and Myth, el cual proporciona un gran
número de conexiones entre la física y las experiencias cotidianas. Aparte de su trabajo en este libro, es coautor de Prin-
ciples of Physics, quinta edición, así como de Global Issues, un conjunto de cuatro manuales de ciencia integral para educa-
ción secundaria. Al doctor Jewett le gusta tocar piano con su banda de físicos, viajar, la fotografía submarina, las lenguas
extranjeras y coleccionar antigüedades que se puedan usar como aparatos de demostración en clases de física. Lo más
importante, le gusta pasar el tiempo con su esposa, Lisa, sus hijos y nietos.
Acerca de los autores
xi

14. xiii
Prefacio
Al escribir esta novena edición de Física para ciencias e ingeniería, continuamos con
nuestros esfuerzos por mejorar la claridad de la presentación e incluir nuevas carac-
terísticas pedagógicas que ayudan a apoyar los procesos de aprendizaje y enseñanza.
Al retroalimentar las sugerencias de los usuarios de la octava edición, información
obtenida de los alumnos y profesores que utilizan los suplementos digitales, así como
de los revisores, hemos clarificado el texto para satisfacer mejor las necesidades de
los estudiantes y profesores.
Este libro está pensado para un curso introductorio de física para estudiantes que
se especializan en ciencia o ingeniería. Todo el contenido del libro en su versión
amplia podría cubrirse en un curso de tres semestres, pero es posible usar el mate-
rial en secuencias más breves con la omisión de capítulos y subtemas seleccionados.
Los antecedentes matemáticos ideales de los estudiantes que tomen este curso deben
incluir un semestre de cálculo. Si esto no es posible, el estudiante debe inscribirse en
un curso simultáneo de introducción al cálculo.
Contenido
El material en este libro cubre temas fundamentales de física clásica y proporciona
una introducción a la física moderna. El libro se divide en seis partes. La Parte 1
(capítulos 1 a 14) se relaciona con los fundamentos de la mecánica newtoniana y la
física de fluidos; la Parte 2 (capítulos 15 a 18) cubre oscilaciones, ondas mecánicas
y sonido; la Parte 3 (capítulos 19 a 22) aborda el calor y la termodinámica. La Par-
te 4 (capítulos 23 a 34) trata la electricidad y el magnetismo; la Parte 5 (capítulos 35
a 38) cubre luz y óptica; la Parte 6 (capítulos 39 a 46) aborda la relatividad y la física
moderna.
Objetivos
Este libro de introducción a la física tiene tres objetivos principales: proporcionar
al estudiante una presentación clara y lógica de los conceptos básicos y principios
de la física, fortalecer la comprensión de los conceptos y principios a través de un
amplio rango de interesantes aplicaciones al mundo real y desarrollar habilidades
para resolver problemas por medio de un enfoque efectivamente organizado. Para
alcanzar estos objetivos hemos enfatizado en argumentos físicos sólidos y en una
metodología para resolver problemas. Al mismo tiempo hemos intentado motivar al
estudiante mediante ejemplos prácticos que demuestren el papel de la física en otras
disciplinas, incluidas ingeniería, química y medicina.
Cambios en la novena edición
Para preparar la novena edición de este texto se hicieron muchos cambios y mejo-
ras. Algunas de las nuevas características se basan en nuestras experiencias y en las
tendencias actuales en educación en ciencia. Otros cambios se incorporaron en res-
puesta a comentarios y sugerencias ofrecidos por los usuarios de la octava edición y

15. xiv Prefacio
por revisores del manuscrito. Las características que se mencionan aquí representan
los principales cambios en la novena edición.
Integración mejorada del enfoque Análisis de modelos para resolver problemas. Los estu-
diantes se enfrentan a cientos de problemas durante sus cursos de física. Un número
relativamente pequeño de los principios fundamentales forman la base de estos pro-
blemas. Cuando se enfrentan a un nuevo problema, el físico elabora un modelo del
problema que se puede resolver de una manera sencilla mediante la identificación
del principio fundamental que es aplicable en el problema. Por ejemplo, muchos
de los problemas implican la conservación de la energía, la segunda ley de New-
ton o ecuaciones cinemáticas. Debido a que el físico ha estudiado extensivamente
estos principios y su aplicación extensiva, él o ella puede aplicar este conocimiento
como un modelo para la solución de un problema nuevo. Aunque sería ideal para los
estudiantes seguir este mismo proceso, la mayoría de ellos tienen dificultades para
familiarizarse con toda la paleta de los principios fundamentales que están disponi-
bles. Es más fácil para los estudiantes identificar una situación más que un principio
fundamental.
El enfoque Análisis de modelo que tratamos en esta revisión establece un conjunto
estándar de las situaciones que aparecen en la mayoría de los problemas de la física.
Estas situaciones se basan en una entidad en uno de los cuatro modelos de simpli-
ficación: partícula, sistema, objeto rígido y onda. Una vez identificado el modelo
de simplificación, el estudiante piensa acerca de lo que la entidad está haciendo o
cómo interactúa con su entorno. Esto lo lleva a identificar un análisis de modelo
particular para el problema. Por ejemplo, si un objeto cae, el objeto se reconoce
como una partícula experimentando una aceleración debida a la gravedad que es
constante. El estudiante ha aprendido que el análisis de modelo de una partícula bajo la
aceleración constante describe esta situación. Además, este modelo tiene un pequeño
número de ecuaciones asociadas con él para su uso en los problemas de inicio, las
ecuaciones cinemáticas presentadas en el capítulo 2. Por lo tanto, la comprensión
de la situación ha dado lugar a un análisis de modelo, que a su vez se identifica con
un número muy reducido de ecuaciones para comenzar el problema, en lugar de los
miles de ecuaciones que los estudiantes ven en el texto. De esta manera, el uso de
Análisis de modelo conduce al estudiante a identificar el principio fundamental. A
medida que el estudiante adquiere más experiencia, él o ella se inclinan menos en el
enfoque de Análisis de modelo y comienzan a identificar directamente los principios
fundamentales.
Para integrar mejor el enfoque análisis de modelo para esta edición, los recua-
dros Análisis de modelo descriptivo se han agregado al final de cualquier sección
que introduce un nuevo análisis de modelo. Esta característica resume el análisis de
modelo presentado en la sección y proporciona ejemplos de los tipos de problemas
que un estudiante puede resolver utilizando el análisis de modelo. Estos recuadros
funcionan como una “actualización” antes de que los estudiantes vean los Análisis de
modelo utilizados en los ejemplos prácticos para una sección dada.
Los ejemplos resueltos en el texto que utilizan los Análisis de modelo han sido
señalados con un icono de AM para facilitar la referencia. Las soluciones de estos
ejemplos integran el enfoque de análisis de modelo para la resolución de problemas.
El enfoque se ve reforzado aún más en el resumen de fin de capítulo bajo el título
Análisis de modelos para resolver problemas.
Cambios capítulo por capítulo
La siguiente lista destaca los principales cambios en la Novena edición.
Capítulo 2
r En la sección 2.3 se ha incluido una nueva introducción al concepto de Análisis de
modelo.

16. Prefacio xv
r En las secciones 2.3 y 2.6 se han agregado tres recuadros Análisis de modelo
descriptivo.
r Se han revisado varias secciones de texto para hacer referencias más explícitas a
los Análisis de modelo.
Capítulo 4
r Se ha agregado un recuadro Análisis de modelo descriptivo en la sección 4.6.
r Se han revisado varias secciones de texto para hacer referencias más explícitas a
los Análisis de modelo.
Capítulo 5
r Se han agregado dos recuadros Análisis de modelo descriptivo en la sección 5.7.
r Se han modificado varios ejemplos para que los valores numéricos sólo se pongan
al final de la solución.
r Se han revisado varias secciones de texto para hacer más explícitas las referencias
a los Análisis de modelo.
Capítulo 6
r Se ha agregado un recuadro Análisis de modelo descriptivo en la sección 6.1.
r Se han modificado varios ejemplos para que los valores numéricos se pongan sólo
al final de la solución.
Capítulo 7
r Se aclaró la notación de trabajo realizado sobre un sistema externamente e inter-
namente dentro de un sistema.
r Las ecuaciones y las discusiones de varias secciones se han modificado para mos-
trar claramente las comparaciones con las ecuaciones de energía potencial simila-
res en diferentes situaciones.
Capítulo 8
r Se han agregado dos recuadros Análisis de modelo descriptivo en las secciones 8.1
y 8.2.
r La estrategia para resolución de problemas en la sección 8.2 ha sido reformulada
para considerar una aplicación más general tanto para sistemas aislados como no
aislados.
r Como resultado de una sugerencia de un equipo PER de la Universidad de Wa-
shington y de la Universidad del Estado de Pennsylvania, se ha reescrito el ejemplo
8.1 para mostrar a los estudiantes el efecto de elegir diferentes sistemas en el desa-
rrollo de la solución.
r Se han reescrito todos los ejemplos del capítulo para comenzar directamente con
la ecuación 8.2 en lugar de empezar con el formato de Ei 5 Ef.
r Se han modificado varios ejemplos para que los valores numéricos se coloquen
sólo al final de la solución.
r Se ha eliminado la estrategia para resolver problemas de la sección 8.4 y se revisó
el material del texto para incorporar estas ideas al manejo de cambios de energía
cuando actúan fuerzas no conservativas.
r Se han revisado varias secciones del texto para hacer referencias más explícitas a
los Análisis de modelo.
Capítulo 9
r En la sección 9.3 se han agregado dos recuadros Análisis de modelo descriptivo.
r Se han modificado varios ejemplos para que los valores numéricos sean puestos
sólo al final de la solución.

