Fisica 1. principios con aplicaciones giancoli 6a

1. Conversiones de unidades (equivalentes) Longitud 1 milla nutica (EUA) 1 angstrom 1 ao luz (al) Volumen 1.057 (qt EUA) 61.02 in3 1 galn (EUA) 4 qt (EUA) 231 in3 3.785 L 1 cuarto (qt, EUA) 2 pintas (EUA) 946 mL 1 pinta (inglesa) 1.20 pintas (EUA) 568 mL Rapidez ngulo 1 revmin (rpm) = 0.1047 rads 1 = 0.01745 rad 1 radin (rad) = 57.30 = 5718 1 nudo = 1.151 mih = 0.5144 ms 1 ms = 3.281 fts = 3.600 kmh = 2.237 mih 1 fts = 0.305 ms = 0.682 mih 1 kmh = 0.278 ms = 0.621 mih 1 mih = 1.467 fts = 1.609 kmh = 0.447 ms 1 m3 = 35.31 ft3 0.8327 galn (ingls) 1 litro (L) = 1000 mL = 1000 cm3 = 1.0 * 103 m3 = 1 parsec = 3.26 al = 3.09 * 1016 m = 9.461 * 1015 m () = 1010 m = 0.1 nm 1 fermi = 1 femtmetro (fm) = 1015 m = 1.151 mi = 6076 ft = 1.852 km 1 km = 0.6214 mi 1 mi = 5280 ft = 1.609 km 1 m = 39.37 in = 3.281 ft 1 ft = 30.48 cm 1 cm = 0.3937 in 1 in = 2.54 cm Tiempo Masa 1 unidad de masa atmica [1 kg tiene un peso de 2.20 lb donde ] Fuerza Energa y trabajo Potencia Presin 1 Pa = 1 Nm2 = 1.45 * 104 lbin2 1 lbin2 = 6.90 * 103 Nm2 = 14.7 lbin2 = 760 torr 1 atm = 1.013 bar = 1.013 * 105 Nm2 1 hp = 550 ftlbs = 746 W 1 W = 1 Js = 0.738 ftlbs = 3.42 Btuh 1 kWh = 3.60 * 106 J = 860 kcal 1 eV = 1.602 * 1019 J 1 kcal = 4.186 * 103 J = 3.97 Btu 1 ftlb = 1.36 J = 1.29 * 103 Btu = 3.24 * 104 kcal 1 J = 107 ergs = 0.738 ftlb 1 N = 105 dina = 0.225 lb 1 lb = 4.45 N g = 9.80 ms2 . 1 kg = 0.0685 slug (u) = 1.6605 * 1027 kg 1 ao = 3.156 * 107 s 1 da = 8.64 * 104 s Unidades SI derivadas y sus abreviaturas En trminos de Cantidad Unidad Abreviatura unidades base Fuerza newton N Energa y trabajo joule J Potencia watt W Presin pascal Pa Frecuencia hertz Hz Carga elctrica coulomb C Potencial elctrico volt V Resistencia elctrica ohm Capacitancia farad F Campo magntico tesla T Flujo magntico weber Wb Inductancia henry H kg kilogramo (masa), m metro (longitud), s segundo (tiempo),A ampere (corriente elctrica). kgm2 As2 A2 B kgm2 AAs2 B kgAAs2 B A2 s4 Akgm2 B kgm2 AA2 s3 B kgm2 AAs3 B As s1 kgAms2 B kgm2 s3 kgm2 s2 kgms2 Multiplicadores mtricos (SI) Prefijo Abreviatura Valor yotta Y zeta Z exa E peta P tera T giga G mega M kilo k hecto h deka da deci d centi c mili m micro nano n pico p femto f atto a zepto z yocto y 1024 1021 1018 1015 1012 109 106 m 103 102 101 101 102 103 106 109 1012 1015 1018 1021 1024

