Giancoli Fisica 1

Vistenos enwww.pearsoneducacion.net

Esta obra tiene como objetivo explicar la fsica de una forma sencilla e interesante quesea accesible y clara, pretende brindar a los estudiantes una comprensin profunda delos conceptos bsicos de la fsica en todos sus aspectos.

Esta nueva edicin en dos volmenes ha sido diseada especialmente para cubrir cur-sos semestrales de introduccin a la fsica basados en lgebra y trigonometra, pero noen clculo.

Muestra a los estudiantes cun til es la fsica en sus propias vidas y en sus profesionesfuturas por medio de aplicaciones interesantes. Adems, se ha puesto especial nfasisen explicar tcnicas y enfoques para resolver problemas.

Cambios en la sexta edicin:

1. Ejercicios dentro del texto para que los estudiantes verifiquen su comprensin2. Ahora todos los ejemplos numricos trabajados tienen un breve prrafo de

introduccin antes de la solucin3. Nuevos ejemplos paso a paso 4. Nuevos ejemplos conceptuales5. Nuevas aplicaciones como las detalladas descripciones basadas en la fsica

de las pantallas de cristal lquido (LCD), las cmaras digitales (con CCD) y laextensa cobertura de los dispositivos elctricos y su manejo seguro.

La obra tiene como apoyo al sitio Web:

www.pearsoneducacion.net/giancoli

F

SI

CA

Volum

en 1G

IAN

CO

LI

G I A N C O L IS e x t a e d i c i n

Vo l u m e n 1

PEAR

SON

PREN

TICE H

ALL

Port giancoli fondo k vol 1 ok 16/2/06 11:27 AM Page 1

Constantes fundamentales

Cantidad Smbolo Valor aproximado Mejor valor actual

Rapidez de la luz en el vaco cConstante gravitacional GNmero de AvogadroConstante de gas R

Constante de Boltzmann kCarga del electrn eConstante Stefan-BoltzmannPermitividad del espacio librePermeabilidad del espacio libreConstante de Planck hMasa en reposo del electrn

Masa en reposo del protn

Masa en reposo del neutrn

Unidad de masa atmica

CODATA (1203), Peter J. Mohr y Barry N. Taylor, National Institute of Standards and Technology. Los nmeros entre parntesis indican incertidumbresexperimentales de una desviacin estndar en los dgitos finales. Los valores sin parntesis son exactos (es decir, son cantidades definidas).

= 931.494043(80) MeVc21.66053886(28) * 1027 kg1.6605 * 1027 kg = 931.5 MeVc2= 1.00866491560(55) u= 939.6 MeVc2

1.67492728(29) * 1027 kg1.6749 * 1027 kg = 1.008665 umn= 1.00727646688(13) u= 938.3 MeVc2

1.67262171(29) * 1027 kg1.6726 * 1027 kg = 1.00728 ump= 5.4857990945(24) * 104 u= 0.511 MeVc2

9.1093826(16) * 1031 kg9.11 * 1031 kg = 0.000549 ume6.6260693(11) * 1034 Js6.63 * 1034 Js1.2566370614 p * 106 T mA4p * 107 T mAm08.854187817 p * 1012 C2Nm28.85 * 1012 C2Nm20 = A1c2m0B5.670400(40) * 108 Wm2 K45.67 * 108 Wm2 K4s1.60217653(14) * 1019 C1.60 * 1019 C1.3806505(24) * 1023 JK1.38 * 1023 JK

= 0.0821 L atmmol K8.314472(15) JmolK8.314 JmolK = 1.99 calmolK6.0221415(10) * 1023 mol16.02 * 1023 mol1NA6.6742(10) * 1011 Nm2kg26.67 * 1011 Nm2kg22.99792458 * 108 ms3.00 * 108 ms

Otros datos tiles

Equivalente en joule (1 cal) 4.186 JCero absoluto (0 K)Aceleracin de la gravedad enla superficie de la Tierra (prom.)

Rapidez del sonido en el aire 343Densidad del aire (seco)

Tierra: MasaRadio (medio)

Luna: MasaRadio (medio)

Sol: MasaRadio (medio)

Distancia Tierra-Sol (media)Distancia Tierra-Luna (media) 384 * 103 km

149.6 * 106 km6.96 * 105 km1.99 * 1030 kg1.74 * 103 km7.35 * 1022 kg6.38 * 103 km5.98 * 1024 kg1.29 kgm3

ms9.80 ms2 (= g)

273.15C

El alfabeto griego

AlfaBetaGammaDeltaEpsilonZetaEtaThetaIotaKappaLambdaMu m

lk

i

uh

z

e

dg

b

a NuXiOmicronPiRhoSigmaTauUpsilonPhiChiPsiOmega v

cx

f, wy

t

sr

poj

n

Valores de algunos nmeros

1 rad = 57.2957795ln 10 = 2.3025851 13 = 1.7320508 e = 2.7182818log10 e = 0.4342945ln 2 = 0.6931472 12 = 1.4142136 p = 3.1415927

Signos y smbolos matemticos Propiedades del agua

Densidad (4C)

Calor de fusin (0C)( )

Calor de vaporizacin(100C) ( )

Calor especfico (15C)

ndice de refraccin 1.33

(1.00 kcalkgC)4186 Jkg C

539 kcalkg2260 kJkg

80 kcalkg333 kJkg1.000 kgm3es proporcional a

es igual aes aproximadamente igual ano es igual aes mayor quees mucho mayor quees menor quees mucho menor queV

6W7ZL=r es menor que o igual a

es mayor que o igual asuma devalor promedio de xcambio en x

tiende a ceron! n(n - 1)(n - 2) p (1)

xx S 0xxg

Frmulas geomtricas tiles. reas, volmenes

Circunferencia de crculo

rea de crculo

rea de rectngulo

rea de paralelogramo

rea de tringulo

Tringulo rectngulo(Pitgoras)

Esfera: rea superficialvolumen

Slido rectangular:volumen

Cilindro (recto):rea superficialvolumen

Cono circular recto:rea superficialvolumen V = 13 pr2h

A = pr2 + pr 3r2 + h2

V = pr2l A = 2prl + 2pr2

V = lwh

V = 43 pr3 A = 4pr2

c2 = a2 + b2

A = 12 hb

A = bh

A = lw

A = pr2 =pd2

4

C = pd = 2prCd

r

lw

h

bh

hb b

h

ba

c

lwh

lr

hr

Exponentes [Vase apndice A-2 para detalles]

[Ejemplo: ][Ejemplo: ]

[Ej.: ]

an

bn= a a

bb n

Aa5B Aa2B = a3= an-m AanB AamB = anam

a12 = 1a a

14 = 21a

a1 =1a an =

1an

a0 = 1

cEjemplo: Ejemplo:

Aa3B2 = a6Aa14B4 = a d

AanBm = anmAa3B Ab3B = (ab)3AanB AbnB = (ab)nAa3B Aa2B = a5AanB AamB = an+m

Frmula cuadrtica [apndice A-4]

La ecuacin con incgnita x en la forma

tiene soluciones

x =b P 3b2 - 4ac

2a.

ax2 + bx + c = 0,

Expansin binomial [apndice A-5]

[para ]

si

[Ejemplo: ]

[Ejemplo: ]110.99

=1

11 - 0.01= (1 - 0.01)

12 L 1 - A 12B(0.01) L 1.005

(1 + 0.01)3 L 1.03x V 1 L 1 + nx

x2 6 1 (1 + x)n = 1 + nx +n(n - 1)

2 1 x2 +

n(n - 1)(n - 2)3 2 1

x3 + p

Logaritmos [apndice A-8; tabla p. A-11]

Si

Si

log an = n log a

log a ab

b = log a - log blog (ab) = log a + log b

y = ex, entonces x = loge y = ln y.

y = 10x, entonces x = log10 y = log y.

Fracciones

a ab

ba c

db=

ad

bc

a

b=

c

d es lo mismo que ad = bc

Frmulas trigonomtricas [apndice A-7]

tan u =op

ady

cos u =ady

hip

sen u =op

hip

[para pequeos ]

[para pequeos ]

Para cualquier tringulo:(ley de cosenos)

(ley de senos)sen a

a=

sen b

b=

sen g

c

c2 = a2 + b2 - 2ab cos g

cos (A P B) = cos A cos B7sen A sen Bsen (A P B) = sen A cos B P cos A sen B

u f 0.2 radcos u L 1 -u2

2

u f 0.2 radsen u L u

cos 12 u = 3(1 + cos u)2sen 12 u = 3(1 - cos u)2

cos(90 - u) = sen usen (90 - u) = cos u

cos (180 - u) = cos usen (180 - u) = sen u

hip (hipo

tenusa)

ady (adyacente)

op (opuesto)

c

ab

r

(Teorema de Pitgoras)

cos 2u = (cos2 u - sen2 u) = (1 - 2 sen2 u) = (2 cos2 u - 1)sen 2u = 2 sen u cos usen2 u + cos2 u = 1

tan u =sen ucos u

ady2 + op2 = hip2

f 0 6 u 6 90

Forros ok 16/2/06 9:53 AM Page 1

FSICAPRINCIPIOS CON APLICACIONES

FSICAPRINCIPIOS CON APLICACIONES

SEXTA EDICIN

Volumen 1

DOUGLAS C. GIANCOLI

REVISIN TCNICA:Agustn Vzquez Snchez

Instituto Tecnolgico y de Estudios Superioresde MonterreyCampus Estado de Mxico

Alberto Lima SnchezProfesor de Fsica Preparatoria-Universidad La Salle

Tufik ZambranoProfesor de FsicaGimnasio La FontanaBogot, Colombia

Jos Vicente Contreras JulioProfesor de Fsica y Matemticas Seccin Bachillerato Gimnasio Britnico Bogot, Colombia

Sebastin Torrez GutirrezProfesor de Fsica Colegio Jordn de SajoniaBogot, Colombia

Hernando Julio Garrido InsignaresProfesor de FsicaInstituto Tcnico CentralBogot, Colombia

TRADUCCIN:Vctor Campos Olgun

Traductor profesional

Editor-in-Chief, Science: John ChalliceSenior Acquisitions Editor: Erik FahlgrenSenior Development Editor: Karen KarlinVice President of Production and Manufacturing: David RiccardiExecutive Managing Editor: Kathleen SchiaparelliSenior Production Editor: Susan FisherProduction Editor: Chirag ThakkarManufacturing Manager: Trudy PisciottiManufacturing Buyer: Alan FischerManaging Editor, Audio and Visual Assets: Patricia BurnsAV Project Managers: Adam Velthaus and Connie LongAssistant Managing Editor, Science Media: Nicole BushAssociate Editor: Christian BottingMedia Editor: Michael J. Richards

Director of Creative Services: Paul BelfaantiAdvertising and Promotions Manager: Elise SchneiderCreative Director: Carole AnsonArt Director: Maureen EideIllustration: ArtworksMarketing Manager: Mark PfaltzgraffEditor-in-Chief of Development: Carol TrueheartDirector, Image Research Center: Melinda ReoPhoto Research: Mary Teresa Giancoli and Jerry MarshallManager, Rights and Permissions: Cynthia VincentiCopy Editor: Jocelyn PhillipsIndexer: Steele/KatigbakEditorial Assistant: Andrew SobelComposition: Emilcomp srl / Prepare Inc.

Datos de catalogacin bibliogrfica

GIANCOLI, C. DOUGLAS

FSICA. Principios con aplicaciones. Volumen 1 Sexta edicin

PEARSON EDUCACIN, Mxico, 2006ISBN: 970-26-0776-0

rea: UniversitariosFormato: 21 27 cm Pginas: 336

Authorized translation from the English language edition, entitled Physics: principles with applications 6th ed., by Douglas C. Giancoli, published by Pearson Education, Inc., publishing as PRENTICE HALL, INC., Copyright 2005. All rights reserved.