17. xvi Prefacio
Capítulo 10
r Se modificó el orden de cuatro secciones (10.4–10.7) con el fin de introducir el
momento de inercia a través del momento de torsión (en lugar de energía) y se
juntaron las dos secciones de energía. Las secciones se han revisado considerando
el desarrollo de los conceptos revisados. Esta revisión hace que el orden del enfo-
que sea similar al orden que se sigue con los estudiantes que ya han visto el movi-
miento de traslación.
r Se han agregado nuevos párrafos introductorios en varias secciones para mostrar
cómo el desarrollo de nuestro análisis del movimiento de rotación es paralelo al
que se siguió en el movimiento de traslación.
r Se han agregado dos recuadros Análisis de modelo descriptivo en las secciones
10.2 y 10.5.
r Se han revisado varias secciones de texto para hacer referencias más explícitas a
los Análisis de modelo.
Capítulo 11
r Se agregaron dos recuadros Análisis de modelo descriptivo en las secciones 11.2 y
11.4.
r Se revisaron las ecuaciones de conservación de la cantidad de movimiento angular
para presentarse como DL 5 (0 o tdt) con el fin de ser coherentes con el método
del capítulo 8 para la conservación de la energía y del capítulo 9 para la conserva-
ción de la cantidad de movimiento lineal.
Capítulo 12
r Se agregó un recuadro Análisis de modelo descriptivo en la sección 12.1.
r Se modificaron varios ejemplos para que los valores numéricos sean puestos sólo al
final de la solución.
Capítulo 13
r Las secciones 13.3 y 13.4 se han intercambiado para proporcionar un mejor flujo
de conceptos.
r Se ha introducido un nuevo Análisis de modelo: Partícula en un campo (gravitacio-
nal). Este modelo se introduce porque representa una situación física que ocurre a
menudo. Además, el modelo se introduce para anticipar la importancia de las ver-
siones de este modelo posteriormente en electricidad y magnetismo, donde es aún
más crítico. Se ha agregado un recuadro Análisis de modelo descriptivo en la sec-
ción 13.3. Además, se ha agregado una nueva sección de resumen al final del capí-
tulo, y el material del texto se ha revisado para hacer referencia al nuevo modelo.
r La descripción de los objetivos históricos del experimento de Cavendish en 1798 se
ha revisado para que sea más coherente con la intención original de Cavendish y el
conocimiento disponible en el momento del experimento.
r Se han agregado objetos recién descubiertos del cinturón de Kuiper en la sec-
ción 13.4.
r Se ha modificado el material del texto para hacer una conexión más fuerte con los
Análisis de modelo, especialmente en las secciones de energía 13.5 y 13.6.
r Se han revisado todas las ecuaciones de conservación para presentarse con el cam-
bio en el sistema por un lado y la transferencia a través de la frontera por el otro,
para ser coherentes con el método de los capítulos anteriores para la conservación
de energía, conservación de la cantidad de movimiento lineal y conservación de la
cantidad de movimiento angular.
Capítulo 14
r Se han revisado varias secciones textuales para hacer referencias más explícitas a
Análisis de modelo.
r Se han modificado varios ejemplos para colocar los valores numéricos sólo al final
de la solución.

18. Prefacio xvii
Capítulo 15
r Se ha agregado un recuadro Análisis de modelo descriptivo en la sección 15.2.
r Se han revisado varias secciones del texto para hacer referencias más explícitas al
Análisis de modelo.
Capítulo 16
r Se ha agregado un nuevo recuadro Análisis de modelo descriptivo en la sec-
ción 16.2.
r En la sección 16.3 se ha reescrito totalmente la deducción de la velocidad de una
onda en una cuerda, para mejorar el desarrollo lógico.
Capítulo 18
r Se han agregado dos recuadros Análisis de modelo descriptivo, en las secciones
18.1 y 18.3.
Capítulo 19
r Se han modificado varios ejemplos para que los valores numéricos sean puestos
sólo al final de la solución.
Capítulo 20
r Se revisó la sección 20.3 para enfatizar el enfoque de sistemas.
Capítulo 21
r Una nueva introducción a la sección 21.1 establece el concepto de los modelos estruc-
turales que se utilizan en este capítulo y en los siguientes capítulos para describir
los sistemas que son demasiado grandes o demasiado pequeños para observarse
directamente.
r Se han numerado quince nuevas ecuaciones y se han renumerado todas las ecua-
ciones del capítulo. Esta nueva numeración de ecuaciones permite que sea más
fácil y más eficiente referenciarlas en el desarrollo de la teoría cinética.
r Se ha invertido el orden de las secciones 21.3 y 21.4 para proporcionar una discu-
sión más continua de los calores específicos de los gases.
Capítulo 22
r En la sección 22.4 la discusión del teorema de Carnot se ha reescrito y ampliado, se
agregó una nueva figura que está conectada con la prueba del teorema.
r El material en las secciones 22.6, 22.7 y 22.8 se ha reorganizado por completo,
reordenado y reescrito. Se ha eliminado el concepto de entropía como medida
del desorden en favor de ideas más contemporáneas de la literatura de educación
física en entropía y su relación con conceptos como incertidumbre, falta de infor-
mación y dispersión de energía.
r Se han añadido dos nuevos prevenciones de riesgos en la sección 22.6 para ayudar
a los estudiantes a comprender la entropía.
r Se ha agregado un nuevo argumento para la equivalencia del enunciado de la
segunda ley de entropía y los enunciados de Clausius y Kelvin–Planck en la sección
22.8.
r Se han agregado dos nuevas secciones de resumen relativas a la discusión de la
revisión de entropía.
Características del texto
La mayoría de los instructores cree que el libro seleccionado para un curso debe ser
la principal guía del estudiante para entender y aprender la materia de estudio. Ade-
más, el libro debe tener un estilo accesible y estar escrito para facilitar la instrucción
y el aprendizaje. Con estos puntos en mente hemos incluido muchas características
pedagógicas que se mencionan a continuación y tienen la intención de mejorar su
utilidad tanto a estudiantes como a instructores.

19. xviii Prefacio
Resolución de problemas y comprensión conceptual
Estrategia general para resolver problemas. Al final del capítulo 2 (páginas 45–47) se
perfila una estrategia general a seguir por los estudiantes que les proporciona un
proceso estructurado para resolver problemas. En los capítulos restantes la estrate-
gia se emplea explícitamente en cada ejemplo, de modo que los estudiantes apren-
den cómo se aplica y son animados a seguir esta estrategia cuando trabajan con los
problemas de final de capítulo.
Ejemplos resueltos. Todos los ejemplos en el texto se presentan en un formato de dos
columnas para reforzar mejor los conceptos físicos. La columna izquierda muestra
información textual que describe las etapas para resolver el problema. La columna
derecha muestra las operaciones matemáticas y los resultados de seguir dichos pasos.
Esta presentación facilita la concordancia del concepto con su ejecución matemática
y ayuda a los estudiantes a organizar su trabajo. Dichos ejemplos reconstituidos
siguen de cerca una Estrategia General para Resolver Problemas que se introduce
en el capítulo 2 para reforzar hábitos efectivos para resolver problemas. En la página
siguiente encontrará una muestra de un ejemplo resuelto.
Los ejemplos son de dos tipos. El primer tipo de ejemplo (y el más común) pre-
senta un problema y respuesta numérica. El segundo tipo de ejemplo es conceptual
en naturaleza. Para dar énfasis a la comprensión de los conceptos físicos, los muchos
ejemplos conceptuales se etiquetan como tales, se ponen en recuadros y están dise-
ñados para enfocar a los estudiantes en la situación física del problema. Los ejem-
plos resueltos en el texto que utilizan los análisis de modelos han sido señalados con
un icono de AM para facilitar su consulta y las soluciones de estos ejemplos ya inte-
gran más a fondo el enfoque de análisis de modelo para la resolución de problemas.
Con base en la retroalimentación de los revisores de la Octava edición, hemos hecho
revisiones cuidadosas para los ejemplos resueltos de manera que las soluciones se
presentan simbólicamente, en la medida de lo posible, con los valores numéricos
sustituidos al final. Este enfoque ayudará a los estudiantes a pensar simbólicamente
cuando resuelven problemas en lugar de la inserción innecesaria de números en
ecuaciones intermedias.
¿Qué pasaría si? Aproximadamente un tercio de los ejemplos del texto contienen
una condicional ¿Qué pasaría si? Al completar la solución del ejemplo, una pregunta
¿Qué pasaría si? ofrece una variación en la situación planteada en el texto del ejem-
plo. Esta característica alienta a los estudiantes a pensar acerca de los resultados
del ejemplo; también ayuda en la interpretación conceptual de los principios. Las
preguntas ¿Qué pasaría si? también preparan a los estudiantes para encontrar pro-
blemas novedosos que se presenten en los exámenes. Algunos de los problemas de
fin de capítulo también incluyen esta característica.
Exámenes rápidos. Los exámenes rápidos proporcionan a los estudiantes una opor-
tunidad para poner a prueba su comprensión de los conceptos físicos presentados.
Las preguntas piden a los estudiantes tomar decisiones de acuerdo a un razona-
miento firme y algunas de las preguntas se escribieron para ayudar a los estudiantes
a superar interpretaciones equívocas comunes. Los exámenes rápidos se presentan
en un formato objetivo, que incluyen opción múltiple, verdadero–falso y de clasifi-
cación. Las respuestas a todos los exámenes rápidos se encuentran al final del texto.
Muchos instructores prefieren usar tales preguntas en un estilo de enseñanza de
“instrucción por búsqueda” o con el uso de sistema de respuesta personal “clickers”,
pero también se pueden usar en formato de examen estándar. Enseguida se muestra
un ejemplo de examen rápido.
E xamen rápido 7.5 Un dardo se carga en una pistola de resorte al comprimir a éste
por una distancia x. En la segunda carga, al resorte se le comprime una distancia 2x.
¿Qué tan rápido, comparado con el primero, el segundo dardo abandona la pistola?
(a) Cuatro veces más, (b) dos veces más, (c) igual, (d) la mitad, (e) la cuarta parte.
E