2. FSICA 1PRINCIPIOS CON APLICACIONES

3. FSICA 1PRINCIPIOS CON APLICACIONES SEXTA EDICIN DOUGLAS C. GIANCOLI REVISIN TCNICA: Agustn Vzquez Snchez InstitutoTecnolgico y de Estudios Superiores de Monterrey Campus Estado de Mxico Alberto Lima Snchez Profesor de Fsica Preparatoria-Universidad La Salle Tufik Zambrano Profesor de Fsica Gimnasio la Fontana Bogot, Colombia Jos Vicente Contreras Julio Profesor de Fsica y Matemticas Seccin Bachillerato Gimnasio Britnico Bogot, Colombia Sebastin Torres Gutirrez Profesor de Fsica Colegio Jordn de Sajonia Bogot, Colombia Hernando Julio Garrido Insignares Profesor de Fsica InstitutoTcnico Central Bogot, Colombia TRADUCCIN: Vctor Campos Olgun Traductor profesional

4. Editor-in-Chief, Science: John Challice Senior Acquisitions Editor: Erik Fahlgren Senior Development Editor: Karen Karlin Vice President of Production and Manufacturing: David Riccardi Executive Managing Editor: Kathleen Schiaparelli Senior Production Editor: Susan Fisher Production Editor: Chirag Thakkar Manufacturing Manager: Trudy Pisciotti Manufacturing Buyer: Alan Fischer Managing Editor, Audio and Visual Assets: Patricia Burns AV Project Managers: Adam Velthaus and Connie Long Assistant Managing Editor, Science Media: Nicole Bush Associate Editor: Christian Botting Media Editor: Michael J. Richards Director of Creative Services: Paul Belfanti Advertising and Promotions Manager: Elise Schneider Creative Director: Carole Anson Art Director: Maureen Eide Illustration: Artworks Marketing Manager: Mark Pfaltzgraff Editor-in-Chief of Development: Carol Trueheart Director, Image Research Center: Melinda Reo Photo Research: Mary Teresa Giancoli and Jerry Marshall Manager, Rights and Permissions: Cynthia Vincenti Copy Editor: Jocelyn Phillips Indexer: Steele/Katigbak Editorial Assistant: Andrew Sobel Composition: Emilcomp srl / Prepare Inc. Datos de catalogacin bibliogrfica GIANCOLI, C. DOUGLAS FSICA 1. Principios con aplicaciones. Sexta edicin PEARSON EDUCACIN, Mxico, 2009 ISBN: 978-970-26-1577-4 rea: Universitarios Formato: 21 27 cm Pginas: 408 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., publicada como PRENTICE HALL, INC., Copyright 2005. Todos los derechos reservados. Esta edicin en espaol es la nica autorizada. Edicin en espaol Editor: Enrique Quintanar Duarte e-mail: [email protected] Editor de desarrollo: Felipe Hernndez Carrasco Supervisor de produccin: Jos D. Hernndez Garduo SEXTA EDICIN, 2009 D.R. 2009 por Pearson Educacin de Mxico, S.A. de C.V. Atlacomulco nm. 500 5 piso Col. Industrial Atoto 53519, 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 de informacin, en ninguna forma ni por ningn medio, sea electrnico, mecnico, fotoqumico, magntico o electroptico, por fotocopia, grabacin o cualquier otro, 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 10: 970-26-1577-1 ISBN 13: 978-970-26-1577-4 Impreso en Mxico. Printed in Mexico. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 - 12 11 10 09