ISBN 0-13-060620-0

Traduccin autorizada de la edicin en idioma ingls, titulada Physics: principles with applications 6a ed., de Douglas C. Giancoli, publicada por Pearson Education, Inc., como PRENTICE HALL, INC., Copyright 2005. Todos los derechos reservados.

Esta edicin en espaol es la nica autorizada.

Edicin en espaolEditor: Enrique Quintanar Duarte

e-mail: [email protected] Editor de desarrollo: Felipe Hernndez CarrascoSupervisor de produccin: Jos D. Hernndez Garduo

Edicin en ingls:

SEXTA EDICIN, 2006D.R. 2006 por Pearson Educacin de Mxico, S.A. de C.V.

Atlacomulco nm. 500 5 pisoCol. Industrial Atoto53519 Naucalpan de Jurez, Edo. de Mxico

Cmara Nacional de la Industria Editorial Mexicana. Reg. nm. 1031

Prentice Hall es una marca registrada de Pearson Educacin de Mxico, S.A. de C.V.

Reservados todos los derechos. Ni la totalidad ni parte de esta publicacin pueden reproducirse, registrarse o transmitirse, por un sistema de recuperacin deinformacin, en ninguna forma ni por ningn medio, sea electrnico, mecnico, fotoqumico, magntico o electroptico, por fotocopia, grabacin o cualquierotro, sin permiso previo por escrito del editor.

El prstamo, alquiler o cualquier otra forma de cesin de uso de este ejemplar requerir tambin la autorizacin del editor o de sus representantes.ISBN 970-26-0776-0

Impreso en Mxico. Printed in Mexico.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 - 09 08 07 06

vii

CONTENIDO

LISTA DE APLICACIONES xiiiPREFACIO xvCOMPLEMENTOS Y MEDIOS AUDIOVISUALES

DISPONIBLES xxiiiNOTAS A LOS ESTUDIANTES (Y PROFESORES)

ACERCA DEL FORMATO xxvii

VOLUMEN 1

1INTRODUCCIN, MEDICIN, ESTIMACIN 1

1-1 La naturaleza de la ciencia 11-2 La fsica y su relacin con otros campos 31-3 Modelos, teoras y leyes 41-4 Medicin e incertidumbre;

cifras significativas 51-5 Unidades, estndares y el sistema SI 81-6 Conversin de unidades 101-7 Orden de magnitud: estimacin rpida 12

*1-8 Dimensiones y anlisis dimensional 14RESUMEN 15 PREGUNTAS 16PROBLEMAS 16 PROBLEMAS GENERALES 17

2DESCRIPCIN DEL MOVIMIENTO: CINEMTICA EN UNA DIMENSIN 19

2-1 Marcos de referencia y desplazamiento 202-2 Velocidad promedio 212-3 Velocidad instantnea 232-4 Aceleracin 232-5 Movimiento con aceleracin constante 262-6 Resolucin de problemas 282-7 Cada de objetos 31

*2-8 Anlisis grfico del movimiento lineal 36RESUMEN 38 PREGUNTAS 38PROBLEMAS 39 PROBLEMAS GENERALES 42

3CINEMTICA EN DOSDIMENSIONES; VECTORES 45

3-1 Vectores y escalares 453-2 Suma de vectores: mtodos grficos 463-3 Resta de vectores y multiplicacin

de un vector por un escalar 483-4 Suma de vectores por medio

de componentes 493-5 Movimiento de proyectiles 543-6 Resolucin de problemas que implican

el movimiento de proyectiles 56*3-7 El movimiento de proyectiles es parablico 62*3-8 Velocidad relativa 62

RESUMEN 64 PREGUNTAS 65PROBLEMAS 65 PROBLEMAS GENERALES 69

4DINMICA: LEYESDEL MOVIMIENTO DE NEWTON 72

4-1 Fuerza 724-2 Primera ley del movimiento de Newton 734-3 Masa 754-4 Segunda ley del movimiento de Newton 754-5 Tercera ley del movimiento de Newton 774-6 Peso: la fuerza de gravedad

y la fuerza normal 804-7 Resolucin de problemas con las leyes

de Newton: diagramas de cuerpo libre 844-8 Problemas que implican friccin

y planos inclinados 904-9 Resolucin de problemas:

Un enfoque general 96RESUMEN 96 PREGUNTAS 97PROBLEMAS 98 PROBLEMAS GENERALES 103

5MOVIMIENTO CIRCULARY GRAVITACIN 106

5-1 Cinemtica del movimiento circular uniforme 1065-2 Dinmica del movimiento circular uniforme 1095-3 Curvas en las autopistas, peraltadas

y sin peralte 112*5-4 Movimiento circular no uniforme 115*5-5 Centrifugacin 116

5-6 Ley de la gravitacin universal de Newton 1175-7 Gravedad cerca de la superficie

de la Tierra; aplicaciones geofsicas 1215-8 Los satlites y la ingravidez 122

*5-9 Leyes de Kepler y sntesis de Newton 1255-10 Tipos de fuerzas en la naturaleza 128


6 TRABAJO Y ENERGA 1366-1 Trabajo realizado por una fuerza constante 137

*6-2 Trabajo realizado por una fuerza variable 1416-3 Energa cintica y el principio

trabajo-energa 1416-4 Energa potencial 1446-5 Fuerzas conservativas y no conservativas 1486-6 Energa mecnica y su conservacin 1496-7 Resolucin de problemas a partir de la

conservacin de la energa mecnica 1506-8 Otras formas de energa; transformaciones

de energa y la ley de conservacin dela energa 155

6-9 Conservacin de energa con fuerzas disipativas: Resolucin de problemas 156

6-10 Potencia 158RESUMEN 160 PREGUNTAS 160PROBLEMAS 162 PROBLEMAS GENERALES 165

7 CANTIDAD DE MOVIMIENTO LINEAL 1677-1 Cantidad de movimiento y su relacin

con la fuerza 1687-2 Conservacin de la cantidad

de movimiento 1707-3 Colisiones e impulso 1737-4 Conservacin de la energa y de

la cantidad de movimiento en colisiones 1757-5 Colisiones elsticas en una dimensin 1767-6 Colisiones inelsticas 178

*7-7 Colisiones en dos o tres dimensiones 1797-8 Centro de masa (CM) 182

*7-9 CM del cuerpo humano 184*7-10 Centro de masa y movimiento

de traslacin 185RESUMEN 187 PREGUNTAS 187PROBLEMAS 188 PROBLEMAS GENERALES 192

8 MOVIMIENTO DE ROTACIN 1948-1 Cantidades angulares 1958-2 Aceleracin angular constante 2018-3 Movimiento de rodamiento

(sin deslizamiento) 2028-4 Torca 2038-5 Dinmica de rotacin; torca e inercia

de rotacin 2068-6 Resolucin de problemas de dinmica

de rotacin 2088-7 Energa cintica de rotacin 2108-8 Cantidad de movimiento angular

y su conservacin 213*8-9 Naturaleza vectorial de las cantidades

angulares 215RESUMEN 217 PREGUNTAS 217PROBLEMAS 219 PROBLEMAS GENERALES 223

9EQUILIBRIO ESTTICO; ELASTICIDAD Y FRACTURA 226

9-1 Condiciones para el equilibrio 2279-2 Resolucin de problemas de esttica 229

*9-3 Aplicaciones a msculos y articulaciones 2349-4 Estabilidad y balance 236

*9-5 Elasticidad; tensin y deformacin 237*9-6 Fractura 241*9-7 Cubrir un espacio: arcos y domos 243


VOLUMEN 2

10 FLUIDOS 25510-1 Fases de la materia 25510-2 Densidad y gravedad especfica 25610-3 Presin en fluidos 25710-4 Presin atmosfrica y presin

manomtrica 25910-5 Principio de Pascal 26010-6 Medicin de presin; manmetros

y el barmetro 26010-7 Flotabilidad y principio de Arqumedes 26310-8 Fluidos en movimiento; tasa de flujo

y ecuacin de continuidad 26810-9 Ecuacin de Bernoulli 27010-10 Aplicaciones del principio de Bernoulli:

de Torricelli a los aviones,las pelotas de bisbol y la isquemia 272

*10-11 Viscosidad 274*10-12 Flujo en tubos: ecuacin de Poiseuille,

flujo sanguneo 275*10-13 Tensin superficial y capilaridad 276*10-14 Bombas y el corazn 278


viii CONTENIDO

11 VIBRACIONES Y ONDAS 28611-1 Movimiento armnico simple 28711-2 La energa en el oscilador armnico simple 28911-3 El periodo y la naturaleza sinusoidal del MAS 29211-4 El pndulo simple 29611-5 Movimiento armnico amortiguado 29811-6 Vibraciones forzadas; resonancia 29911-7 Movimiento ondulatorio 30011-8 Tipos de ondas: transversales

y longitudinales 30311-9 Energa transportada por las ondas 305

*11-10 Intensidad relacionada con la amplitud y la frecuencia 306

11-11 Reflexin y transmisin de ondas 30711-12 Interferencia; principio de superposicin 30811-13 Ondas estacionarias; resonancia 310

*11-14 Refraccin 312*11-15 Difraccin 313*11-16 Representacin matemtica

de una onda viajera 314RESUMEN 315 PREGUNTAS 316PROBLEMAS 317 PROBLEMAS GENERALES 320

12 SONIDO 32212-1 Caractersticas del sonido 32212-2 Intensidad del sonido: decibeles 325

*12-3 El odo y su respuesta; intensidad 32812-4 Fuentes de sonido: cuerdas que vibran

y columnas de aire 329*12-5 Calidad del sonido y ruido; superposicin 334

12-6 Interferencia de ondas sonoras; batimientos 33512-7 Efecto Doppler 338

*12-8 Ondas de choque y estampido supersnico 342*12-9 Aplicaciones: sonar, ultrasonido

y formacin de imgenes en medicina 343RESUMEN 345 PREGUNTAS 346PROBLEMAS 347 PROBLEMAS GENERALES 349

13TEMPERATURAY TEORA CINTICA 352

13-1 Teora atmica de la materia 35213-2 Temperatura y termmetros 354

*13-3 El equilibrio trmico y la ley cero de la termodinmica 357

13-4 Expansin trmica 357*13-5 Tensiones trmicas 361

13-6 Las leyes de los gases y la temperatura absoluta 361

13-7 La ley del gas ideal 36313-8 Resolucin de problemas con la ley

del gas ideal 36413-9 La ley del gas ideal en trminos

de molculas: nmero de Avogadro 36613-10 La teora cintica y la interpretacin

molecular de la temperatura 367*13-11 Distribucin de la rapidez molecular 371*13-12 Gases reales y cambios de fase 371*13-13 Presin de vapor y humedad 373*13-14 Difusin 376


14 CALOR 38414-1 El calor como transferencia de energa 38514-2 Energa interna 38614-3 Calor especfico 38714-4 Calorimetra. Resolucin de problemas 38814-5 Calor latente 39114-6 Transferencia de calor: conduccin 39514-7 Transferencia de calor: conveccin 39714-8 Transferencia de calor: radiacin 399


15LAS LEYESDE LA TERMODINMICA 408

15-1 La primera ley de la termodinmica 40915-2 Procesos termodinmicos

y la primera ley 410*15-3 Metabolismo humano y la primera ley 414

15-4 Segunda ley de la termodinmica.Introduccin 415

15-5 Mquinas trmicas 41615-6 Refrigeradores, acondicionadores

de aire y bombas trmicas 42115-7 Entropa y segunda ley

de la termodinmica 42415-8 Del orden al desorden 42615-9 Agotamiento de energa; muerte trmica 426

*15-10 Evolucin y crecimiento;flecha del tiempo 427

CONTENIDO ix

*15-11 Interpretacin estadstica de la entropa y de la segunda ley 428

*15-12 Contaminacin trmica y calentamiento global 430RESUMEN 432 PREGUNTAS 433PROBLEMAS 433 PROBLEMAS GENERALES 436