20. Prefacio xix
Prevenciones de riesgos ocultos. Más de doscientas Prevenciones de riesgos ocultos se
proporcionan para ayudar a los estudiantes a evitar errores y malas interpretaciones
comunes. Estas características, que se colocan en los márgenes del texto, abordan
tanto malas interpretaciones estudiantiles comunes como situaciones en que los
estudiantes con frecuencia siguen rutas improductivas.
Resúmenes. Cada capítulo contiene un resumen que revisa los conceptos y ecuaciones
importantes explicadas en dicho capítulo. El resumen se divide en tres secciones:
Definiciones, Conceptos y principios, y Análisis de modelos para resolver problemas.
En cada sección, recuadros tipo ficha de estudio se enfocan en cada definición, con-
cepto, principio o análisis del modelo por separado.
Prevención de riesgos
ocultos 16.2
Dos tipos de rapidez/velocidad No
confunda v, la rapidez de la onda
mientras se propaga a lo largo
de la cuerda, con vy, la velocidad
transversal de un punto en la
cuerda. La rapidez v es constante
para un medio uniforme, mien-
tras que vy varía sinusoidalmente.
Cada solución se
reorganizó para
seguir de cerca la
Estrategia Gene-
ral para Resolver
Problemas que se
resalta en las pági-
nas 45–47 del capí-
tulo 2, para refor-
zar buenos hábitos
en la solución de
problemas.
Cada paso de la
solución se detalla
en un formato de
dos columnas. La
columna izquierda
proporciona una
explicación para
cada paso matemá-
tico de la columna
derecha, para
reforzar mejor los
conceptos físicos.
Ejemplo 3.2 Un viaje de vacaciones
Un automóvil viaja 20.0 km al Norte y luego a 35.0 km
en una dirección 60.0° al noroeste, como se muestra en
la figura 3.11a. Encuentre la magnitud y dirección del
desplazamiento resultante del automóvil.
Conceptualizar Los vectores A
S
y B
S
dibujados en la
figura 3.11a ayudan a conceptualizar el problema. Tam-
bién se ha dibujado el vector resultante R
S
. Esperamos
que su magnitud sea de unas pocas decenas de kilóme-
tros. El ángulo b que hace que el vector resultante con
el eje y se espera que sea menos de 60°, el ángulo que el
vector B
S
hace con el eje y.
Categorizar Este ejemplo se puede clasificar como un simple problema de análisis acerca de suma vectorial. El desplazamien-
to R
S
es la resultante cuando se suman los dos desplazamientos individuales A
S
y B
S
. Además, se puede clasificar como un pro-
blema acerca del análisis de triángulos, así que se acude a la experiencia en geometría y trigonometría.
Analizar En este ejemplo se muestran dos formas para analizar el problema de encontrar la resultante de dos vectores. La pri-
mera es resolver el problema mediante la geometría, con el uso de papel graficado y un transportador para medir la magnitud
de R
S
y su dirección en la figura 3.11a. (De hecho, aun cuando sepa que va a realizar un cálculo, debe bosquejar los vectores
para comprobar sus resultados.) Con una regla y transportador ordinarios, típicamente un buen diagrama da respuestas con
dos dígitos pero no con una precisión de tres dígitos. ¡Intente usar estas herramientas en R
S
en la figura 3.11a y compare con el
análisis trigonométrico que se muestra a continuación!
La segunda forma de resolver el problema es analizarlo con álgebra. La magnitud de R
S
se obtiene a partir de la ley de cose-
nos, tal como se aplica al triángulo en la figura 3.11a (véase el Apéndice B.4).
S O L U C I Ó N
Aplique R2 A2 B2 2AB cos u de la ley de cosenos para
encontrar R:
R 5 A2
1 B2
2 2AB cos u
y (km)
40
20
60.0
x (km)
0
y (km)
20
x (km)
0
20
20
40
b
b
u
E
N
S
W
A
S
B
S
R
S
A
S
B
S
R
S
a b
Figura 3.11 (Ejemplo 3.2) (a) Método gráfico para encontrar el vector
de desplazamiento resultante R
S
5 A
S
1 B
S
. (b) Sumando los vectores en
orden inverso 1 B
S
1 A
S
2 da el mismo resultado para R
S
Sustituya valores numéricos y note que u 180° 60°
120°:
R 5 120.0 km22
1 135.0 km22
2 2120.0 km2 135.0 km2 cos 1208
5 48.2 km
Aplique la ley de senos (Apéndice B.4) para encontrar la
dirección de R
S
medida desde la dirección norte:
sin b
B
5
sin u
R
sin b 5
B
R
sin u 5
35.0 km
48.2 km
sin 1208 5 0.629
b 5 38.9°
El desplazamiento resultante del automóvil es 48.2 km, con una dirección de 38.9° al noroeste.
Finalizar ¿El ángulo b que se calculó, concuerda con una
estimación realizada al observar la figura 3.11a o con un
ángulo real medido del diagrama con el uso del método de
la poligonal? ¿Es razonable que la magnitud de R
S
sea mayor
que la de A
S
y B
S
? ¿Las unidades de R
S
son correctas?
Aunque el método de la poligonal para sumar vectores
funciona bien, tiene dos desventajas. Primera, algunas per-
sonas encuentran abrumador el uso de las leyes de cose-
nos y senos. Segunda, sólo resulta un triángulo si suma dos
vectores. Si suma tres o más vectores, la forma geométrica
resultante no es un triángulo. En la sección 3.4 se explora
un nuevo método para sumar vectores que abordará estas
dos desventajas.
Suponga que el viaje se realiza considerando los dos vectores en orden inverso: 35.0 km con dirección
60.0° al noroeste primero y después 20.0 km al Norte. ¿Cómo cambiarían la magnitud y dirección del vector resultante?
Respuesta No cambiarían. La ley conmutativa para la suma vectorial dice que el orden de los vectores en una suma es irre-
levante. Gráficamente, la figura 3.11b muestra que los vectores sumados en orden inverso proporcionan el mismo vector
resultante.
¿QUÉ PASARÍA SI?
sen b
sen b
sen u
sen u sen

21. xx Prefacio
Preguntas y problemas. Para la Novena edició, los autores revisaron cada una de las
preguntas y problemas e incorporaron revisiones diseñadas para mejorar su claridad
y calidad. Cerca de 10% de las preguntas y problemas son nuevos en esta edición.
Preguntas. La sección de preguntas está a su vez dividida en dos secciones: Preguntas
objetivas y Preguntas conceptuales. El instructor puede seleccionar entre ellas para asig-
nar tareas en casa o en el salón de clase, posiblemente con métodos de “discusión
por parejas de alumnos”. En esta edición se incluyen más de novecientas preguntas
objetivas y conceptuales. Las respuestas a preguntas seleccionadas se incluyen en el
Manual de soluciones del estudiante/Guía de estudio (a la venta únicamente en inglés)
y las respuestas a todas las preguntas se encuentran en el Manual de soluciones del
instructor.
Preguntas objetivas: son preguntas de tipo opción múltiple, verdadero-falso, clasifica-
ción o cualquier otro. Algunas requieren cálculos diseñados para facilitar la fami-
liaridad de los estudiantes con las ecuaciones, las variables utilizadas, los conceptos
que las variables representan y las relaciones entre los conceptos. Otras son más con-
ceptuales en su naturaleza y están diseñadas para estimular el pensamiento
conceptual. Las preguntas objetivas también se escriben con el usuario del sistema
de respuesta personal en mente y la mayoría de las preguntas pueden ser fácilmente
utilizadas en estos sistemas.
Preguntas conceptuales: son preguntas más tradicionales de respuesta corta y de tipo
ensayo que requieren que los estudiantes piensen conceptualmente sobre una situa-
ción física.
Problemas. Al final de cada capítulo se incluye un extenso conjunto de problemas;
en total, el texto contiene aproximadamente 3 700 problemas. Las respuestas a los
problemas con número impar se proporcionan al final del libro. Las soluciones com-
pletas de aproximadamente un 20% de los problemas se incluyen en el Manual de
soluciones del estudiante/Guía de estudio (a la venta únicamente en inglés) y las respues-
tas a todas las preguntas se encuentran en el Manual de soluciones del instructor.
Los problemas de fin de capítulo están organizados por secciones (casi dos ter-
cios de los problemas tienen claves referentes a secciones específicas del capítulo).
Dentro de cada sección, los problemas ahora son la “plataforma” de los estudiantes
para un pensamiento de orden superior mediante la presentación de todos los pro-
blemas sencillos de la primera sección, seguido de los problemas intermedios. (La
numeración para problemas sencillos se imprime en negro, para problemas de nivel
intermedio en azul). La sección de problemas adicionales contiene problemas que
no se amoldan a la sección específica. Al final de cada capítulo está la sección de
Problemas de desafío que reúne los problemas de mayor dificultad de algún lugar en
un capítulo dado (los problemas de este tipo están marcados en rojo).
Problemas cuantitativos/conceptuales: contienen partes que piden a los estudiantes pen-
sar tanto cuantitativa como conceptualmente. A continuación se muestra un ejem-
plo de este tipo de problemas:
Los incisos (a)–(c) requieren
cálculos cuantitativos.
El inciso (d) es una pregunta
conceptual acerca de la
situación del problema.
59. Un resorte horizontal unido a una pared tiene una cons-
tante de fuerza k 5 850 N/m. Un bloque de masa m 5 1.00
kg se une al resorte y descansa sobre una superficie hori-
zontal sin fricción, como en la figura P8.59. (a) El bloque
se jala a una posición xi 5 6.00 cm desde la posición de
equilibrio y se suelta. Encuentre la energía potencial elás-
tica almacenada en el resorte cuando el bloque está a 6.00
cm de la posición de equilibrio y cuando el bloque pasa
por la posición de equilibrio. (b) Encuentre la rapidez del
bloque cuando pasa por el punto de equilibrio. (c) ¿Cuál es
la rapidez del bloque cuando está en una posición xi/2 5
3.00 cm? (d) ¿Por qué la respuesta al inciso (c) no es la
mitad de la respuesta del inciso (b).
x xi
x xi/2
k
m
x 0
Figura P8.59