5. vii CONTENIDO LISTA DE APLICACIONES xiii PREFACIO xv COMPLEMENTOS Y MEDIOS AUDIOVISUALES DISPONIBLES xxiii NOTAS A LOS ESTUDIANTES (Y PROFESORES) ACERCA DEL FORMATO xxvii VOLUMEN 1 1 INTRODUCCIN, MEDICIN, ESTIMACIN 1 1-1 La naturaleza de la ciencia 1 1-2 La fsica y su relacin con otros campos 3 1-3 Modelos, teoras y leyes 4 1-4 Medicin e incertidumbre; cifras significativas 5 1-5 Unidades, estndares y el sistema SI 8 1-6 Conversin de unidades 10 1-7 Orden de magnitud: estimacin rpida 12 *1-8 Dimensiones y anlisis dimensional 14 RESUMEN 15 PREGUNTAS 16 PROBLEMAS 16 PROBLEMAS GENERALES 17 2 DESCRIPCIN DEL MOVIMIENTO: CINEMTICA EN UNA DIMENSIN 19 2-1 Marcos de referencia y desplazamiento 20 2-2 Velocidad promedio 21 2-3 Velocidad instantnea 23 2-4 Aceleracin 23 2-5 Movimiento con aceleracin constante 26 2-6 Resolucin de problemas 28 2-7 Cada de objetos 31 *2-8 Anlisis grfico del movimiento lineal 36 RESUMEN 38 PREGUNTAS 38 PROBLEMAS 39 PROBLEMAS GENERALES 42 3 CINEMTICA EN DOS DIMENSIONES; VECTORES 45 3-1 Vectores y escalares 45 3-2 Suma de vectores: mtodos grficos 46 3-3 Resta de vectores y multiplicacin de un vector por un escalar 48 3-4 Suma de vectores por medio de componentes 49 3-5 Movimiento de proyectiles 54 3-6 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 65 PROBLEMAS 65 PROBLEMAS GENERALES 69 4 DINMICA: LEYES DEL MOVIMIENTO DE NEWTON 72 4-1 Fuerza 72 4-2 Primera ley del movimiento de Newton 73 4-3 Masa 75 4-4 Segunda ley del movimiento de Newton 75 4-5 Tercera ley del movimiento de Newton 77 4-6 Peso: la fuerza de gravedad y la fuerza normal 80 4-7 Resolucin de problemas con las leyes de Newton: diagramas de cuerpo libre 84 4-8 Problemas que implican friccin y planos inclinados 90 4-9 Resolucin de problemas: Un enfoque general 96 RESUMEN 96 PREGUNTAS 97 PROBLEMAS 98 PROBLEMAS GENERALES 103 5 MOVIMIENTO CIRCULAR Y GRAVITACIN 106 5-1 Cinemtica del movimiento circular uniforme 106 5-2 Dinmica del movimiento circular uniforme 109 5-3 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 117 5-7 Gravedad cerca de la superficie de la Tierra; aplicaciones geofsicas 121 5-8 Los satlites y la ingravidez 122 *5-9 Leyes de Kepler y sntesis de Newton 125 5-10 Tipos de fuerzas en la naturaleza 128 RESUMEN 128 PREGUNTAS 129 PROBLEMAS 130 PROBLEMAS GENERALES 133

6. 6 TRABAJO Y ENERGA 136 6-1 Trabajo realizado por una fuerza constante 137 *6-2 Trabajo realizado por una fuerza variable 141 6-3 Energa cintica y el principio trabajo-energa 141 6-4 Energa potencial 144 6-5 Fuerzas conservativas y no conservativas 148 6-6 Energa mecnica y su conservacin 149 6-7 Resolucin de problemas a partir de la conservacin de la energa mecnica 150 6-8 Otras formas de energa; transformaciones de energa y la ley de conservacin de la energa 155 6-9 Conservacin de energa con fuerzas disipativas: Resolucin de problemas 156 6-10 Potencia 158 RESUMEN 160 PREGUNTAS 160 PROBLEMAS 162 PROBLEMAS GENERALES 165 7 CANTIDAD DE MOVIMIENTO LINEAL 167 7-1 Cantidad de movimiento y su relacin con la fuerza 168 7-2 Conservacin de la cantidad de movimiento 170 7-3 Colisiones e impulso 173 7-4 Conservacin de la energa y de la cantidad de movimiento en colisiones 175 7-5 Colisiones elsticas en una dimensin 176 7-6 Colisiones inelsticas 178 *7-7 Colisiones en dos o tres dimensiones 179 7-8 Centro de masa (CM) 182 *7-9 CM del cuerpo humano 184 *7-10 Centro de masa y movimiento de traslacin 185 RESUMEN 187 PREGUNTAS 187 PROBLEMAS 188 PROBLEMAS GENERALES 192 8 MOVIMIENTO DE ROTACIN 194 8-1 Cantidades angulares 195 8-2 Aceleracin angular constante 201 8-3 Movimiento de rodamiento (sin deslizamiento) 202 8-4 Torca 203 8-5 Dinmica de rotacin; torca e inercia de rotacin 206 8-6 Resolucin de problemas de dinmica de rotacin 208 8-7 Energa cintica de rotacin 210 8-8 Cantidad de movimiento angular y su conservacin 213 *8-9 Naturaleza vectorial de las cantidades angulares 215 RESUMEN 217 PREGUNTAS 217 PROBLEMAS 219 PROBLEMAS GENERALES 223 9 EQUILIBRIO ESTTICO; ELASTICIDAD Y FRACTURA 226 9-1 Condiciones para el equilibrio 227 9-2 Resolucin de problemas estticos 229 *9-3 Aplicaciones a msculos y articulaciones 234 9-4 Estabilidad y balance 236 *9-5 Elasticidad; tensin y deformacin 237 *9-6 Fractura 241 *9-7 Cubrir un espacio: arcos y domos 243 RESUMEN 246 PREGUNTAS 246 PROBLEMAS 247 PROBLEMAS GENERALES 252 10 FLUIDOS 255 10-1 Fases de la materia 255 10-2 Densidad y gravedad especfica 256 10-3 Presin en fluidos 257 10-4 Presin atmosfrica y presin manomtrica 259 10-5 Principio de Pascal 260 10-6 Medicin de presin; manmetros y el barmetro 260 10-7 Flotabilidad y principio de Arqumedes 263 10-8 Fluidos en movimiento; tasa de flujo y ecuacin de continuidad 268 10-9 Ecuacin de Bernoulli 270 10-10 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 RESUMEN 279 PREGUNTAS 280 PROBLEMAS 281 PROBLEMAS GENERALES 284 viii CONTENIDO