16CARGA ELCTRICAY CAMPO ELCTRICO 439

16-1 Electricidad esttica; carga elctrica y su conservacin 440

16-2 Carga elctrica en el tomo 44116-3 Aisladores y conductores 44116-4 Carga inducida; el electroscopio 44216-5 Ley de Coulomb 44416-6 Resolucin de problemas en los que

participan la ley de Coulomb y vectores 44716-7 El campo elctrico 45016-8 Lneas de campo 45416-9 Campos elctricos y conductores 456

*16-10 Ley de Gauss 457*16-11 Fuerzas elctricas en biologa molecular:

estructura y replicacin del ADN 460*16-12 Las mquinas de fotocopiado y las impresoras

de computadora usan electrosttica 462RESUMEN 463 PREGUNTAS 464PROBLEMAS 465 PROBLEMAS GENERALES 468

17 POTENCIAL ELCTRICO 47017-1 Energa potencial elctrica y diferencia

de potencial 47017-2 Relacin entre potencial elctrico

y campo elctrico 47417-3 Lneas equipotenciales 47417-4 El electronvolt, una unidad de energa 47617-5 Potencial elctrico debido a cargas

puntuales 476*17-6 Potencial debido a dipolo elctrico;

momento de dipolo 47917-7 Capacitancia 480

17-8 Dielctricos 48217-9 Almacenamiento de energa elctrica 484

*17-10 Tubo de rayos catdicos: monitores de televisin, computadoras y osciloscopio 485

*17-11 El electrocardiograma (ECG) 487RESUMEN 488 PREGUNTAS 488PROBLEMAS 489 PROBLEMAS GENERALES 491

18 CORRIENTES ELCTRICAS 49318-1 La batera elctrica 49418-2 Corriente elctrica 49618-3 Ley de Ohm: resistencia y resistores 49818-4 Resistividad 50018-5 Potencia elctrica 50218-6 Potencia en circuitos caseros 50518-7 Corriente alterna 506

*18-8 Visin microscpica de la corriente elctrica 509

*18-9 Superconductividad 510*18-10 Conduccin elctrica en el sistema nervioso

humano 510RESUMEN 514 PREGUNTAS 514PROBLEMAS 515 PROBLEMAS GENERALES 518

19 CIRCUITOS CD 52019-1 Fem y voltaje en terminales 52019-2 Resistores en serie y en paralelo 52219-3 Reglas de Kirchhoff 528

*19-4 Fem en serie y en paralelo; cmo cargar una batera 532

19-5 Circuitos que contienen capacitores en serie y en paralelo 533

19-6 Circuitos RC. Resistor y capacitor en serie 53519-7 Riesgos elctricos 538

*19-8 Ampermetros y voltmetros 541RESUMEN 545 PREGUNTAS 545PROBLEMAS 547 PROBLEMAS GENERALES 551

20 MAGNETISMO 55420-1 Imanes y campos magnticos 55420-2 Las corrientes elctricas producen

campos magnticos 55720-3 Fuerza sobre una corriente elctrica en un

campo magntico; definicin de 55820-4 Fuerza sobre una carga elctrica

que se mueve en un campo magntico 56020-5 Campo magntico debido a un largo

alambre recto 56320-6 Fuerza entre dos alambres paralelos 56520-7 Solenoides y electroimanes 567

*20-8 Ley de Ampre 568

BB

x CONTENIDO

*20-9 Torca sobre un lazo de corriente;momento magntico 570

*20-10 Aplicaciones: galvanmetros, motores,bocinas 571

*20-11 Espectrmetro de masas 57220-12 Ferromagnetismo: dominios e histresis 573


21INDUCCIN ELECTROMAGNTICAY LEY DE FARADAY 584

21-1 Fem inducida 58421-2 Ley de induccin de Faraday; ley de Lenz 58621-3 Fem inducida en un conductor

en movimiento 59021-4 El flujo magntico variable produce

un campo elctrico 59121-5 Generadores elctricos 592

*21-6 Fuerza contraelectromotriz y contra torca; corrientes parsitas 593

21-7 Transformadores y transmisin de potencia 59521-8 Aplicaciones de la induccin: sistemas

de sonido, memoria de computadora,sismgrafo, GFCI 598

*21-9 Inductancia 600*21-10 Energa almacenada en un campo magntico 602*21-11 Circuito LR 602*21-12 Circuitos CA y reactancia 603*21-13 Circuito CA LRC en serie 606*21-14 Resonancia en circuitos CA 608


22 ONDAS ELECTROMAGNTICAS 61522-1 Los campos elctricos variables

producen campos magnticos;ecuaciones de Maxwell 616

22-2 Produccin de ondas electromagnticas 61722-3 La luz como una onda electromagntica

y el espectro electromagntico 61922-4 Medicin de la rapidez de la luz 622

*22-5 Energa en ondas EM 623

*22-6 Transferencia de cantidad de movimiento y presin de radiacin 625

*22-7 Radio y televisin, comunicacin inalmbrica 626RESUMEN 629 PREGUNTAS 629PROBLEMAS 629 PROBLEMAS GENERALES 631

APNDICESA REPASO MATEMTICO A-1A-1 Relaciones, proporcionalidad y ecuaciones A-1A-2 Exponentes A-2A-3 Potencias de 10 o notacin exponencial A-3A-4 lgebra A-3A-5 La expansin binomial A-6A-6 Geometra plana A-7A-7 Funciones trigonomtricas e identidades A-8A-8 Logaritmos A-10

B ISTOPOS SELECCIONADOS A-12

C MARCOS DE REFERENCIA EN ROTACIN; FUERZAS INERCIALES; EFECTO CORIOLIS A-16

D CALORES ESPECFICOS MOLARES PARA GASESY LA EQUIPARTICIN DE LA ENERGA A-20

E TRANSFORMACIONES GALILEANASY DE LORENTZ A-23

RESPUESTAS A PROBLEMAS CON NMERO IMPAR A-27NDICE A-40CRDITOS DE FOTOGRAFAS A-51

CONTENIDO xi

xii CONTENIDO

APLICACIONES xiii

APLICACIONES A LA BIOLOGA Y LA MEDICINACaptulo 1Estimacin del nmero de latidos

en una vida 13

Captulo 4Cmo caminamos 79

Captulo 5Centrifugado 116, 201

Captulo 7No se rompa una pierna 174Centro de masa de partes

del cuerpo 184

Captulo 8Torca del bceps 205, 221

Captulo 9Enderezamiento de dientes 227Fuerzas en msculos

y articulaciones 234Insercin de msculo y palanca

de brazo 234Columna vertebral, dolor de espalda 235Equilibrio del cuerpo 236

Captulo 10Suspensin del cuerpo en el agua 255Circulacin sangunea 269Falta de sangre en el cerebro:

isquemia 273

Flujo sanguneo y enfermedad cardiaca 275

Insecto sobre la superficie del agua 276El corazn como bomba 278Presin sangunea 278

Captulo 11Telaraa 293Ecolocalizacin en ballenas

y murcilagos 304Captulo 12Amplio rango de la audicin

humana 325, 329El odo humano y su sensibilidad 328Medicin Doppler del flujo

sanguneo y otros usos mdicos 341Formacin de imgenes mdicas

por medio de ultrasonido 344Captulo 13La vida bajo el hielo 360Molculas en una respiracin 367La evaporacin enfra 374, 395Difusin en organismos vivos 378Captulo 14Quema de caloras 386Conveccin por medio de la sangre 399Prdida de calor radiado

de los humanos 400Termografa mdica 402

Captulo 15Energa en el cuerpo humano 414Evolucin biolgica y desarrollo 427Captulo 16Clulas: fuerzas elctricas

ms teora cintica 460Estructura y replicacin del

ADN 460Captulo 17Dipolos en biologa molecular 480Quemadura o choque por capacitor 485Defibrilador cardiaco 485Electrocardiograma (ECG) 487

Captulo 18Conduccin elctrica en el sistema

nervioso humano 510

Captulo 19Marcapasos cardiaco 538Choque elctrico, conduccin

a tierra y seguridad 539

Captulo 21Medicin em del flujo sanguneo 590Interruptores de circuito para

falla a tierra 599Marcapasos 599

Captulo 22Pinzas pticas 626

APLICACIONES A OTROS CAMPOS Y A LA VIDA COTIDIANACaptulo 1Los picos de 8000 m 10Estimacin del volumen de un lago 12Estimacin de la altura por medio

de triangulacin 13

Captulo 2Diseo de pistas de aterrizaje

de aeropuertos 27Seguridad automovilstica: bolsas

de aire 29Distancias de frenado 30Trnsito rpido 42

Captulo 3Cmo patear un baln de ftbol 58, 61Deportes de pelotas 66, 67, 70, 71

Captulo 4Aceleracin de un cohete 78Qu fuerza acelera a un automvil? 79Elevador y contrapeso 88Ventaja mecnica de la polea 89Ascensin de montaas 102, 105

Captulo 5Derrapar en una curva 113Frenos antibloqueo 113Curvas peraltadas 114Aplicaciones geofsicas 122

Satlites terrestres artificiales 122Satlites geosincrnicos 123Ingravidez 124

Captulo 6Distancia de frenado

de un automvil 144Montaa rusa 151, 157Salto con garrocha 152Pistola de dardos 153Potencia de automvil 159Palanca 162

Captulo 7Servicio de tenis 169, 173Retroceso de un arma 172Cohetes 172, 186Salto alto 185

Captulo 8Disco duro y rapidez de bit 200Patinador, clavadista en rotacin 214Colapso de estrella de neutrones 215

Captulo 9Palanca 229Puente levadizo 231Concreto reforzado y pretensado 242Colapso trgico 242Arcos y domos 243

a v2

Captulo 10Frenos de automvil, elevador

hidrulico 260Hidrmetro 266Alas de avin, sustentacin 272Navegacin contra el viento 273Una curva de bisbol 273Tensin superficial, capilaridad 277Jabones y detergentes 277Bombas 278Captulo 11Reloj de pndulo 297Muelles, amortiguadores

de edificios 298Colapso de puente resonante 299Terremotos 304, 305, 306, 313Captulo 12Distancia desde un relmpago 323Cmara de autofoco 324Instrumentos musicales, de cuerda

y de viento 329Ruido del viento 334Afinacin con pulsos 337Efecto Doppler, prediccin del clima 341Corrimiento al rojo en cosmologa 342Estampido supersnico 342Sonar 343

Captulo 13Juntas de expansin 354Apertura de una tapa apretada 359Desbordamiento del tanque

de gasolina 359Peralte de autopista 361Masa (y peso) del aire

en una habitacin 365Presin en una llanta caliente 366Reacciones qumicas, dependencia

de la temperatura 371Superfluidez 373Humedad, clima 375, 376Termostato 379

Captulo 14Prdida de calor a travs

de las ventanas 396Ventanas trmicas 397Valores R de aisladores trmicos 397Cmo asla la ropa 397, 399Calentamiento convectivo

de una casa 398Conveccin en una pendiente 398Radiacin del Sol 401, 402Astronoma: tamao de una estrella 402

Captulo 15Motor de vapor 416Motor de combustin interna 417Refrigerador 421Acondicionador de aire 422Bomba trmica 423Clasificacin SEER 423Contaminacin trmica,

calentamiento global 430Recursos energticos 430

Captulo 16Proteccin elctrica, seguridad 457Mquinas fotocopiadoras 462

Impresoras lser e impresoras de inyeccin de tinta 463

Captulo 17Capacitores en flashes de las cmaras,

respaldos, protectores ante excesos de carga, memoria,teclados 480, 481, 482, 484

Sper alta capacitancia 482TRC: monitores de televisin

y computadoras 486Osciloscopio 486Fotocelda 492Captulo 18Alambres de bocinas 501Termmetro de resistencia 502Elemento de calentamiento,

filamento de bombilla elctrica 503Por qu las bombillas se queman

cuando se encienden por primera vez 503

El relmpago 504Circuitos domsticos 505Fusibles y disyuntores 505Cortos y seguridad 506Extensiones 506Secadores de cabello 508Superconductores 510