22. Prefacio xxi
Problemas simbólicos: piden a los estudiantes resolver un problema usando sólo mani-
pulación simbólica. Los revisores de la Octava edición (así como la mayoría de los
que respondieron a una numerosa encuesta) pidieron específicamente un aumento
en el número de problemas simbólicos que se encuentran en el texto, ya que refleja
mejor la forma en que los instructores quieren que sus estudiantes piensen en la
resolución de problemas de física. Un ejemplo de problema simbólico aparece aquí:
Problemas guiados: ayudan a los estudiantes a desglosar los problemas en pasos. Un
problema de física normalmente pide una cantidad física en un contexto dado. Sin
embargo, con frecuencia deben ser utilizados varios conceptos y se requieren una
serie de cálculos para obtener la respuesta final. Muchos estudiantes no están acos-
tumbrados a este nivel de complejidad y a menudo no saben por dónde empezar. Un
problema guiado desglosa un problema estándar en pasos más pequeños, lo que per-
mite a los estudiantes comprender los conceptos y estrategias necesarias para llegar
a una solución correcta. A diferencia de los problemas estándar de física, la orienta-
ción se construye a menudo en el enunciado del problema. Los problemas guiados
son una reminiscencia de cómo un estudiante puede interactuar con un profesor en
una visita para asesoría. Estos problemas (hay uno en cada capítulo del texto) ayu-
dan a la capacitación de los estudiantes para descomponer los problemas complejos
en una serie de problemas más simples, una habilidad esencial para resolver proble-
mas. Un ejemplo de problema guiado aparece aquí:
51. Un camión se mueve
con aceleración cons-
tante a hasta una colina
que hace un ángulo f
con la horizontal, como
en la figura P6.51. Una
pequeña esfera de masa
m está suspendida desde
el techo de la camioneta
por un cable de luz. Si el
péndulo hace un ángulo constante u con la perpendicular
al techo, ¿a qué es igual a?
u
m
f
a
S
Figura P6.51
No aparecen números
en el enunciado del
problema
La respuesta al problema es
completamente simbólica
51. g(cos f tan u 2 sen f)
La figura muestra sólo
cantidades simbólicas
38. Una viga uniforme que descansa sobre dos pivotes tiene
una longitud L 5 6.00 m y una masa M 5 90.0 kg. El pivote
bajo el extremo izquierdo ejerce una fuerza normal n1
sobre la viga, y el segundo pivote ubicado a una distan-
cia , 5 4.00 m del extremo izquierdo ejerce una fuerza
normal n2. Una mujer de masa m 5 55.0 kg se para en el
extremo izquierdo de la viga y comienza a caminar hacia
la derecha, como se indica en la figura P12.38. El obje-
tivo es encontrar la posición de la mujer cuando la viga
se empieza a inclinar. (a) ¿Cuál es el análisis de modelo
apropiado para la viga antes que se incline? (b) Dibuje un
diagrama de cuerpo libre para la viga, marque las fuerzas
gravitacionales y las normales que actúan sobre la viga y
coloque a la mujer a una distancia x hacia la derecha del
primer pivote, el cual es el origen. (c) ¿Dónde está la mujer
cuando la fuerza normal n1 es máxima? (d) ¿Cuánto vale
n1 cuando la viga está por inclinarse? (e) Utilice la ecua-
ción 12.1 para encontrar el valor de n2 cuando la viga está
a punto de inclinarse. (f) Empleando el resultado del inci-
so (d) y la ecuación 12.2, con los momentos de torsión
calculados en torno al segundo pivote, determine la posi-
ción x de la mujer cuando la viga tiende a inclinarse. (g) Ve-
rifique la respuesta al inciso (a) mediante el cálculo de
momentos de torsión alrededor del primer punto pivote.
L
x
m
M
Figura P12.38
El objetivo del problema
está identificado
El análisis comienza identificando
el análisis de modelo apropiado
Al estudiante se le proporcionan
sugerencias de los pasos para
resolver el problema
Se pide el cálculo
asociado al
objetivo

23. xxii Prefacio
Problemas de imposibilidad. La investigación en educación en física se ha centrado en
gran medida en las habilidades de los estudiantes para la resolución de problemas.
Aunque la mayoría de los problemas en este texto están estructurados en forma
de suministro de datos y pedir el cálculo de un resultado, dos problemas por cada
capítulo, en promedio, se estructuran como problemas de imposibilidad. Comien-
zan con la frase ¿Por qué es imposible la siguiente situación? Esto es seguido por la des-
cripción de una situación. El aspecto sorprendente de estos problemas es que no se
hace una pregunta a los estudiantes, excepto la que apareces en cursivas al inicio.
El estudiante debe determinar las preguntas que se tienen que hacer y qué cálculos
se deben realizar. Con base en los resultados de estos cálculos, el estudiante debe
determinar por qué la situación descrita no es posible. Esta determinación puede
requerir información de la experiencia personal, sentido común, de Internet o de in-
vestigación impresa, la medición, las habilidades matemáticas, el conocimiento de
las normas humanas o el pensamiento científico. Estos problemas se pueden asignar
para desarrollar habilidades de pensamiento crítico en los estudiantes. También son
divertidos, tienen el aspecto de “misterios” de la física que hay que resolver por parte
de los alumnos de forma individual o en grupos. Un ejemplo de problema de impo-
sibilidad aparece aquí:
Problemas apareados. Estos problemas son idénticos, uno pidiendo una solución numé-
rica y otro una deducción simbólica. Ahora hay tres pares de estos problemas en la
mayoría de los capítulos, en los problemas de fin de capítulo.
Problemas biomédicos. Estos problemas destacan la importancia de los principios de la
física para aquellos estudiantes que toman este curso, que se especializa en una de
las ciencias de la vida.
Problemas de repaso. Muchos capítulos incluyen problemas de repaso que requieren
que el estudiante combine conceptos cubiertos en el capítulo con los que se explica-
ron en capítulos anteriores. Estos problemas (indicados como problemas de repaso)
reflejan la naturaleza cohesiva de los principios en el texto y verifican que la física no
es un conjunto de ideas dispersas. Cuando se mira hacia temas del mundo real como
el calentamiento global o las armas nucleares, puede ser necesario invocar ideas físi-
cas de varias partes de un libro como éste.
“Problemas Fermi”. En la mayoría de los capítulos se plantea al estudiante uno o más
problemas donde debe razonar en términos de orden y magnitud.
Problemas de diseño. Varios capítulos contienen problemas que le solicitan al estu-
diante determinar parámetros de diseño para un dispositivo práctico, de modo que
pueda funcionar como se requiere.
67. ¿Por qué es imposible la siguiente situación? Albert Pujols hace
un jonrón, de tal forma que la pelota libra la fila supe-
rior de las gradas, de 24.0 m de altura, situada a 130 m
de la base de home. La bola es golpeada a 41.7 m/s en un
ángulo de 35.0° con la horizontal, y la resistencia del aire
es despreciable.
La frase inicial en cursivas indica
un problema de imposibilidad
Se describe una
situación
No se formulan preguntas. El
estudiante debe determinar qué
necesita para los cálculos y por
qué la situación es imposible.

24. Prefacio xxiii
Problemas basados en cálculo. Todos los capítulos contienen al menos un problema que
aplica ideas y métodos del cálculo diferencial y un problema que usa cálculo integral.
Ilustraciones. Cada ilustración en la Novena edición es de estilo moderno que ayuda
a expresar los principios de la física en el trabajo de una manera clara y precisa.
Se incluyen punteros de enfoque en muchas figuras del texto; éstos señalan aspectos
importantes de una figura o guían a los estudiantes a través de un proceso ilustrado
por la fotografía o las ilustraciones. Este formato ayuda a los estudiantes que están
aprendiendo de forma más visual. Un ejemplo de figura con un puntero de enfoque
aparece a continuación.
Apéndice matemático. El apéndice matemático (Apéndice B), una valiosa herra-
mienta para los estudiantes, se actualizó para mostrar las herramientas matemáticas
en un contexto físico. Este recurso es ideal para los estudiantes que necesitan un
repaso rápido acerca de temas tales como álgebra, trigonometría y cálculo.
Características útiles
Estilo. Para facilitar la rápida comprensión, hemos escrito el libro en un estilo claro,
lógico y atractivo. Elegimos un estilo de escritura que es un poco informal y relajado,
de modo que los estudiantes encontrarán el texto atractivo y agradable para leer.
Los nuevos términos se definen cuidadosamente y hemos evitado el uso de vocabu-
lario especial.
Definiciones y ecuaciones importantes. Las definiciones más importantes se ponen en
negritas o se resaltan con una pantalla para agregar énfasis y facilitar la revisión.
De igual modo, las ecuaciones importantes se resaltan con una pantalla para facili-
tar su ubicación.
Notas al margen. Los comentarios y notas que aparecen en el margen con un ico-
no X se pueden usar para ubicar enunciados, ecuaciones y conceptos importantes
en el texto.
Uso pedagógico del color. Los lectores deben consultar la carta pedagógica de color
(al final del libro) para una lista de los símbolos en color que se usan en los diagra-
mas del texto. Este sistema se usa consistentemente en todas las partes del texto.
O
y
x
r1
S
r2
S
r3
S
Dirección de en
v
S
r
S
Conforme el extremo final de la
trayectoria se mueve de a a ,
los desplazamientos respectivos y los
correspondientes intervalos de
tiempo serán cada vez más pequeños.
Conforme el punto final tiende a ,
t tiende a cero y la dirección de
tiende a la de la recta tangente
a la curva en .
Figura 4.2 A medida que una
partícula se mueve entre dos pun-
tos, su velocidad promedio está en
la dirección del vector desplaza-
miento Dr
S
. Por definición, la velo-
cidad instantánea en se dirige
a lo largo de la recta tangente a la
curva en .
una pantalla