Captulo 19Cmo cargar una batera de automvil 532Paso de corriente a un automvil 532Luces intermitentes, limpiaparabrisas 537Riesgos elctricos 538Alambres de tierra y clavijas 540Corriente de fuga 541Lneas de energa elctrica cadas 541Medidores digitales y analgicos 541, 544Conexin de medidores,

correcciones 543-544Condensador de micrfono 546

Captulo 20Uso de brjula, declinacin

magntica 556Aurora boreal 563Electroimanes y solenoides 567Interrupcin por medio de solenoides 567Interruptores magnticos de circuitos 567Motores 571, 572Altavoces 572Espectrmetro de masas 572Bombeo electromagntico 576Rel 577

Captulo 21Estufa de induccin 588Alternadores de automvil 592Corriente de encendido de motor 593Sobrecarga de motor 594Amortiguado de corrientes parsitas 594Detector de metales de los

aeropuertos 595Transformadores de radio 596Transmisin de energa elctrica 597Micrfono magntico 598Lectura/escritura en cinta y discos 598Codificacin digital 598Lectora de tarjeta de crdito 599Sismgrafo 599GFCI (interruptor del circuito

para falla de conexin a tierra) 599Capacitores como filtros 605Resonancia elctrica 608

Captulo 22Transmisin AM y FM 627Sintonizacin de una estacin 627Antenas 628Telfonos celulares, control

remoto, televisin por cable y por satlite 628

xiv APLICACIONES

RECUADROS DE RESOLUCIN DE PROBLEMASCaptulo 2Resolucin de problemas 28Captulo 3Resolucin de problemas: suma

de vectores 53Resolucin de problemas:

movimiento de proyectiles 56Captulo 4Resolucin de problemas: leyes de

Newton; diagramas de cuerpo libre 85Resolucin de problemas: en general 96Captulo 5Resolucin de problemas: movimiento

circular uniforme 112Captulo 6Resolucin de problemas: trabajo 139

Resolucin de problemas:conservacin de la energa 157

Captulo 7Resolucin de problemas:

conservacin de la cantidad de movimiento y colisiones 181


movimiento de rotacin 209Captulo 9Resolucin de problemas:

esttica 230Captulo 14Resolucin de problemas:

calorimetra 394


termodinmica 432Captulo 16Resolucin de problemas:

electrosttica; fuerzas elctricas y campos elctricos 454

Captulo 19Resolucin de problemas: reglas

de Kirchhoff 530Captulo 20Resolucin de problemas: campos

magnticos 562Captulo 21Resolucin de problemas: ley de

Lenz 588

xv

Ver el mundo a travs de ojos que saben fsicaEste libro fue escrito para los estudiantes. Pretende brindar una comprensin profun-da de los conceptos bsicos de la fsica en todos sus aspectos, desde la mecnica hastala fsica moderna. Su meta es explicar la fsica de una forma sencilla e interesante quesea accesible y clara, y ensear a los estudiantes a anticipar sus necesidades y dificul-tades sin una simplificacin excesiva. Un segundo objetivo es mostrarles cun til esla fsica en sus propias vidas y en sus futuras profesiones por medio de aplicaciones in-teresantes. Adems, se ha puesto especial nfasis en explicar tcnicas y enfoques pararesolver problemas.

El texto est especialmente diseado para que los estudiantes tomen un curso deun ao de introduccin a la fsica que se base en lgebra y trigonometra, pero no enclculo. Muchos de estos estudiantes estn especializndose en biologa o inscritosen un curso propedutico para medicina, y otros tal vez estudien arquitectura, tecno-loga, ciencias de la Tierra o ciencias ambientales. Muchas aplicaciones en esos campostienen la intencin de responder a la pregunta comn de los estudiantes: Por qudebo estudiar fsica? La respuesta es que la fsica resulta fundamental para una com-prensin plena de esas especialidades, y aqu ellos vern de qu forma. La fsica lo estodo en el mundo cotidiano. La meta de este libro es ayudar a los estudiantes a ver elmundo a travs de ojos que saben fsica.

Algunas de las nuevas caractersticas en esta sexta edicin son: 1. Ejercicios dentrodel texto para que los estudiantes verifiquen su comprensin; 2. nuevos prrafos para ha-cer el planteamiento de los ejemplos trabajados; 3. nuevos ejemplos que siguen paso apaso cada uno de los Recuadros de Resolucin de Problemas; y 4. nuevas aplicaciones,como las detalladas descripciones basadas en la fsica de las pantallas de cristal lquido(LCD), las cmaras digitales (con CCD) y la extensa cobertura de los dispositivos elctri-cos y su manejo seguro. stos y otros aspectos se resaltan ms adelante.

La fsica y cmo entenderlaHe evitado el rido, dogmtico y comn enfoque de tratar primero los temas de ma-nera formal y abstracta, para slo despus relacionar el material con la propia expe-riencia de los estudiantes. Mi enfoque parte del reconocimiento de que la fsica es unadescripcin de la realidad, de modo que cada tema se inicia con observaciones y expe-riencias concretas con las que los estudiantes estn familiarizados. Luego se procedea hacer generalizaciones y a exponer el tema de manera ms formal. Esto no slo ha-ce que el material sea ms interesante y fcil de comprender, tambin est ms cercade la forma en que en realidad se practica la fsica.

Se ha hecho un gran esfuerzo para no dirigir demasiado a los estudiantes a leer losprimeros captulos. Primero se tiene que aprender lo bsico; ms adelante se explica-rn muchos otros aspectos, cuando los estudiantes estn ms preparados. Si no se lesabruma con demasiados detalles, en especial al principio, es ms probable que consi-deren que la fsica es interesante, divertida y til, y aquellos que tenan miedo de la ma-teria olvidarn su temor.

Las grandes leyes de la fsica estn enmarcadas en una pantalla y van acompaa-das de una nota marginal en letras maysculas encerrada en un rectngulo. Todas lasecuaciones importantes aparecen junto a un nmero para distinguirlas de las menos ti-les. Para ayudar a dejar en claro cules ecuaciones son generales y cules no lo son, laslimitaciones de las ecuaciones importantes se presentan en corchetes junto a la ecua-cin, como en

[aceleracin constante]

Las matemticas en ocasiones constituyen un obstculo para la comprensin delestudiante. Por eso, el libro describe todos los pasos que se siguen en la deduccin de

x = x0 + v0 t + 12 at2.

PREFACIO

N U E V O

una frmula. Las herramientas matemticas importantes, como la suma de vectores yla trigonometra, se incorporan donde se requieren por primera vez en el texto, as quese presentan en un contexto particular y no en un aterrador captulo de introduccin.Los apndices contienen un repaso de lgebra y geometra (ms unos cuantos temasavanzados: marcos de referencia en rotacin, fuerzas inerciales, efecto Coriolis; capa-cidades calorficas de los gases y equiparticin de energa; transformaciones de Lo-rentz). Las unidades del Sistema Internacional (SI) se emplean de principio a fin. Otrasunidades mtricas y britnicas se definen con propsitos informativos.

El captulo 1 no es desechable. Es fundamental para la fsica darse cuenta de quetoda medicin tiene un grado de incertidumbre, y que las cifras significativas lo refle-jan. Convertir unidades y ser capaz de hacer estimaciones rpidas tambin es bsico.Los aspectos culturales al comienzo del captulo 1 amplan la comprensin del mun-do de una persona, mas no tienen que ser cubiertos en clase.

Las mltiples aplicaciones en ocasiones slo sirven como ejemplos de principiosfsicos. Otras se tratan en profundidad. Se han seleccionado cuidadosamente para in-tegrarlas en el texto, de modo que no interfieran con el desarrollo de la fsica, sino msbien que la iluminen. Para facilitar la deteccin de las aplicaciones, aparece una notade fsica aplicada al margen.

Las fotografas que abren cada captulo, algunas de las cuales tienen vectores so-brepuestos, se han elegido de modo que el texto que las acompaa sea una especie deresumen del captulo.

Algunos de los nuevos aspectos de fsica y pedagoga en esta sexta edicin son:

Mayor claridad: Ningn tema, ningn prrafo en este libro se han pasado por al-to en la bsqueda por mejorar la claridad de la presentacin. Se han realizadomuchos cambios y aclaraciones, algunos de ellos pequeos y otros no tanto. Se eli-minaron frases y oraciones que pudieran detener el argumento principal: se tratade exponer lo esencial al principio y explicar los detalles despus.

Notacin vectorial, flechas: Los smbolos para cantidades vectoriales en el tex-to y las figuras ahora tienen una pequea flecha sobre ellos, de modo que son si-milares a lo que el profesor escribe a mano durante su clase. Las letras todavason las tradicionales negritas; por ejemplo, se utiliza para velocidad y parafuerza.

Ejercicios dentro del texto, para que los estudiantes comprueben su comprensin.Las respuestas se proporcionan al final del captulo.

Ejemplos paso a paso, despus de un Recuadro de Resolucin de Problemas, co-mo se explica en la pgina xvii.

Los ejemplos conceptuales no son una caracterstica nueva, pero hay algunos ejem-plos que s lo son.

Ejemplos modificados: Ms pasos matemticos se explican detalladamente y seagregan muchos ejemplos nuevos (vase la pgina xvii).

Diseo de la pgina: Derivaciones completas. Se ha puesto mucha atencin, in-cluso ms que en la edicin anterior, en cmo est formateada cada pgina. Se harealizado un gran esfuerzo para mantener las deducciones y los argumentos im-portantes en pginas enfrentadas. Entonces, los estudiantes no tendrn que voltearla pgina hacia atrs o hacia delante. A lo largo del libro los lectores vern anteellos, en dos pginas enfrentadas, una importante rebanada de fsica.

Subttulos: Muchas de las secciones dentro de un captulo ahora estn divididasen apartados, lo que separa los temas en trozos ms manejables. Ello permite ha-cer pausas para que los estudiantes descansen o recuperen el aliento.

Notas marginales: Precaucin. Las notas marginales, en azul, puntualizan mu-chos temas y hacen las veces de subrayado ayudando a localizar los temas en re-

FB

vB

xvi PREFACIO

N U E V O

N U E V O

N U E V O

N U E V O

PREFACIO xvii

visin. Tambin puntualizan aplicaciones y sugerencias para resolver problemas.Un nuevo ttulo, el de PRECAUCIN, indica posibles malas interpretaciones ana-lizadas en el texto adyacente.

Eliminaciones. Para evitar que el libro sea demasiado largo, y tambin para redu-cir la carga sobre los estudiantes en temas ms avanzados, muchos temas se recor-taron o simplificaron, y unos cuantos se eliminaron.