25. xxiv Prefacio
Nivel matemático. Introducimos el cálculo de manera gradual, teniendo en mente
que los estudiantes con frecuencia toman cursos introductorios de cálculo y física
simultáneamente. La mayoría de las etapas se muestra cuando se desarrollan ecua-
ciones básicas, y con frecuencia se hace referencia a los apéndices matemáticos cerca
del final del texto. Aunque los vectores son analizados en el capítulo 3, los productos
vectoriales se introducen más adelante en el texto, donde se necesitan en aplicacio-
nes físicas. El producto punto se introduce en el capítulo 7, que aborda la energía
de un sistema; el producto cruz se introduce en el capítulo 11, que se relaciona con
cantidad de movimiento angular.
Cifras significativas. Las cifras significativas, tanto en los ejemplos trabajados como
en los problemas de fin de capítulo, se manejaron con cuidado. La mayoría de los
ejemplos numéricos se trabaja a dos o a tres cifras significativas, dependiendo de
la precisión de los datos proporcionados. Los problemas de fin de capítulo por lo
regular establecen datos y respuestas a tres dígitos de precisión. En la realización de
los cálculos de estimación se suele trabajar con una sola cifra significativa. (Se puede
encontrar más acerca del análisis de cifras significativas en el capítulo 1, páginas
11-13.)
Unidades. A lo largo del texto se usa el sistema internacional de unidades (SI). El sis-
tema estadounidense de unidades usuales sólo se usa en una medida limitada en los
capítulos sobre mecánica y termodinámica.
Apéndices. Casi al final del texto se proporcionan varios apéndices. La mayoría del
material de los apéndices representa un repaso de conceptos y técnicas matemáticas
aplicadas en el texto, incluidos notación científica, álgebra, geometría, trigonome-
tría, cálculo diferencial y cálculo integral. En todas las partes del texto se hace refe-
rencia a estos apéndices. La mayor parte de las secciones de repaso matemático en
los apéndices incluyen ejemplos y ejercicios con respuestas. Además de los repasos
matemáticos, los apéndices contienen tablas de datos físicos, factores de conversión
y las unidades del SI de cantidades físicas, así como una tabla periódica de los ele-
mentos. Otra información útil (constantes fundamentales y datos físicos, datos pla-
netarios, una lista de prefijos estándar, símbolos matemáticos, el alfabeto griego y
abreviaturas estándar de unidades de medición) aparecen al final del libro.
r Videos solución (disponibles en la sección de complementos digitales) explican las
estrategias fundamentales de resolución de problemas, para ayudar a los estudian-
tes a través del problema. Además, los profesores pueden optar por incluir pistas
de video de las estrategias de resolución de problemas. Una pantalla de captura de
película con el video de la solución aparece a continuación:
Los videos solución ayudan a los estu-
diantes a visualizar los pasos necesa-
rios para resolver un problema.
Un proyectil es lanzado a un ángulo con la horizontal con alguna velo-
cidad inicial vs y la resistencia del aire es despreciable.
(a) ¿El proyectil es un cuerpo en caída libre?
(b) ¿Cuál es la aceleración en la dirección vertical?
(c) ¿Cuál es la aceleración en la dirección?
Trayectoria

26. Prefacio xxv
r Revisión de conceptos
r Ejemplos resueltos, mejorados con sugerencias y comentarios, para ayudar a los
estudiantes a fortalecer las habilidades de resolución de problemas
r Cada examen rápido otorga a los estudiantes una amplia oportunidad para poner
a prueba su comprensión conceptual.
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sus materiales del curso a través de nuestra completa gama de opciones. Tendrán
la opción de rentar sus libros de texto, la compra de libros de texto impresos, libros
de texto electrónicos o mensajes de los distintos capítulos y audiolibros, todos para
ahorrar sustancialmente en los precios medios de venta al detalle. CengageBrain.
com también incluye el acceso a la amplia gama de tareas y herramientas de estudio
de Cengage Learning y cuenta con una selección de contenido libre.
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Con PowerLecture con ExamView® y Joinin de Física para Ciencias e Ingeniería, Novena
edición, llevar los principios y conceptos de la física a la vida en sus presentaciones
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el instructor completamente equipados, (Volumen 1: capítulos 1-22, volumen 2: capí-
tulos 23-46) ofrecen todo lo que usted necesita para Física para Ciencias e Ingeniería,
Novena edición. El contenido clave incluye el Manual Soluciones del Instructor, las ilus-
traciones y las imágenes del texto, presentaciones específicas de PowerPoint pre ela-
boradas por capítulo, el software generador de exámenes ExamView con preguntas
de examen precargadas, el sistema de respuesta Joinin o “clickers”, animaciones de
figuras activas y una biblioteca de películas de física.
Joinin. Evaluar para aprender en el aula son preguntas desarrolladas en la Universidad
de Massachusetts Amherst. Esta colección de 250 preguntas conceptuales avanzadas
ha sido probada en las aulas durante más de diez años y lleva el aprendizaje entre
iguales a un nuevo nivel. Joinin ayuda a convertir sus conferencias en un ambiente
de aprendizaje interactivo que promueve la comprensión conceptual. Disponible
exclusivamente para la educación superior a partir de nuestra asociación con Tur-
ning Technologies, Joinin™ es la manera más fácil de convertir el aula en una expe-
riencia personal, ¡totalmente interactiva para sus estudiantes!
Evaluación y recursos de preparación de clase
(sólo disponibles en inglés y para los adopters del libro)
Una serie de recursos que se enumeran a continuación le ayudará con su evaluación
y los procesos de preparación.
Manual de soluciones del instructor de Vahe Peroomian (Universidad de California en
Los Angeles). Completamente revisado para esta edición, el Manual de soluciones del
instructor contiene soluciones completas a todos los problemas de fin de capítulo del
libro de texto, así como respuestas a los problemas de número par y a todas las pre-
guntas. Las soluciones a los problemas nuevos en la novena edición están marcadas
para su fácil identificación. El volumen 1 contiene los capítulos 1 a 22, el volumen 2
contiene los capítulos 23 a 46. Los archivos electrónicos del Manual de soluciones del
instructor están disponibles en el PowerLecture™ DVD-ROM.
Banco de exámenes por Ed Oberhofer (Universidad de Carolina del Norte en Charlo-
tte y Lake Sumter Community College). El banco de exámenes está disponible en los
dos volúmenes del DVD-ROM PowerLecture™ mediante el software de exámenes
ExamView®. Este banco de dos volúmenes contiene aproximadamente 2 000 pregun-

27. xxvi Prefacio
tas de opción múltiple. Los profesores pueden imprimir y duplicar las páginas para
distribuir a los estudiantes. El volumen 1 contiene los capítulos 1 a 22 y el volumen 2
contiene los capítulos 23 a 46. Versiones WebCT y Blackboard del banco de exá-
menes están disponibles en el sitio de acompañamiento para el instructor en www.
CengageBrain.com.
Instructor’s Companion Web Site. Consulte el sitio del instructor, apuntando su navega-
dor a www.CengageBrain.com, para una guía de correlación de problemas, presen-
taciones en PowerPoint, y Joinin contenido de respuesta del público. Los profesores
que adoptan la Novena edición de Física para Ciencias e Ingeniería pueden descargar
estos materiales después de conseguir la contraseña apropiada de su representante
de ventas local.
Material de apoyo en español (sin costo y
por medio de un código de acceso)
Este libro cuenta con un sitio de complementos digitales que contiene una serie de
recursos en español para el profesor y el estudiante, los cuales incluyen los videos
solución, cuestionarios interactivos y figuras activas, entre otros. Para tener acceso
a los complementos digitales, solicítalo al correo soporte.latam@cengage.com indi-
cando el título del ebook.
Recursos para el estudiante (sólo en inglés
y con un costo adicional)
Manual de soluciones del estudiante/Guía de estudio de John R. Gordon, Vahé Peroomian,
Raymond A. Serway y John W. Jewett, Jr. Este manual de dos volúmenes ofrece solu-
ciones detalladas a 20% de los problemas de fin de capítulo del texto. El manual
también incluye una lista de ecuaciones importantes, conceptos y las notas de las sec-
ciones clave del texto, además de respuestas a las preguntas al final de los capítulos
seleccionados. El volumen 1 contiene los capítulos 1 a 22 y el volumen 2 contiene los
capítulos 23 a 46.
Manual de laboratorio de física, Tercera edición, por David Loyd (Angelo State Univer-
sity), complementa el aprendizaje de los principios físicos básicos, mientras introduce
los procedimientos y equipos de laboratorio. Cada capítulo incluye una asignación
previa al laboratorio, objetivos, una lista de equipo, la teoría detrás del experimento,
procedimientos experimentales, ejercicios, gráficas y preguntas. Un formulario
de informe de laboratorio se incluye con cada experimento para que el estudiante
pueda registrar los datos, cálculos y resultados experimentales. Los estudiantes son
alentados a aplicar el análisis estadístico a los datos. Un Manual completo del instructor
también está disponible para facilitar el uso de este manual de laboratorio.
Experimentos de laboratorio de física, Séptima edición, de Jerry D. Wilson (Lander
College) y Cecilia A. Hernández (American River College). Este manual, líder en
el mercado para el primer curso de laboratorio de física, ofrece una amplia gama
de experimentos probados en clase diseñados específicamente para su uso en pro-
gramas de laboratorio pequeños y medianos. Una serie de experimentos integrados
enfatiza el uso de la instrumentación computarizada e incluye una serie de “expe-
rimentos asistidos por computadora” para permitir a los estudiantes e instructores
ganar experiencia con equipos modernos. Esta opción también permite a los ins-
tructores determinar el equilibrio adecuado entre los experimentos tradicionales y