Nuevos temas de fsica y principales revisionesHe aqu una lista de los principales cambios o adiciones, pero existen muchos otros:

Se usa ms la simetra, incluso para resolver problemasAnlisis dimensional, opcional (cap. 1)Ms grficas en cinemtica (cap. 2)Eficiencia de mquinas (cap. 6, 15)Principio trabajo-energa y conservacin de energa: nuevo apartado (cap. 6); con

enfoque hacia la termodinmica (cap. 15) y la electricidad (cap. 17)Fuerza sobre una pelota de tenis por medio de una raqueta (cap. 7)Alas de aviones, bolas curvas, navegacin y otras aplicaciones del principio de

Bernoulli, mejorado y aclarado con material nuevo (cap. 10)Distincin de interferencia de ondas en espacio y tiempo (pulsos) (cap. 11)Corrimiento Doppler de la luz (ahora cap. 12)Radio de estrella gigante (cap. 14)Primera ley de la termodinmica reescrita y extendida, mejor relacionada con el

principio trabajo-energa y la conservacin de la energa (cap. 15)Agotamiento de recursos energticos (cap. 15)Clasificacin SEER (cap. 15)Separacin de carga en no conductores (cap. 16)Ley de Gauss, opcional (cap. 16)Fotocopiadoras e impresoras de computadora (cap. 16)Direcciones de fuerza y campos elctricos ms enfatizados (cap. 16, 17)Potencial elctrico mejor relacionado con el trabajo, ms detalle (cap. 17)Efecto dielctrico sobre capacitor con y sin conexin a voltaje ms otros detalles

(cap. 17)Derivacin del capacitor de placas paralelas, opcional (cap. 17)Riesgos elctricos, conexin a tierra, seguridad, interruptores de corriente: exten-

dido con mucho material nuevo (cap. 17, 18, 19 especialmente, 20, 21)Corriente elctrica, malas interpretaciones discutidas en el captulo 18Superconductividad actualizada (cap. 18)Voltaje terminal y fem reorganizados, con mayor detalle (cap. 19)Materiales magnticos recortados (cap. 20)Reglas de la mano derecha resumidas en una tabla (cap. 20)Leyes de Faraday y Lenz extendidas (cap. 21)Circuitos CA acortados (cap. 21), desplazamiento de corriente minimizado (cap. 22)Presin de radiacin y cantidad de movimiento de ondas EM (cap. 22)Calores especficos de gases, equiparticin de energa (apndices)

N U E V O

N U E V O

N U E V O

N U E V O

N U E V O

N U E V O

N U E V O

N U E V O

N U E V O

N U E V O

N U E V O

N U E V O

N U E V O

N U E V O

N U E V O

N U E V O

xviii PREFACIO

Resolucin de problemas,con enfoques nuevos y mejoradosSer capaz de resolver problemas es una tcnica valiosa en general. Resolver problemastambin es una manera efectiva de comprender la fsica con mayor profundidad. He aqualgunas de las formas que usa este libro para ayudar a los estudiantes a resolver con xitolos problemas.

Recuadros de resolucin de problemas, en total unos 20, se encuentran a lo largo dellibro (hay un lista en la pgina xiii). Cada uno de ellos subraya una aproximacin pa-so a paso para resolver problemas en general, o de manera especfica, para el materialque se est estudiando. Los mejores estudiantes encontrarn que estos recuadrosson innecesarios (pueden saltarlos), pero muchos los encontrarn tiles como recor-datorios de la aproximacin general y de los pasos que conviene seguir para resolverproblemas. El Recuadro de Resolucin de Problemas general de la seccin 4-9 estcolocado ah, despus de que los estudiantes han tenido cierta experiencia en lidiarcon los problemas, de modo que estarn motivados para leerlo con cuidadosa aten-cin. Si se desea, la seccin 4-9 puede cubrirse con antelacin. No se pretende que losRecuadros de Resolucin de Problemas sean una prescripcin, sino ms bien una gua.Por eso, en ocasiones siguen a los ejemplos para servir como un resumen para uso fu-turo.Las secciones de resolucin de problemas (como las secciones 2-6, 3-6, 4-7, 6-7, 8-6 y13-8) intentan proporcionar entrenamiento adicional en reas donde la resolucin deproblemas es especialmente importante.Ejemplos: Los ejemplos trabajados, cada uno con un ttulo para fcil referencia, caenen cuatro categoras:

1. La mayora son ejemplos trabajados regulares que sirven como problemas deprctica. Se agregaron algunos nuevos, unos cuantos de la edicin anterior se eli-minaron y muchos se trabajaron otra vez para ofrecer mayor claridad, ms pasosmatemticos, ms de por qu se hace de esta forma; con el nuevo prrafo de plan-teamiento hay mayor anlisis del razonamiento y el enfoque. La meta es pensar envoz alta con los estudiantes, y conducirlos a desarrollar su perspicacia. El nivel dedificultad de los ejemplos trabajados para la mayora de los temas aumenta gra-dualmente, de modo que los ms complicados se presentan junto con los problemasms difciles al final de cada captulo. Muchos ejemplos ofrecen relevantes aplica-ciones a diversos campos y a la vida diaria.2. Ejemplos paso a paso: Despus de muchos de los Recuadros de Resolucin deProblemas, el siguiente ejemplo est elaborado paso a paso siguiendo el procedi-miento del recuadro precedente, slo para mostrar a los estudiantes cmo utilizar-lo.Tales soluciones son largas y en ocasiones redundantes, as que slo se incluye unejemplo trabajado de esta forma.3. Los ejemplos de estimacin, aproximadamente un 10% del total, pretenden desa-rrollar las habilidades para realizar estimaciones de orden de magnitud, aun cuandolos datos sean escasos cuando el estudiante jams hubiera pensado que era posible unresultado.Vea, en la seccin 1-7, los ejemplos del 1-6 al 1-9.4. Ejemplos conceptuales: Cada uno es una breve pregunta socrtica que tiene laintencin de estimular al estudiante a contestar antes de leer la respuesta propor-cionada.

Prrafo de PLANTEAMIENTO: Ahora todos los ejemplos numricos trabajados tie-nen un breve prrafo de introduccin, antes de la solucin, que da el enfoque e indicalos pasos que conviene seguir para resolver el problema.NOTA: Ahora muchos ejemplos tienen una breve nota despus de la solucin, a ve-ces para remarcar la solucin misma, en ocasiones para mencionar una aplicacin, otrasveces para proporcionar un enfoque alterno para resolver el problema. Estos nuevosprrafos de Nota permiten que el estudiante sepa que la solucin se complet, y queahora se menciona un(os) tema(s) relacionado(s).Ejemplos adicionales: Algunos temas de fsica requieren muchos diferentes ejemplostrabajados para quedar claros. Pero tantos en lnea tal vez resulten abrumadores pa-ra algunos estudiantes. En esos lugares, el subttulo Ejemplo(s) Adicional(es) tienela intencin de sugerir a los estudiantes que podran saltarse estos ejemplos en una pri-mera lectura. Cuando los incluyan durante una segunda lectura del captulo, segura-mente les ayudarn a aumentar su habilidad para resolver un mayor rango deproblemas.

N U E V O

N U E V O

N U E V O

N U E V O

PREFACIO xix

N U E V OLos ejercicios dentro del texto, despus de un ejemplo o de la deduccin de una frmu-la, brindan a los estudiantes una oportunidad de entender si comprenden lo suficientecomo para responder una pregunta simple o realizar un clculo sencillo. Las respuestasse proporcionan al final de la ltima pgina de cada captulo.Los problemas al final de cada captulo aumentaron en calidad y cantidad.Algunos de losproblemas de la edicin anterior se sustituyeron o se volvieron a escribir para hacer-los ms claros, y/o se les cambiaron sus valores numricos. Cada captulo contiene un grangrupo de problemas ordenados por seccin y graduados de acuerdo con la dificultad(aproximada): los problemas de nivel I son simples, diseados para brindar confianza alos estudiantes; los del nivel II son problemas normales, que implican mayor desafoy con frecuencia la combinacin de dos conceptos diferentes; los del nivel III son losms complejos y se pretende que sean problemas de crditos adicionales, que desafia-rn incluso a los estudiantes ms aventajados. El ordenamiento por nmero de seccines para ayudar a los profesores a elegir qu material quieren enfatizar, y significa que esosproblemas dependen del material incluido hasta esa seccin; en ocasiones, tambin seconsidera material presentado con anterioridad.Los problemas generales no estn clasificados y se agrupan en conjunto al final de ca-da captulo; representan tal vez el 30% de todos los problemas. Los problemas genera-les no necesariamente son ms difciles, pero tienen ms probabilidad de hacer referenciaa material de captulos anteriores. Son tiles para los profesores que quieren ofrecer alos estudiantes unos cuantos problemas sin la pista de a qu seccin deben remitirse osobre el grado de dificultad.Las preguntas, tambin al final de cada captulo, son de carcter conceptual. Ayudan alos estudiantes a usar y aplicar los principios y conceptos y, por tanto, a profundizar ensu comprensin (o les permiten saber qu necesitan estudiar ms).

Asignacin de problemasSugiero que los profesores asignen un nmero significativo de problemas de los niveles I yII, as como un pequeo nmero de problemas generales, y reservar los problemas del ni-vel III slo como crditos adicionales para estimular a los mejores estudiantes. Aunquela mayora de los problemas del nivel I parecen sencillos, ayudarn a los alumnos a desa-rrollar confianza, una parte importante del aprendizaje, especialmente en fsica. Al finaldel libro se proporcionan las respuestas a los problemas con nmero impar.

OrganizacinEl perfil general de esta nueva edicin conserva un orden tradicional de los temas: mec-nica (captulos del 1 al 9); fluidos, vibraciones, ondas y sonido (captulos del 10 al 12); teo-ra cintica y termodinmica (captulos del 13 al 15); electricidad y magnetismo (captulosdel 16 al 22). Aqu casi todos los temas que se incluyen en los cursos de introduccin a lafsica.

La tradicin de comenzar con mecnica es sensata porque, histricamente, se desarro-ll primero y porque buena parte de la fsica depende de ella. Dentro de la mecnica exis-ten muchas formas de ordenar los temas, y este libro permite considerable flexibilidad. Enparticular, prefiero presentar esttica despus de dinmica, en parte porque muchos estu-diantes tienen problemas con el concepto de fuerza sin movimiento. Ms an, la esttica esun caso especial de la dinmica: se estudia para que uno logre evitar que las estructuras sevuelvan dinmicas (es decir, se caigan). No obstante, la esttica (captulo 9) podra estu-diarse antes, luego de una breve introduccin a los vectores. Otra opcin es la luz, la cualaparece tras electricidad y magnetismo y de las ondas EM. Pero la luz podra estudiarse in-mediatamente despus de la ondas (captulo 11).

No es necesario dar el mismo peso a todos los captulos. Mientras que los captulos4 y 21 podran requerir 1 o 2 semanas de cobertura, los captulos 12 y 22 quiz necesitenslo 1 semana o incluso menos. Puesto que el captulo 11 se ocupa de las ondas estaciona-rias, el 12 podra dejarse para lectura de los estudiantes si se tiene poco tiempo de clasedisponible.

El libro contiene ms material del que es posible cubrir en la mayora de los cursos de unao, aunque hay gran flexibilidad para elegir los temas. Las secciones marcadas con asteris-co (*) se consideran opcionales. Contienen material de fsica ligeramente ms avanzado(material que rara vez se incluye en los cursos tpicos) y/o aplicaciones interesantes. Esassecciones no contienen material necesario para los captulos ulteriores, si acaso para las

12

xx PREFACIO

secciones opcionales posteriores. No todas las secciones sin estrella deben ser cubiertas; si-gue existiendo considerable flexibilidad en la eleccin del material. Para un curso breve, po-dra eliminarse todo el material opcional, as como buena parte de los captulos 10, 12, 19y 22, y tal vez partes seleccionadas de los captulos 7, 8, 9, 15 y 21. Los temas no cubiertosen clase servirn de aliciente para el posterior estudio de los alumnos.

Nuevas aplicacionesLas aplicaciones relevantes de la fsica a diversos campos, como la biologa, la medicina, laarquitectura, y a la vida cotidiana son una fuerte caracterstica de este libro. Las aplicacio-nes son interesantes por ellas mismas, adems de que responden a la pregunta de los estu-diantes:Por qu debo estudiar fsica? Se agregaron nuevas aplicaciones. He aqu algunasde ellas (vase la lista despus de la tabla de contenido, en las pginas xiii y xiv).