28. Prefacio xxvii
de Internet para sus cursos. Mediante el análisis de los datos a través de dos métodos
diferentes, los estudiantes obtienen una mayor comprensión de los conceptos detrás
de los experimentos. La séptima edición se ha actualizado con la última informa-
ción y técnicas que implican el estado de equipos de última generación y una nueva
característica Guided Learning aborda el creciente interés en la pedagogía de la
investigación guiada. Catorce ensayos adicionales también están disponibles a través
de la impresión personalizada.
Opciones de enseñanza
Los temas en este libro se presentan en la siguiente secuencia: mecánica clásica,
oscilaciones y ondas mecánicas, y calor y termodinámica. Esta presentación es una
secuencia tradicional, donde el tema de las ondas mecánicas se aborda antes que la
electricidad y el magnetismo. Algunos profesores prefieren estudiar las ondas mecá-
nicas y electromagnéticas juntas después de completar la electricidad y el magne-
tismo. En este caso, los capítulos 16 a 18 podrían ser cubiertos a lo largo del capítulo
34. El capítulo sobre la relatividad se coloca cerca del final del texto, porque este
tema se trata a menudo como una introducción a la era de la “física moderna”. Si el
tiempo lo permite, los profesores pueden optar por cubrir el capítulo 39 después de
completar el capítulo 13 como conclusión del material de la mecánica newtoniana.
Para los instructores que enseñan una secuencia de dos semestres, algunas seccio-
nes y capítulos del volumen 1 se podrían eliminar sin pérdida de continuidad. Las
siguientes secciones se pueden considerar opcionales para este propósito:
2.8 Ecuaciones cinemáticas deducidas del cálculo
4.6 Velocidad y aceleración relativas
6.3 Movimiento en marcos acelerados
7.9 Diagramas de energía y equilibrio de un sistema
9.9 Propulsión de cohetes
11.5 El movimiento de giroscopios y trompos
14.7 Otras aplicaciones de la dinámica de fluidos
15.6 Oscilaciones amortiguadas
15.7 Oscilaciones forzadas
18.6 Ondas estacionarias en barras y membranas
18.8 Patrones de ondas no sinusoidales
Reconocimientos
Esta Novena edición de Física para ciencias e ingeniería se preparó con la guía y asisten-
cia de muchos profesores que revisaron selecciones del manuscrito, la revisión previa
del texto o ambos. Queremos agradecer a los siguientes académicos y expresar nues-
tro sincero aprecio por sus sugerencias, críticas y aliento:
Benjamin C. Bromley, University of Utah;
Elena Flitsiyan, University of Central Florida; y
Yuankun Lin, University of North Texas;
Allen Mincer, New York University;
YibinPan, University of Wisconsin–Madison;
N. M. Ravindra, New Jersey Institute of Technology;
Masao Sako, University of Pennsylvania;
Charles Stone, Colorado School of Mines;
Robert Weidman, Michigan Technological University;
Michael Winokur, University of Wisconsin–Madison
Antes de nuestro trabajo en esta revisión, realizamos una encuesta a profesores;
sus comentarios y sugerencias ayudaron a darle forma, por lo que nos gustaría dar
las gracias a los participantes de la encuesta:

29. xxviii Prefacio
Elise Adamson, Wayland Baptist University; Saul Adelman, The Citadel; Yiyan Bai,
Houston Community College; Philip Blanco, Grossmont College; Ken Bolland, Ohio State
University; Michael Butros, Victor Valley College; Brian Carter, Grossmont College; Jenni-
fer Cash, South Carolina State University; Soumitra Chattopadhyay, Georgia Highlands
College; John Cooper, Brazosport College; Gregory Dolise, Harrisburg Area Communi-
ty College; Mike Durren, Lake Michigan College; Tim Farris, Volunteer State Community
College; Mirela Fetea, University of Richmond; Susan Foreman, Danville Area Commu-
nity College; Richard Gottfried, Frederick Community College; Christopher Gould, Uni-
versity of Southern California; Benjamin Grinstein, University of California, San Diego;
Wayne Guinn, Lon Morris College; Joshua Guttman, Bergen Community College; Carlos
Handy, Texas Southern University; David Heskett, University of Rhode Island; Ed Hun-
gerford, University of Houston; Matthew Hyre, Northwestern College; Charles Johnson,
South Georgia College; Lynne Lawson, Providence College; Byron Leles, Northeast Alabama
Community College; Rizwan Mahmood, Slippery Rock University; Virginia Makepeace,
Kankakee Community College; David Marasco, Foothill College; Richard McCorkle, Uni-
versity of Rhode Island; Brian Moudry, Davis Elkins College; Charles Nickles, Univer-
sity of Massachusetts Dartmouth; Terrence O’Neill, Riverside Community College; Grant
O’Rielly, University of Massachusetts Dartmouth; Michael Ottinger, Missouri Western State
University; Michael Panunto, Butte College; Eugenia Peterson, Richard J. Daley College;
Robert Pompi, Binghamton University, State University of New York; Ralph Popp, Mer-
cer County Community College; Craig Rabatin, West Virginia University at Parkersburg;
Marilyn Rands, Lawrence Technological University; Christina Reeves-Shull, Cedar Valley
College; John Rollino, Rutgers University, Newark; Rich Schelp, Erskine College; Mark
Semon, Bates College; Walther Spjeldvik, Weber State University; Mark Spraker, North
Georgia College and State University; Julie Talbot, University of West Georgia; James Tres-
sel, Massasoit Community College; Bruce Unger, Wenatchee Valley College; Joan Vogtman,
Potomac State College.
Este texto fue revisado cuidadosamente en su precisión por Grant Hart, Brigham
Young University; James E. Rutledge, University of California at Irvine; y Som Tyagi,
Drexel University. Queremos agradecerles sus diligentes esfuerzos bajo presión de
agenda.
Belal Abas, Zinoviy Akkerman, Eric Boyd, Hal Falk, Melanie Martin, Steve McCau-
ley, y Glenn Stracher hicieron las correcciones a los problemas tomados de ediciones
anteriores. Harvey Leff brindó una guía invaluable en la reestructuración del análisis
de la entropía en el capítulo 22. Estamos agradecidos con los autores John R. Gor-
don y Ralph McGrew por preparar el Manual de soluciones del estudiante/Guía de estudio
y con Vahé Peroomian por preparar un excelente Manual de soluciones del instructor.
Susan English editó y mejoró cuidadosamente el banco de pruebas. Linnea Cookson
nos dio una excelente precisión en la revisión de los Tutoriales de análisis de modelo.
Gracias y reconocimiento especial para el personal profesional en Brooks/Cole
Publishing Company, en particular a Charles Hartford, Ed Dodd, Stephanie Van-
Camp, Rebecca Berardy Schwartz, Tom Ziolkowski, Alison Eigel Zade, Cate Barr y
Brendan Killion (quien gestionó el programa auxiliar), por su fino trabajo durante
el desarrollo, producción y promoción de este libro. Reconocemos el profesional ser-
vicio de producción y excelente trabajo artístico proporcionados por el personal en
Lachina Publishing Services, y los dedicados esfuerzos de investigación fotográfica
de Christopher Arena para el Bill Smith Group.
Para finalizar, estamos profundamente en deuda con nuestras esposas, hijos y nie-
tos por su amor, apoyo y sacrificios de largo plazo.
Raymond A. Serway
St. Petersburg, Florida
John W. Jewett, Jr.
Anaheim, California

30. xxix
Es apropiado ofrecer algunas palabras de consejo que deben ser de beneficio para
el estudiante. Antes de hacerlo, suponemos que ha leído el Prefacio, que describe las
diferentes características del texto y materiales de apoyo que le ayudarán a lo largo
del curso.
Cómo estudiar
Con frecuencia preguntan a los instructores: “¿Cómo debo estudiar física y prepa-
rarme para los exámenes?” No hay una respuesta simple a esta pregunta, pero pode-
mos ofrecer algunas sugerencias de acuerdo con nuestra experiencia en el aprendi-
zaje y enseñanza a través de los años.
Ante todo, mantenga una actitud positiva hacia el tema de estudio, teniendo en
mente que la física es la más esencial de todas las ciencias naturales. Otros cursos de
ciencia que siguen usarán los mismos principios físicos, de modo que es importante
que entienda y sea capaz de aplicar los diversos conceptos y teorías explicadas en el
texto.
Conceptos y principios
Es esencial que entienda los conceptos y principios básicos antes de intentar resol-
ver los problemas asignados. Esta meta la puede lograr al leer con cuidado el texto
antes de asistir a su clase acerca del material cubierto. Cuando lea el texto, debe
anotar aquellos puntos que no sean claros. También haga un intento diligente por
responder los Exámenes rápidos, conforme los encuentra en su lectura. Hemos tra-
bajado duro para preparar preguntas que le ayuden a juzgar por sí mismo qué tan
bien entiende el material. Estudie cuidadosamente las preguntas ¿Qué pasaría si?
que aparecen en muchos de los ejemplos trabajados. Ellas le ayudarán a extender
su comprensión más allá del simple acto de llegar a un resultado numérico. Las Pre-
venciones de riesgos ocultos también le ayudarán a alejarse de las malas interpre-
taciones comunes con respecto a la física. Durante la clase tome notas y pregunte
acerca de aquellas ideas que no le sean claras. Tenga en mente que pocas personas
son capaces de absorber todo el significado del material científico después de sólo
una lectura; pueden ser necesarias muchas lecturas del texto y sus notas. Sus clases y
trabajo de laboratorio complementan la lectura del libro y deben clarificar algo del
material más difícil. Debe minimizar su memorización del material. La memoriza-
ción exitosa de pasajes del texto, ecuaciones y derivaciones no necesariamente indi-
can que comprende el material. Su comprensión del material mejorará mediante la
combinación de hábitos eficientes de estudio, discusiones con otros estudiantes y
con instructores, y su habilidad para resolver los problemas que se presentan en el
libro. Pregunte siempre que crea que es necesario aclarar un concepto.
Agenda de estudio
Es importante que configure una agenda de estudio regular, de preferencia que sea
diaria. Asegúrese de leer el programa de estudio del curso y que éste coincide con el
Al estudiante