Seguridad en el manejo de la electricidad; riesgos y diversos tipos de interruptores de co-rriente y de circuito (caps. 17, 18, 19, 20, 21)

Mquinas fotocopiadoras (cap. 16)Impresoras de inyeccin de tinta y lser (cap. 16)Los picos ms altos del mundo (conversin de unidades, cap. 1)Detectores de metales en los aeropuertos (cap. 21)Usos de los capacitores (cap. 17)Clasificacin SEER (cap. 15)Bola curva (cap. 10)Paso de corriente a un automvil (cap. 19)Circuitos RC en marcapasos, seales de vuelta, limpiadores (cap. 19)Voltmetros digitales (cap. 19)

GraciasMs de 50 profesores de fsica aportaron informacin y retroalimentacin directa en cadaaspecto del texto: organizacin, contenido, figuras y sugerencias para nuevos ejemplos yproblemas.A continuacin se mencionan los revisores de esta sexta edicin. Con cada unode ellos tengo una deuda de gratitud:

Zaven Altounian (McGill University)David Amadio (Cypresss Falls Senior High School)Andrew Bacher (Indiana University)Rama Bansil (Boston University)Mitchell C. Begelman (University of Colorado)Cornelius Bennhold (George Washington University)Mike Berger (Indiana University)George W. Brandenburg (Harvard University)Robert Coakley (University of Southern Maine)Renee D. Diehl (Penn State University)Kathryn Dimiduk (University of New Mexico)Leroy W. Dubeck (Temple University)Andrew Duffy (Boston University)John J. Dykla (Loyola University Chicago)John Essick (Reed College)David Faust (Mt. Hood Community College)Gerald Feldman (George Washington University)Frank A. Ferrone (Drexel University)Alex Filippenko (University of California, Berkeley)Richard Firestone (Lawrence Berkeley Lab)Theodore Gotis (Oakton Community College)J. Erik Hendrickson (University of Wisconsin, Eau Claire)Laurent Hodges (Iowa State University)

Brian Houser (Eastern Washington University)Brad Johnson (Western Washington University)Randall S. Jones (Loyola College of Maryland)Joseph A. Keane (St. Thomas Aquinas College)Arthur Kosowsky (Rutgers University)Amitabh Lath (Rutgers University)Paul L. Lee (California State University, Northridge)Jerome R. Long (virginia Tech)Mark Lucas (Ohio University)Dan MacIsaac (Northern Arizona University)William W. McNairy (Duke University)Laszlo Mihaly (SUNY Stony Brook)Peter J. Mohr (NIST)Lisa K. Morris (Washington State University)Paul Morris (Abilene Christian University)Hon-Kie Ng (Florida State University)Mark Oreglia (University of Chicago)Lyman Page (Princeton University)Bruce Partridge (Haverford College)R. Daryl Pedigo (University of Washington)Robert Pelcovits (Brown University)Alan Pepper (Campbell School, Adelaide, Australia)Kevin T. Pitts (University of Illinois)

T O D A SS O N

N U E V A S

xxi

Tambin estoy agradecido con aquellos otros fsicos revisores de ediciones anteriores:

David A. Aaron (South Dakota State University)Narahari Achar (Memphis State University)William T. Achor (Western Maryland College)Arthur Alt (College of Great Falls)John Anderson (University of Pittsburgh)Subhash Antani (Edgewood College)Atam P. Arya (West Virginia University)Sirus Aryainejad (Eastern Illinois University)Charles R. Bacon (Ferris State University)Arthur Ballato (Brookhaven National Laboratory)David E. Bannon (Chemeketa Community Colllege)Gene Barnes (California State University, Sacramento)Isaac BassJacob Becher (Old Dominion University)Paul A. Bender (Washington State University)Michael S. Berger (Indiana University)Donald E. Bowen (Stephen F. Austin University)Joseph Boyle (Miami-Dade Community College)Peter Brancazio (Brooklyn College, CUNY)Michael E. Browne (University of Idaho)Michael Broyles (Collin County Community College)Anthony Buffa (California Polytechnic State University)David Bushnell (Northern Illinois University)Neal M. Cason (University of Notre Dame)H. R. Chandrasekhar (University of Missouri)Ram D. Chaudhari (SUNY, Oswego)K. Kelvin Cheng (Texas Tech University)Lowell O. Christensen (American River College)Mark W. Plano Clark (Doane College)Irvine G. Clator (UNC, Wilmington)Albert C. Claus (Loyola University of Chicago)Scott Cohen (Portland State University)Lawrence Coleman (University of California, Davis)Lattie Collins (East Tennessee State University)Sally Daniels (Oakland University)Jack E. Denson (Mississippi State University)Waren Deshotels (Marquette University)Eric Dietz (California State University, Chico)Frank Drake (University of California, Santa Cruz)Paul Draper (University of Texas, Arlington)Miles J. Dressser (Washington State University)Ryan Droste (The College of Charleston)F. Eugene Dunnam (University of Florida)Len Feuerhelm (Okalhoma Christian University)Donald Foster (Wichita State University)Gregory E. Francis (Montana State University)Philip Gash (California State University, Chico)

J. David Gavenda (University of Texas, Austin)Simon George (California State University, Long Beach)James Gerhart (University of Washington)Bernard Gerstman (Florida International University)Charles Glashausser (Rutgers University)Grant W. Hart (Brigham Young University)Hershel J. Hausman (Ohio State University)Melissa Hill (Marquette University)Mark Hillery (Hunter College)Hans Hochheimer (Colorado State University)Joseph M. Hoffman (Frostburg State University)Peter Hoffman-Pinther (University of Houston, Downtown)Alex Holloway (University of Nebraska, Omaha)Fred W. Inman (Mankato State University)M. Azad Islan (SUNY, Potsdam)James P. Jacobs (University of Montana)Larry D. Johnson (Northeast Louisiana University)Gordon Jones (Mississippi State University)Rex Joyner (Indiana Institute of Technology)Sina David Kaviani (El Camino College)Kirby W. Kemper (Florida State University)Sanford Kern (Colorado State University)James E. Kettler (Ohio University, Eastern Campus)James R. Kirk (Edinboro University of Pennsylvania)Alok Kuman (SUNY, Oswego)Sung Kyu Kim (Macalester College)Amer Lahamer (Berea College)Clement Y. Lam (North Harris College)David Lamp (Texas Tech University)Peter Landry (McGill University)Michael Lieber (University of Arkansas)Bryan H. Long (Columbia State College)Michael C. LoPresto (Henry Ford Community College)James Madsen (University of Wisconsin, River Falls)Ponn Mahes (Winthrop University)Robert H. March (University of Wisconsin, Madison)David Markowitz (University of Connecticut)Daniel J. McLaughlin (University of Hartford)E. R. Menzel (Texas Tech University)Robert MessinaDavid Mills (College of the Redwoods)George K. Miner (University of Dayton)Victor Montemeyer (Middle Tennessee State University)Marina Morrow (Lansing Community College)Ed Nelson (University of Iowa)Dennis Nemeschansky (USC)Gregor Novak (Indiana University/Purdue University)

Steven Pollock (University of Colorado, Boulder)W. Steve Quon (Ventura College)Michele Rallis (Ohio State University)James J. Rhyne (University of Missouri, Columbia)Paul L. Richards (University of California, Berkeley)Dennis Rioux (University of Wisconsin, Oshkosh)Robert Ross (University of Detroit, Mercy)Roy S. Rubins (University of Texas, Arlington)Wolfgang Rueckner (Harvard University Extension)Randall J. Scalise (Southern Methodist University)Arthur G. Schmidt (Northwestern University)Cindy Schwarz (Vassar College)Bartlett M. Sheinberg (Houston Community College)

J. L. Shinpaugh (East Carolina University)Ross L. Spencer (Brigham Young University)Mark Sprague (East Carolina University)Michael G. Strauss (University of Oklahoma)Chun Fu Su (Mississippi State University)Ronald G. Taback (Youngstown State University)Leo H. Takahashi (Pennsylvania State University, Beaver)Raymond C. Turner (Clemson University)Robert C. Webb (Texas A&M University)Arthur Wiggins (Oakland Community College)Stanley Wojcicki (Stanford University)Edward L. Wright (University of California, Los Angeles)Andrzej Zieminski (Indiana University)

xxii PREFACIO

Debo un agradecimiento especial a los profesores Bob Davis y J. Erik Hendrickson, por mu-cha informacin valiosa, y en especial por trabajar todos los problemas y producir el Ma-nual de soluciones con todas las respuestas a los problemas y las preguntas, as como porproporcionar las respuestas a los problemas de nmero impar al final de este libro. Gracias,asimismo, al equipo que dirigen (profesores David Curott, Bryan Long y Richard Louie,quienes tambin trabajaron todos los problemas y preguntas; cada uno de ellos verific alos dems).

Estoy agradecido con los profesores Robert Coakley, Lisa Morris, Kathryn Dimiduk,Robert Pelcovits, Raymond Turner, Cornelius Bennhold, Gerald Feldman, Alan Pepper,Michael Strauss y Zaven Altounian, quienes inspiraron muchos de los ejemplos, preguntas,problemas y aclaraciones significativos.

En especial, quiero agradecer a los profesores Howard Shugart, Chris McKee y a mu-chos otros del Departamento de Fsica de University of California, Berkeley, por las dis-cusiones tiles y por su hospitalidad. Gracias tambin al profesor Tito Arecchi y a otros enel Istituto Nazionale di Ottica, Florencia, Italia.

Finalmente, debo agradecer a toda la gente de Prentice Hall, con quienes he trabajadoen este proyecto, especialmente a Paul Corey, Erik Fahlgren, Andrew Sobel, Chirag Thak-kar, John Challice y sobre todo a las altamente profesionales y maravillosamente dedica-das Karen Karlin y Susan Fisher. La responsabilidad final de todos los errores recae sobrem. Doy la bienvenida a comentarios, correcciones y sugerencias* tan pronto como sea po-sible para beneficiar a los estudiantes con la siguiente reimpresin.

D.C.G.

Roy J. Peterson (University of Colorado, Boulder)Frederck M. Phelps (Central Michigan University)Brian L. Pickering (Laney College)T. A. K. Pillai (University of Wisconsin, La Crosse)John Polo (Edinboro University of Pennsylvania)Michael Ram (University of Buffalo)John Reading (Texas A&M University)David Reid (Eastern Michigan University)Charles Richardson (University of Arkansas)William Riley (Ohio State University)Larry Rowan (University of North Carolina)D. Lee Rutledge (Oklahoma State University)Hajime Sakai (University of Massachusetts, Amberst)Thoma Sayetta (East Carolina University)Neil Schiller (Ocean County College)Ann Schmiedekamp (Pennsylvania State University, Ogontz)Juergen Schroeer (Illinois State University)Mark Semon (Bates College)James P. Sheerin (Eastern Michigan University)Eric Sheldon (University of Massachusetts, Lowell)K. Y. Shen (California State University, Long Beach)Marc Sher (College of William and Mary)Joseph Shinar (Iowa State University)Thomas W. Sills (Wilbur Wright College)Anthony A. Siluidi (Kent State University)Michael A. Simon (Housatonic Community College)

Upindranath Singh (Embry-Riddle)Michael I. Sobel (Brooklyn College)Donald Sparks (Los Angeles Pierce College)Thor F. Stromberg (New Mexico State University)James F. Sullivan (University of Cincinnati)Kenneth Swinney (Bevill State Community College)Harold E. Taylor (Stockton State University)John E. Teggins (Auburn University en Montgomery)Colin Terry (Ventura College)Michael Thoennessen (Michigan State University)Kwok Yeung Tsang (Georgia Institute of Technology)Jagdish K. Tuli (Brookhaven National Laboratory)Paul Urone (CSU, Sacramento)Linn D. Van Woerkom (Ohio State University)S. L. Varghese (University of Southern Alabama)Jearl Walker (Cleveland State University)Robert A. Walking (University of Southern Maine)Jai-Ching Wang (Alabama A&M University)Thomas A. Weber (Iowa State University)John C. Wells (Tennessee Technological)Gareth Williams (San Jose State University)Wendall S. Williams (Case Western Reserve University)Jerry Wilson (Metropolitan State College at Denver)Lowell Wood (University of Houston)David Wright (Tidewater Community College)Peter Zimmerman (Louisiana State University)

* Favor de enviar a:

Correo electrnico: [email protected]

o por correo postal: Physics EditorPrentice Hall Inc.One Lake StreetUpper Saddle River, NJ 07458

xxiii

Complementos y medios audiovisuales disponibles

Complementos para el estudiante

Compaero de bolsillo del estudiante (0-13-035249-7)de Biman Das (SUNY-Potsdam)Este libro en presentacin rstica de 5 7 contiene un resumen de Fsica: Princi-pios con aplicaciones, sexta edicin, que incluye conceptos clave, ecuaciones, conse-jos y sugerencias.

Gua de estudio del estudiante con soluciones seleccionadas (volumen I: 0-13-035239-X, volumen II: 0-13-146557-0)de Joseph Boyle (Miami-Dade Community College)Esta gua de estudio contiene explicaciones generales, ejercicios, frases y trminosclave, exmenes para estudio, preguntas para revisin y soluciones a problemas de finde captulo seleccionados.

Matemticas para fsica universitaria (0-13-141427-5)de Biman Das (SUNY-Potsdam)Este texto, para estudiantes que necesitan ayuda con las herramientas matemticasnecesarias, muestra cmo las matemticas se aplican directamente a la fsica, y expli-ca cmo superar la ansiedad matemtica.

Ejercicios de clasificacin en fsica, edicin del estudiante (0-13-144851-X)de Thomas L. OKuma (Lee College), David P. Maloney (Indiana University-PurdueUniversity, Fort Wayne) y Curtis J. Hieggelke (Joliet Junior College)Las actividades de clasificacin son un innovador tipo de ejercicio conceptual quepide a los estudiantes realizar juicios comparativos acerca de variaciones sobre unasituacin fsica particular. Este complemento incluye aproximadamente 200 ejerciciosde clasificacin que cubren toda la fsica clsica, excepto la ptica.

PH GradeAssist: Gua de inicio rpido del estudiante (0-13-141926-9)Esta gua de estudio (con cdigo de acceso) contiene informacin acerca de cmo re-gistrar y usar el PH GradeAssist.

Fsica interactiva: libro de trabajo, segunda edicin (0-13-067108-8)de Cindy Schwarz (Vassar College), John Ertel (Naval Academy), MSC.SoftwareEste paquete con libro de trabajo y CD-ROM hbrido fue diseado para ayudar a losestudiantes a visualizar y trabajar con problemas fsicos especficos por medio desimulaciones creadas a partir de archivos de fsica interactiva. Cuarenta problemasde diversa dificultad requieren que los estudiantes efecten predicciones, cambien va-riables, corran y visualicen movimiento en la pantalla de la computadora. El libro detrabajo/gua de estudio que lo acompaa proporciona instrucciones, un repaso de f-sica, sugerencias y preguntas. El CD-ROM contiene todo lo que los estudiantes nece-sitan para correr las simulaciones.

Physlet Physics (0-13-101969-4)de Wolfgang Christian y Mario Belloni (Davidson College)Este paquete de CD-ROM y texto tiene ms de 800 applets Java interactivos listos pa-ra correr, que muchos profesores de fsica han adoptado. No se requiere ni servidorWeb ni conexin a Internet.

MCAT Physics: Gua de estudio (0-13-627951-1)de Joseph Boone (California Polytechnic State University-San Luis Obispo)Esta gua de estudio MCAT incluye repaso a profundidad, problemas prcticos y pre-guntas de repaso.

Complementos para el profesor

Test Item File (0-13-047311-1)Este banco de pruebas contiene aproximadamente 2800 preguntas de opcin mlti-ple, verdadero o falso, de respuesta corta y de ensayo, de las cuales cerca del 25% sonde carcter conceptual.Todas las preguntas estn clasificadas por nivel de dificultad yreferidas a la correspondiente seccin de este libro. El Test Item File tambin est dis-ponible en formato electrnico, en CD-ROM, en el Centro de Recursos del Instructor.

xxiv

Manual de soluciones del instructor (volumen I: 0-13-035237-3, volumen II: 0-13-141545-X)de Bob Davis (Taylor University) y J. Erik Hendrickson (University of Wisconsin-EauClaire)El manual de soluciones contiene soluciones trabajadas y detalladas de todos los pro-blemas de fin de captulo en este libro, as como respuestas a las preguntas. Estndisponibles versiones electrnicas, en CD-ROM, en el Centro de Recursos del Instruc-tor para profesores con Microsoft Word o software compatible con Word.

Manual de recursos del instructor (0-13-035251-9)de Katherine Whatley (University of North Carolina-Asheville)Este manual contiene esquemas de clases, notas, sugerencias de demostracin, lectu-ras sugeridas y otros recursos de enseanza.

Centro de recursos del instructor en cd-rom (0-13-035246-2)Este conjunto de dos CD contiene todas las ilustraciones y tablas del texto en forma-tos JPEG, Microsoft PowerPoint y Adobe PDF. Los profesores pueden tener vistasprevias y secuencias de imgenes, realizar bsquedas por palabra clave, agregar no-tas de clase e incorporar sus propios recursos digitales.Tambin contiene un TestGe-nerator, un programa fcil de usar que es posible poner en red para crear pruebas quevan de los acertijos cortos a extensos exmenes. Los profesores pueden usar el editorde preguntas para modificar las preguntas o los problemas existentes, que incluyenversiones algortmicas, o crear nuevos. Los CD tambin contienen clases adicionalesen PowerPoint, ms versiones electrnicas del Manual de Recursos del Instructor,del Manual de Soluciones del Instructor, y preguntas y problemas de fin de captulopara este libro.

Paquete de transparencias (0-13-035245-4)El paquete incluye aproximadamente 400 transparencias a todo color de imgenes ytablas de este libro.

Video Fsica que puedes ver (0-205-12393-7)Este video contiene once demostraciones fsicas clsicas, cada una con duracin de2 a 5 minutos.

Sistemas de administracin de cursoWebCT y Blackboard permiten a los profesores asignar y calificar tareas en lnea, ad-ministrar su lista de alumnos y su libro de calificaciones, y colocar documentos relacio-nados con el curso.Los cartuchos para WebCT y Blackboard son especficos de texto e incluyen:

Herramientas de enseanza justo a tiempo: calentamientos, rompecabezas y apli-caciones, por Gregor Novak y Andrew Gavrin (Indiana University-Purdue Uni-versity, Indianapolis)Ejercicios de clasificacin por Thomas L. OKuma (Lee College), David P. Ma-loney (Indiana University-Purdue University, Fort Wayne) y Curtis J. Hieggelke(Joliet Junior College)Physlet Problems por Wolfgang Christian y Mario Belloni (Davidson College)Problemas de prctica de algoritmos por Carl Adler (East Carolina University)Gua de estudio MCAT con preguntas de Kaplan Test Prep and Admissions

Companion Website (http://physics.prenhall.com/giancolippa)Este sitio contiene problemas prcticos, objetivos, preguntas prcticas, destinos y apli-caciones con vnculos a sitios relacionados. Los problemas y las preguntas prcticosson calificados por computadora, y los resultados pueden ser enviados automtica-mente por correo electrnico al profesor.

Sistemas de tareas en lnea

ph GradeAssist (www.prenhall.com/phga)PH GradeAssist (PHGA) es el sistema de tareas en lnea de Prentice Hall. Incluye con-tenido asociado con materiales de enseanza justo a tiempo, Physlet Problems, pre-guntas conceptuales y cuantitativas, y cientos de problemas de fin de captulo de estelibro. Muchos de los problemas de fin de captulo tienen una variante generada de ma-nera algortmica. Permite a los profesores editar las preguntas, crear nuevas y contro-

lar parmetros importantes, tales como cunto vale una pregunta y cundo un estu-diante puede tomar una prueba.

PH GradeAssist: Gua de inicio rpido del instructor (0-13-141927-7)Esta gua (con cdigo de acceso) ayuda a los instructores a registrarse para usar el PHGradeAssist.

WebAssign (www.webassign.net)WebAssign es un sistema en lnea alojado nacionalmente que permite a los profeso-res crear, colocar, recopilar, calificar y registrar tareas a partir de una base de datos,lista para usar, de problemas y preguntas de este libro.

CAPA y LON-CAPAEnfoque Personalizado Asistido por Computadora (CAPA, por sus siglas en ingls)es un sistema en lnea alojado localmente que permite a los profesores crear, colocar,recopilar, calificar y registrar tareas a partir de una base de datos, lista para usar, deproblemas y preguntas de este libro. La Red de Aprendizaje en Lnea con un Enfo-que Personalizado Asistido por Computadora (LON-CAPA, por sus siglas en ingls) esun sistema integrado para aprendizaje y asignacin en lnea. Consiste en un sistemade administracin del curso, un sistema individualizado de tareas y calificacin auto-mtica, una coleccin de datos y un sistema de extraccin de datos, as como un siste-ma de entrega de contenido que proporcionar vas de acceso hacia y desde laNational STEM Digital Library del NSF.

xxv

NOTAS A LOS ESTUDIANTES (Y PROFESORES) ACERCA DEL FORMATO

1. Las secciones marcadas con asterisco (*) se consideran opcionales. Pueden omi-tirse sin interrumpir el flujo principal de los temas. Ningn material posteriordepende de ellas, a excepcin de algunas secciones posteriores sealadas, tambincon asterisco. Ser divertido leerlas.

2. Se usan las convenciones comunes: los smbolos para cantidades (como m paramasa) aparecen en itlicas, mientras que las unidades (como m para metro) apa-recen en redondas. Los smbolos para vectores se presentan en negritas con unapequea flecha encima:

3. Pocas ecuaciones son vlidas en todas las situaciones. Cuando resulte prctico, laslimitaciones de las ecuaciones importantes se establecen en corchetes a continuacinde la ecuacin. Las ecuaciones que representan las grandes leyes de la fsica sepresentan en una pantalla, al igual que algunas otras ecuaciones indispensables.

4. El nmero de cifras significativas (seccin 1-4) no se debe suponer mayor o me-nor que lo indicado: si un nmero es establecido como 6, por ejemplo, con sus uni-dades, ello significa que es 6 y no 6.0 o 6.00.

5. Al final de cada captulo se incluye un conjunto de preguntas que los estudiantesdeben tratar de responder (por ellos mismos, al menos). Despus, se incluyen pro-blemas que estn clasificados como de niveles I, II o III, de acuerdo con la dificul-tad estimada, siendo los problemas del nivel I los ms sencillos. Los del nivel II sonproblemas normales y los de nivel III son para crditos adicionales. Estos pro-blemas clasificados estn ordenados por seccin, pero los problemas para una sec-cin dada tambin pueden depender de material estudiado con anterioridad. Sigueun grupo de problemas generales que no estn ordenados por seccin ni clasifica-dos por dificultad. Las preguntas y los problemas que se relacionan con seccionesopcionales tienen un asterisco (*).Al final del libro se ofrecen las respuestas a losproblemas con nmero non.

6. Ser capaz de resolver problemas es una parte esencial del aprendizaje de la fsica,y representa un poderoso medio para entender los conceptos y principios. Este li-bro contiene muchos auxiliares para resolver problemas: a) ejemplos trabajados ysus soluciones en el texto, (resaltados con una lnea vertical en el margen) que hayque estudiar como una parte integral del texto; b) algunos de los ejemplos traba-jados son ejemplos de estimacin, que muestran cmo se obtienen resultados apro-ximados, incluso cuando los datos proporcionados son escasos (vase la seccin1-7); c) Recuadros de resolucin de problemas especiales colocados a lo largodel texto para sugerir un enfoque paso a paso a la resolucin de problemas para untema particular. Pero no hay que quedarse con la idea de que cada tema tiene suspropias tcnicas, porque las bases permanecen iguales; a algunos de estos recua-dros les sigue un ejemplo que est resuelto mediante el seguimiento explcito de lospasos sugeridos; d) secciones especiales de resolucin de problemas; e) notas mar-ginales de Resolucin de problemas (vase el punto 9 ms adelante), que se re-fieren a sugerencias para resolver problemas dentro del texto; f) ejercicios dentrodel texto que es conveniente trabajar inmediatamente y luego comparar la res-puesta con la que se proporciona al final de la ltima pgina de ese captulo; g) losproblemas mismos al final de cada captulo (punto 5 anterior).

7. Los ejemplos conceptuales precisamente son ms conceptuales que numricos.Cada uno plantea una o dos preguntas, que tienen la finalidad de hacer pensar alestudiante para encontrar la respuesta. Es recomendable darse un poco de tiem-po para hallar la respuesta antes de leer la respuesta ofrecida.