31. xxx Al estudiante
calendario establecido por el instructor. Las clases tendrán mucho más sentido si lee
el texto correspondiente antes de asistir a ellas. Como regla general, debe dedicar
aproximadamente dos horas de tiempo de estudio por cada hora que esté en clase.
Si tiene problemas con el curso, busque el consejo del instructor u otros estudiantes
que hayan tomado el curso. Puede ser necesario buscar más instrucción de estu-
diantes experimentados. Con mucha frecuencia, los instructores ofrecen sesiones
de repaso, además de los periodos de clase regulares. Evite la práctica de demo-
rar el estudio hasta un día o dos antes de un examen. Por lo general, este enfoque
tiene resultados desastrosos. En lugar de emprender una sesión de estudio de toda
la noche antes del examen, repase brevemente los conceptos y ecuaciones básicos, y
luego tenga una buena noche de descanso. Si usted cree que necesita más ayuda en
la comprensión de los conceptos, en la preparación para los exámenes o en la resolu-
ción de problemas, le recomendamos que adquiera una copia (en inglés) del Manual
de soluciones del estudiante/Guía de estudio que acompaña a este libro de texto.
Visite el sitio web Física para ciencias e ingeniería en www.cengagebrain.com/shop/
ISBN/9781133954156 para ver muestras de los suplementos (en inglés) seleccionados
para los estudiantes. Usted puede comprar cualquier producto Cengage Learning
en inglés en nuestra tienda online CengageBrain.com.
Use las características
Debe usar por completo las diferentes características del texto explicadas en el Pre-
facio. Por ejemplo, las notas al margen son útiles para localizar y describir ecuacio-
nes y conceptos importantes, y las negritas indican enunciados y definiciones impor-
tantes. En los apéndices hay muchas tablas útiles, pero la mayoría se incorpora al
texto, donde su referencia es útil. El Apéndice B es un repaso conveniente de técni-
cas matemáticas.
Las respuestas a los exámenes rápidos y a los problemas con número impar se
proporcionan al final del libro, las respuestas a las exámenes rápidos se ubican al
final de cada capítulo y las soluciones a preguntas y problemas de fin de capítulo
seleccionados se proporcionan en el paquete de recursos que acompañan al libro. La
tabla de contenido proporciona un panorama de todo el texto y el índice le permite
ubicar rápidamente material específico. En ocasiones se usan notas a pie de página
para complementar el texto o citar otras referencias acerca del tema explicado.
Después de leer un capítulo debe ser capaz de definir cualquier cantidad nueva
introducida en dicho capítulo y explicar los principios y suposiciones que se usaron
para llegar a ciertas relaciones clave. Los resúmenes de capítulo y las secciones de
repaso le ayudan a este respecto. En algunos casos puede encontrar necesario remi-
tirse al índice del libro para ubicar ciertos temas. Debe ser capaz de asociar a cada
cantidad física el símbolo correcto para representar dicha cantidad y la unidad en
que se especifica la cantidad. Además, debe ser capaz de expresar cada ecuación
importante en prosa concisa y exacta.
Resolución de problemas
R. P. Feynman, laureado Nobel en física, dijo una vez: “No sabes nada hasta que
lo has practicado.” Para estar de acuerdo con este enunciado, le recomendamos
encarecidamente que desarrolle las habilidades necesarias para resolver una amplia
serie de problemas. Su habilidad para resolver problemas será una de las principa-
les pruebas de su conocimiento en física; por lo tanto, debe intentar resolver tantos
problemas como sea posible. Es esencial que comprenda los conceptos y principios
básicos antes de intentar resolver problemas. Es buena práctica intentar encontrar
soluciones alternas al mismo problema. Por ejemplo, puede resolver problemas en
mecánica usando las leyes de Newton, pero con mucha frecuencia un método alter-

32. Al estudiante xxxi
nativo que se apoye en consideraciones sobre la energía es más directo. No debe
engañarse y creer que entiende un problema simplemente porque ha visto cómo se
resolvió en clase. Debe ser capaz de resolver el problema y problemas similares por
cuenta propia.
El enfoque para resolver problemas se debe planear cuidadosamente. Un plan
sistemático es especialmente importante cuando un problema involucra muchos
conceptos. Primero, lea el problema muchas veces hasta que esté seguro de que
entiende qué se pide. Busque palabras clave que le ayuden a interpretar el problema
y tal vez le posibiliten la formulación de ciertas suposiciones. Su habilidad para inter-
pretar adecuadamente una pregunta es una parte integral de la resolución del pro-
blema. Segundo, debe adquirir el hábito de escribir la información conocida en un
problema y aquellas cantidades que necesite encontrar; por ejemplo, puede cons-
truir una tabla que mencione tanto las cantidades conocidas como las cantidades a
encontrar. Este procedimiento se usa a veces en los ejemplos trabajados del libro. Por
último, después de decidir el método que considere apropiado para un problema
determinado, proceda con su solución. La Estrategia General para Resolver Proble-
mas le guiará a través de problemas complejos. Si sigue las etapas de este procedi-
miento (Conceptualizar, Categorizar, Analizar, Finalizar), le será más fácil llegar a una
solución y ganará más por sus esfuerzos. Dicha estrategia, ubicada al final del capí-
tulo 2 (páginas 45–47), se usa en todos los ejemplos en los capítulos restantes, de
modo que puede aprender cómo aplicarla. En el texto se incluyen estrategias especí-
ficas para resolución de problemas para ciertos tipos de situaciones y aparecen con
un encabezado azul. Dichas estrategias específicas siguen el esbozo de la Estrategia
General para Resolver Problemas.
Con frecuencia los estudiantes fracasan en el reconocimiento de las limitaciones
de ciertas ecuaciones o leyes físicas en una situación particular. Es muy importante
que entienda y recuerde las suposiciones que subyacen a una teoría o formalismo
particular. Por ejemplo, ciertas ecuaciones en cinemática sólo se aplican a una partí-
cula en movimiento con aceleración constante. Estas ecuaciones no son válidas para
describir el movimiento cuya aceleración no sea constante, como el movimiento de
un objeto conectado a un resorte o el movimiento de un objeto a través de un fluido.
Estudie cuidadosamente los Análisis de modelo para resolver problemas en los resú-
menes de capítulo, de modo que sepa cómo se aplica cada modelo a una situación
específica. Los análisis de modelo le proporcionan una estructura lógica para resol-
ver problemas y ayudan a desarrollar sus habilidades de pensamiento para ser más
como los de un físico. Utilice el enfoque del análisis de modelo para ahorrar horas
de búsqueda de la ecuación correcta y para hacer de usted un solucionador de pro-
blemas más rápido y más eficiente.
Experimentos
La física es una ciencia que se apoya en observaciones experimentales. Por lo tanto,
recomendamos que intente complementar el texto, realizando varios tipos de expe-
rimentos “prácticos”, en casa o en el laboratorio. Estos experimentos se pueden usar
para poner a prueba ideas y modelos explicados en clase o en el libro. Por ejem-
plo, el juguete común Slinky es excelente para estudiar ondas viajeras, una bola
que se balancea en el extremo de una cuerda larga se puede usar para investigar
el movimiento pendular, diferentes masas unidas al extremo de un resorte o banda
de goma vertical se pueden usar para determinar su naturaleza elástica, un viejo
par de lentes de sol y algunos lentes de desecho y una lupa son los componentes de
diferentes experimentos en óptica, y una medida aproximada de la aceleración en
caída libre se puede determinar simplemente al medir con un cronómetro el tiempo
que una bola tarda en caer desde una altura conocida. La lista de tales experimen-
tos es interminable. Cuando no estén disponibles modelos físicos, sea imaginativo e
intente desarrollar los suyos por cuenta propia.

33. xxxii Al estudiante
Nuevos medios
Le recomendamos enormemente usar el sitio de complementos digitales que acom-
paña a este libro. Es mucho más fácil comprender la física si la ve en acción, y estos
nuevos materiales le permitirán volverse parte de dicha acción.
Es nuestro sincero deseo que encuentre en la física una experiencia excitante y
agradable, y que se beneficie de esta experiencia sin importar la profesión que elija.
¡Bienvenido al excitante mundo de la física!
El científico no estudia la naturaleza porque sea útil; la estudia porque se deleita en ella, y se
deleita en ella porque es hermosa. Si la naturaleza no fuera hermosa, no valdría la pena cono-
cerla, y si no valiera la pena conocer la naturaleza, no valdría la pena vivir la vida.
—Henri Poincaré

34. 1
Mecánica P A R T E
1
El FCX Clarity de Honda es un
automóvil alimentado con pila de
combustible a disposición del público,
aunque en cantidades limitadas.
Una pila de combustible convierte el
hidrógeno combustible en electricidad
para propulsar el motor que rueda a
las llantas del auto. Los automóviles,
propulsados ya sea con pilas de
combustible, motores de gasolina
o baterías, usan muchos de los
conceptos y principios de la mecánica
que vamos a estudiar en esta primera
parte del libro. Las cantidades que
podemos utilizar para describir el
movimiento de los vehículos son
posición, velocidad, aceleración,
fuerza, energía e impulso.
(PRNewsFoto/American Honda)
La física, fundamental entre las ciencias físicas, se ocupa de los principios esenciales
del Universo. Es el cimiento sobre el que se erigen las otras ciencias: astronomía, biología, quí-
mica y geología. También es el fundamento de un gran número de aplicaciones de ingeniería. La
belleza de la física consiste en la simplicidad de sus principios fundamentales y en la forma en que con sólo
un pequeño número de conceptos y modelos modifica y expande nuestra visión del mundo circundante.
El estudio de la física se divide en seis áreas primordiales:
1. La mecánica clásica, que estudia el movimiento de los objetos de gran magnitud en comparación con
los átomos y se mueven con una rapidez mucho más lenta que la de la luz;
2. La relatividad, una teoría que describe los objetos que se mueven con cualquier rapidez, incluso los que
se aproximan a la rapidez de la luz;
3. La termodinámica, que trata del calor, el trabajo, la temperatura y el comportamiento estadístico de
los sistemas con gran número de partículas;
4. El electromagnetismo, que le compete a la electricidad, el magnetismo y los campos electromagnéticos;
5. La óptica, que estudia el comportamiento de la luz y su interacción con los materiales;
6. La mecánica cuántica, un conjunto de teorías que conectan el comportamiento de la materia al nivel
submicroscópico con las observaciones macroscópicas.
Las disciplinas de la mecánica y el electromagnetismo son primordiales para todas las otras ramas de
la física clásica (desarrolladas antes de 1900) y la física moderna (c. 1900–presente). La primera parte
de este libro estudia a la mecánica clásica, conocida como mecánica newtoniana o simplemente mecá-
nica. Muchos principios y modelos que se aplican para comprender los sistemas mecánicos conservan su
importancia en las teorías de otras áreas de la física y sirven para describir muchos fenómenos naturales.
Debido a eso, la mecánica clásica es trascendente para los estudiantes de todas las disciplinas ■