8. Los subttulos de Ejemplos adicionales contienen ejemplos que el estudiantepodra saltarse en una primera lectura, en caso de que se sienta abrumado. Perouno o dos das ms tarde, al leer el captulo una segunda vez, tambin hay que in-tentar trabajar estos ejemplos, porque ayudarn a mejorar la habilidad para re-solver un amplio rango de problemas.

9. Notas marginales: Las breves notas en el margen de casi cada pgina estn impre-sas en azul y son de cinco tipos: a) notas ordinarias (la mayora), que sirven comouna especie de subrayado del texto y ayudarn, ms tarde, a localizar conceptos y

FB

.

xxvii

ecuaciones importantes; b) notas que se refieren a las grandes leyes y los princi-pios de la fsica, que estn en letras maysculas y en un recuadro para resaltarlas;c) notas que se refieren a una sugerencia o tcnica de resolucin de problemastratadas en el texto, que se identifican por el ttulo Resolucin de problemas; d)notas que se refieren a una aplicacin de la fsica en el texto o a un ejemplo, y queaparecen bajo el ttulo Fsica aplicada; e) notas de Precaucin que puntuali-zan una posible mala interpretacin, definida con claridad en el texto adyacente.

10. En los apndices se encuentran un repaso matemtico ms algunos temas adicio-nales. En las cubiertas interiores se incluyen datos tiles, factores de conversin yfrmulas matemticas.

xxviii

AgradecimientosAgradecemos a todos los profesores que han sido leales usuarios y han impartido la materia de fsica en los pases de hablahispana con el apoyo del reconocido libro de Giancoli. Sus valiosos comentarios han servido para enriquecer el desarrollode la actual edicin. Esperamos que con el uso de este texto cumplan satisfactoriamente los objetivos del programa del cur-so y preparen a sus alumnos para enfrentar los retos actuales dentro del mbito de las ciencias. En especial, deseamos agra-decer el apoyo y la retroalimentacin que nos han dado los siguientes profesores:

COLOMBIA

Abraham LincolnClara Ortiz

Anglo AmericanoMiguel Tolosa

Cardenal PaccellyJenny Correa

Emmanuel dAlzonFrancisco Ruggiero

Gimnasio del NorteLuis Eduardo Cano

Mara MazzarelloDiana Medina

San Jorge de InglaterraNelson Roby

MXICO

Bachillerato InternacionalVctor Gerardo Delgado

CIDEBMargarita Nerio

Colego ArjiNancy de Alba Bellizzia

Colegio ColumbioEliseo Garca Sosa

Colegio Franco InglsFernando Macas Martnez

Colegio Hebreo TarbutEsther Murrow

Colegio Mxico BachilleratoMara del Socorro GarcaManuel Carrillo Ricaldi

Colegio MontaignacJuana Velzquez

Colegio RosslandVctor Manuel Jimnez Romero

Colegio Simn BolvarAlejandro JimnezRubn Daro Daz Rojas

Colegio UninMartha Patricia Elingher

Colegio VermontPastor Martnez

Escuela Internacional, S.C.Jos Luis Juambelz

Escuela Nacional Preparatoria Plantel 6Luis Fernando Tern MendietaJos Arturo Mompala

I.E.S.Ch. Samuel Len BrindisManuel de Jess Arreola Ruiz

Instituto Mier y PesadoCayetano Andrade Zavala

Instituto Simn BolvarIsaac Galindo

ITESM Campus QuertaroJaime Salvador Castellanos

Preparatoria CumbresEnrique Barreto Trujano

Preparatoria MotolinaGerardo Zavala Rodrguez

Universidad del Valle de MxicoIvonne Ibarra Silva

Universidad La Salle, A.C.Alberto Lima

Universidad St JohnsMargarito Rodrguez

Esta fotografa de la Tierra, mejorada en computadora, se tomdesde aproximadamente 36,000 km de distancia. Bajo las

nubes, Norteamrica es claramente visible. Desdeesta distancia el cielo es negro. Este captulo

comienza con el aprendizaje de algunos princi-pios acerca de la ciencia y sus teoras, y acerca

de medicin y unidades. Tambin se aprendecmo realizar estimaciones rpidas.

1

CAPTULO1Introduccin,

medicin, estimacin

La fsica es la ms bsica de las ciencias. Trata del comportamiento y la estruc-tura de la materia. En general, el campo de la fsica se divide en fsica clsica,que incluye movimiento, fluidos, calor, sonido, luz, electricidad y magnetis-mo, y fsica moderna, que incluye los temas de relatividad, estructura atmica, materiacondensada, fsica nuclear, partculas elementales, y cosmologa y astrofsica. La mayorparte de estos temas se cubrirn en el presente libro, y se dar inicio con el movi-miento (o mecnica, como se le llama con frecuencia). Pero, antes de comenzar conla fsica en s, daremos un breve vistazo a cmo se practica en realidad esta actividadgeneral llamada ciencia, que incluye a la fsica.

La naturaleza de la cienciaPor lo general, se considera que la meta principal de todas las ciencias, incluida la f-sica, es la bsqueda de un determinado orden en las observaciones del mundo anuestro alrededor. Muchas personas piensan que la ciencia es un proceso mecnicode recoleccin de datos y hechos e invencin de teoras. Pero la labor cientfica noes tan simple. La ciencia es una actividad creativa que, en muchos aspectos, se ase-meja a otras actividades de la mente humana.

11

2 CAPTULO 1 Introduccin, medicin, estimacin

FIGURA 1-1 Aristteles es la figuracentral en lo alto de las escaleras (lafigura a su lado es Platn) en estefamoso retrato renacentista deLa escuela de Atenas, pintado porRafael alrededor de 1510. Tambin enesta pintura, considerada una de lasgrandes obras maestras, estnEuclides (es el que dibuja un crculoen la parte inferior derecha),Ptolomeo (en el extremo derecho, conun globo terrqueo), Pitgoras,Scrates y Digenes.

Un aspecto importante de la ciencia es la observacin de los eventos, que inclu-ye el diseo y realizacin de experimentos. Pero la observacin requiere imagina-cin, ya que los cientficos nunca pueden incluir todo lo que observan en una soladescripcin. En consecuencia, los cientficos deben emitir juicios acerca de lo que esrelevante en sus observaciones y experimentos. Consideremos, por ejemplo, cmodos grandes mentes, Aristteles (384-322 a.C.; figura 1-1) y Galileo (1564-1642; figu-ra 2-17), interpretaron el movimiento a lo largo de una superficie horizontal. Arist-teles not que los objetos a los que se les daba un empujn inicial a lo largo delsuelo (o sobre una mesa), siempre se desaceleraban y se detenan. En consecuencia,Aristteles argument que el estado natural de un objeto es el reposo. Galileo, en surevisin del movimiento horizontal a principios de los aos 1600, sugiri que, si sepudiera eliminar la friccin, un objeto al que se le diera un empujn inicial a lo largode una superficie horizontal continuara movindose indefinidamente sin detenerse.Galileo concluy entonces que, para un objeto, era tan natural estar en movimientocomo estar en reposo. Al desarrollar este nuevo enfoque, Galileo fund la visinmoderna del movimiento (captulos 2, 3 y 4). Este salto se llev a cabo de maneraconceptual, sin eliminar en realidad la friccin.

La observacin, complementada con la experimentacin y la medicin, es unaparte del proceso cientfico. La otra parte es el desarrollo o la creacin de teorasque permitan explicar y darle un determinado orden a las observaciones. Las teorasnunca se derivan directamente de las observaciones; sin embargo, stas siempre pue-den ayudar a inspirar una teora, y las teoras se aceptan o se rechazan con base enla observacin y la experimentacin.

Las teoras son inspiraciones elaboradas en las mentes de los seres humanos.Por ejemplo, no se lleg a la idea de que la materia est constituida de tomos (lateora atmica) a partir de la observacin directa de los tomos, pues no es posibleverlos directamente. La idea surgi de las mentes creativas. La teora de la relativi-dad, la teora electromagntica de la luz y la ley de Newton de la gravitacin univer-sal fueron, igualmente, el resultado de la imaginacin humana.

Las grandes teoras de la ciencia se pueden comparar, al igual que los logroscreativos, con las grandes obras de arte o la literatura. Pero, cmo difiere la cienciade estas otras actividades creativas? Una diferencia importante es que la ciencia re-quiere pruebas de sus teoras para ver si sus predicciones son corroboradas por elexperimento. Pero las teoras no se confirman con las pruebas. Es importante te-ner en cuenta que ningn instrumento de medicin es perfecto, y, por tanto, la con-firmacin exacta de una teora no es posible. Adems, no es factible probar unateora para todos los posibles conjuntos de circunstancias. En consecuencia, una teo-ra nunca puede ser absolutamente confirmada. De hecho, la historia de la cienciadice que las teoras que se han sostenido durante mucho tiempo pueden ser sustitui-das por otras nuevas.

Teoras

Puesta a prueba de una teora

Observacin y experimento

El movimiento es tan naturalcomo el reposo

SECCIN 12 La fsica y su relacin con otros campos 3

En algunos casos, una nueva teora es aceptada por los cientficos porque suspredicciones se encuentran cuantitativamente en mejor concordancia con el experi-mento que aquellas predicciones de la teora precedente. Pero, en muchos casos, unanueva teora slo es aceptada si explica un mayor rango de fenmenos de los queexplica la anterior. Por ejemplo, la teora de Coprnico del Universo centrado en elSol (figura 1-2b), originalmente no fue ms precisa que la teora de Ptolomeo cen-trada en la Tierra (figura 1-2a) para predecir el movimiento de los cuerpos celestes(Sol, Luna, planetas). Pero la teora de Coprnico tuvo consecuencias que la de Pto-lomeo no tuvo, tales como predecir las fases lunares de Venus. Una teora mssimple y ms rica, una que unifique y explique una mayor variedad de fenmenos, esms til y bella para un cientfico. Y este aspecto, as como la concordancia cuantita-tiva, juega un papel fundamental en la aceptacin de una teora.

Un aspecto importante de cualquier teora es qu tan bien predice los fenme-nos de forma cuantitativa. Desde este punto de vista, una nueva teora puede pare-cer un avance menor sobre la anterior. Por ejemplo, la teora de Einstein de larelatividad ofrece predicciones que difieren muy poco de las teoras ms antiguas deGalileo y Newton en casi todas las situaciones cotidianas. Sus predicciones son me-jores especialmente en el caso extremo de velocidades muy altas cercanas a la de laluz. Pero la prediccin cuantitativa no es el nico resultado importante de una teo-ra. Tambin la visin del mundo se ve afectada. Como resultado de la teora de larelatividad de Einstein, por ejemplo, los conceptos de espacio y tiempo han sidocompletamente alterados, y se ha llegado a entender la masa y la energa como unasola entidad (mediante la famosa ecuacin E mc2).

La fsica y su relacin con otros camposDurante mucho tiempo, la ciencia era ms o menos un todo unido conocido comofilosofa natural. No fue sino hasta hace un siglo o dos que las distinciones entre lafsica y la qumica, e incluso las ciencias de la vida, se volvieron prominentes. De he-cho, la clara distincin que ahora se observa entre las artes y las ciencias, tiene en smisma slo unos cuantos siglos de antigedad. Entonces, no es de sorprender que eldesarrollo de la fsica haya influido en otras disciplinas y al mismo tiempo haya re-cibido influencia de otros campos. Por ejemplo, los cuadernos de notas (figura 1-3)

12

a) b)

FIGURA 1-2 a) Visin geocntrica del universo propuesta por Ptolomeo. Observa en el centro los cuatro elementos de losantiguos: tierra, agua, aire (nubes alrededor de la Tierra) y fuego; luego los crculos, con smbolos respectivos, para la Luna,Mercurio, Venus, Sol, Marte, Jpiter, Saturno, las estrellas fijas y los signos del zodiaco. b) Una de las primeras representacionesde la visin heliocntrica del universo prop

Documents

Giancoli Fisica 1