35. 2
C A P Í T U L O
1
1.1 Estándares de longitud, masa
y tiempo
1.2 Materia y construcción de
modelos
1.3 Análisis dimensional
1.4 Conversión de unidades
1.5 Estimaciones y cálculos de
orden de magnitud
1.6 Cifras significativas
Física y medición
Como todas las otras ciencias, la física se sustenta en observaciones experimentales y
mediciones cuantitativas. Los objetivos principales de la física son identificar un número limi-
tado de leyes fundamentales que rigen los fenómenos naturales y usarlas para desarrollar
teorías capaces de anticipar los resultados experimentales. Las leyes fundamentales que se
usan para elaborar teorías se expresan en el lenguaje de las matemáticas, la herramienta que
proporciona un puente entre teoría y experimento.
Cuando hay discrepancia entre el pronóstico de una teoría y un resultado experimental,
es necesario formular teorías nuevas o modificadas para resolver la discrepancia. Muchas
veces una teoría es satisfactoria sólo bajo condiciones limitadas; a veces una teoría general
es satisfactoria sin ciertas limitaciones. Por ejemplo, las leyes del movimiento descubiertas
por Isaac Newton (1642–1727) describen con precisión el movimiento de los objetos que se
mueven con rapidez normal pero no se aplica a objetos que se mueven con rapidez compa-
rable con la velocidad de la luz. En contraste, la teoría especial de la relatividad, desarrollada
más tarde por Albert Einstein (1879–1955), da los mismos resultados que las leyes de Newton
a bajas rapideces, pero también hace una descripción correcta del movimiento de los objetos
con rapideces que se aproximan a la rapidez de la luz. Por lo tanto, la teoría especial de la
relatividad de Einstein es una teoría de movimiento más general que la formada por las leyes
de Newton.
Stonehenge, en el sur de Inglaterra,
fue construido hace miles de años.
Varias teorías se han propuesto
acerca de su función, incluyendo un
cementerio, un lugar de curación y un
lugar de culto a los antepasados. Una
de las teorías más intrigantes sugiere
que Stonehenge era un observatorio,
lo que permite mediciones de algunas
de las cantidades analizadas en este
capítulo, como la posición de los
objetos en el espacio y en intervalos
de tiempo entre eventos celestes
periódicos.

36. 1.1 Estándares de longitud, masa y tiempo 3
La física clásica incluye los principios de la mecánica clásica, la termodinámica, la óptica y
el electromagnetismo desarrollados antes de 1900. Newton realizó importantes contribucio-
nes a la física clásica y también fue uno de los creadores del cálculo como herramienta mate-
mática. Durante el siglo XVIII continuaron los grandes adelantos en la mecánica, pero los campos
de la termodinámica y el electromagnetismo no se desplegaron hasta la parte final del siglo XIX,
principalmente porque antes de esa época los aparatos para experimentos controlados en estas
disciplinas eran o muy burdos o no estaban disponibles.
Una gran revolución en la física, conocida como físicamoderna, comenzó hacia el final del
siglo XIX. La física moderna nació primordialmente porque la física clásica no era capaz
de explicar muchos fenómenos físicos. En esta era moderna hubo dos hitos, las teorías de la
relatividad y de la mecánica cuántica. La teoría especial de la relatividad de Einstein no sólo
describe en forma correcta el movimiento de los objetos que se mueven con rapideces com-
parables con la rapidez de la luz; también modifica por completo los conceptos tradicionales
de espacio, tiempo y energía. Además, la teoría demuestra que la rapidez de la luz es el límite
superior de la rapidez de un objeto y que la masa y la energía están relacionadas. La mecánica
cuántica la formularon algunos científicos distinguidos para proporcionar descripciones de los
fenómenos físicos a nivel atómico. Con los principios de la mecánica cuántica se han construido
muchos dispositivos prácticos.
Los científicos hacen un trabajo constante por el mejoramiento en la comprensión de las
leyesfundamentales.Entiemposrecientesnumerososavancestecnológicoshanresultadodelos
esfuerzosdemuchoscientíficos,ingenierosytécnicos,talescomoexploraciones planetarias no
tripuladas, una variedad de desarrollos y potenciales aplicaciones en nanotecnología, micro-
circuitos y computadoras de alta velocidad, las complejas técnicas de imagen que se usan en la
investigación científica y la medicina y muchos resultados notables en ingeniería genética. Los
impactos de dichos desarrollos y descubrimientos en la sociedad han sido colosales, y es muy
probable que los futuros descubrimientos y desarrollos serán excitantes, desafiantes y de gran
beneficio para la humanidad.
1.1 Estándares de longitud, masa y tiempo
Para describir los fenómenos naturales, es necesario hacer mediciones de varios aspec-
tos de la naturaleza. Cada medición se asocia con una cantidad física, tal como la
longitud de un objeto. Las leyes de la física se expresan como relaciones matemáti-
cas entre cantidades físicas que se introducirán y analizaran a lo largo del libro. En
mecánica, las tres cantidades fundamentales son longitud, masa y tiempo. Todas las
otras cantidades en mecánica se pueden expresar en función de estas tres.
Si tuviese que reportar los resultados de una medición a alguien que desea repro-
ducir esa medición, tendría que definir un estándar. Sería absurdo que un visitante
de otro planeta le hablara de una longitud de 8 “glitches” si no conoce el significa-
do de la unidad glitch. Por otra parte, si alguien familiarizado con el sistema de
medición reporta que una pared tiene 2 metros de alto y la unidad de longitud se
define como 1 metro, se sabe que la altura de la pared es el doble de la unidad de
longitud básica. Cualquier unidad que se elija como estándar debe ser accesible y
poseer alguna propiedad que se pueda medir confiablemente. Los estándares de
medición que diferentes personas de lugares distintos aplican en el Universo deben
producir el mismo resultado. Además, los estándares que se usan para mediciones
no deben cambiar con el tiempo.
En 1960, un comité internacional estableció un conjunto de estándares para las
cantidades fundamentales de la ciencia. Se llama SI (Sistema Internacional) y sus
unidades fundamentales de longitud, masa y tiempo son metro, kilogramo y segundo,
respectivamente. Otros estándares para las unidades fundamentales SI establecidas
por el comité son las de temperatura (el kelvin), corriente eléctrica (el ampere), la
intensidad luminosa (la candela) y la cantidad de sustancia (el mol).
1.1

37. 4 Capítulo 1 Física y medición
Longitud
La distancia entre dos puntos en el espacio se identifica como longitud. En 1120 el
rey de Inglaterra decretó que el estándar de longitud en su país se llamaría yarda y
sería precisamente igual a la distancia desde la punta de su nariz hasta el final de
su brazo extendido. De igual modo, el estándar original para el pie adoptado por los
franceses era la longitud del pie real del rey Luis XIV. Ninguno de dichos estándares
es constante en el tiempo; cuando un nuevo rey subía al trono, ¡cambiaban las longi-
tudes! El estándar francés prevaleció hasta 1799, cuando el estándar legal de longitud
en Francia se volvió el metro (m), definido como una diezmillonésima de la distancia
del Ecuador al Polo Norte a lo largo de una línea longitudinal particular que pasa por
París. Observe que este valor es un estándar razonado en la Tierra, que no satisface el
requerimiento de que se puede usaratravésdelUniverso.
Tan recientemente como 1960, la longitud del metro se definió como la distancia
entre dos líneas en una específica barra de platino–iridio que se almacena bajo condi-
ciones controladas en Francia. Sin embargo, los requerimientos actuales de la ciencia
y la tecnología necesitan más precisión que la dada por la separación entre las líneas
en la barra. En las décadas de los sesenta y setenta del milenio pasado, el metro se
definió como 1 650 763.73 longitudes de onda1 de la luz naranja–rojo emitida de una
lámpara de criptón 86. No obstante, en octubre de 1983, el metro se redefinió como
la distancia recorrida por la luz en el vacío durante un tiempo de 1/299 792 458 segun-
dos. En efecto, esta última definición establece que la rapidez de la luz en el vacío es
precisamente 299 792 458 metros por segundo. Esta definición del metro es válida a
través del Universo con la suposición de que la luz es la misma en todas partes.
La tabla 1.1 enlista valores aproximados de algunas longitudes observadas. Debe
estudiar esta tabla, así como las siguientes dos tablas, y comenzar a desarrollar una
intuición de lo que significa, por ejemplo, una longitud de 20 centímetros, una masa
de 100 kilogramos o un intervalo de tiempo de 3.2 3 107 segundos.
Masa
La unidad fundamental de masa en el SI, el kilogramo (kg), está definida como la
masa de un cilindro de aleación platino–iridio específico que se conserva en
la Oficina Internacional de Pesos y Medidas en Sèvres, Francia. Esta masa estándar
fue establecida en 1887 y no ha cambiado desde esa época porque el platino–iridio es
1Se usará la notación internacional estándar para números con más de tres dígitos, en éstos los grupos de tres dígitos
se separan por espacios en lugar de comas. Por lo tanto, 10 000 es lo mismo que la notación estadounidense común de
10,000. De igual modo, p 5 3.14159265 se escribe como 3.141 592 65.
Valores aproximados de algunas longitudes medidas
Longitud (m)
Distancia de la Tierra al quasar conocido más remoto 1.4 3 1026
Distancia de la Tierra a las galaxias normales más remotas 9 3 1025
Distancia de la Tierra a la galaxia más cercana (Andrómeda) 2 3 1022
Distancia del Sol a la estrella más cercana (Próxima Centauri) 4 3 1016
Un año luz 9.46 3 1015
Radio orbital medio de la Tierra en torno al Sol 1.50 3 1011
Distancia media de la Tierra a la Luna 3.84 3 108
Distancia del Ecuador al Polo Norte 1.00 3 107
Radio medio de la Tierra 6.37 3 106
Altitud típica (sobre la superficie) de un satélite que orbita la Tierra 2 3 105
Longitud de un campo de futbol 9.1 3 101
Longitud de una mosca 5 3 1023
Tamaño de las partículas de polvo más pequeñas , 1024
Tamaño de las células de la mayoría de los organismos vivientes , 1025
Diámetro de un átomo de hidrógeno , 10210
Diámetro de un núcleo atómico , 10214
Diámetro de un protón , 10215
Tabla 1.1
Prevención de riesgos
ocultos 1.1
Valores razonables Es importante
desarrollar la intuición acerca
de valores típicos de cantidades
cuando se resuelven problemas,
porque debe pensar acerca de
su resultado final y determinar
si parece razonable. Si calcula la
masa de una mosca y llega a un
valor de 100 kg, esta respuesta
es irracional y hay un error en
alguna parte.