7. 11 VIBRACIONES Y ONDAS 286 11-1 Movimiento armnico simple 287 11-2 La energa en el oscilador armnico simple 289 11-3 El periodo y la naturaleza sinusoidal del MAS 292 11-4 El pndulo simple 296 11-5 Movimiento armnico amortiguado 298 11-6 Vibraciones forzadas; resonancia 299 11-7 Movimiento ondulatorio 300 11-8 Tipos de ondas: transversales y longitudinales 303 11-9 Energa transportada por las ondas 305 *11-10 Intensidad relacionada con la amplitud y la frecuencia 306 11-11 Reflexin y transmisin de ondas 307 11-12 Interferencia; principio de superposicin 308 11-13 Ondas estacionarias; resonancia 310 *11-14 Refraccin 312 *11-15 Difraccin 313 *11-16 Representacin matemtica de una onda viajera 314 RESUMEN 315 PREGUNTAS 316 PROBLEMAS 317 PROBLEMAS GENERALES 320 VOLUMEN 2 12 SONIDO 322 12-1 Caractersticas del sonido 322 12-2 Intensidad del sonido: decibeles 325 *12-3 El odo y su respuesta; intensidad 328 12-4 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 335 12-7 Efecto Doppler 338 *12-8 Ondas de choque y estampido supersnico 342 *12-9 Aplicaciones: sonar, ultrasonido y formacin de imgenes en medicina 343 RESUMEN 345 PREGUNTAS 346 PROBLEMAS 347 PROBLEMAS GENERALES 349 13 TEMPERATURA Y TEORA CINTICA 352 13-1 Teora atmica de la materia 352 13-2 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 363 13-8 Resolucin de problemas con la ley del gas ideal 364 13-9 La ley del gas ideal en trminos de molculas: nmero de Avogadro 366 13-10 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 RESUMEN 378 PREGUNTAS 379 PROBLEMAS 380 PROBLEMAS GENERALES 382 14 CALOR 384 14-1 El calor como transferencia de energa 385 14-2 Energa interna 386 14-3 Calor especfico 387 14-4 Calorimetra. Resolucin de problemas 388 14-5 Calor latente 391 14-6 Transferencia de calor: conduccin 395 14-7 Transferencia de calor: conveccin 397 14-8 Transferencia de calor: radiacin 399 RESUMEN 403 PREGUNTAS 403 PROBLEMAS 404 PROBLEMAS GENERALES 406 15 LAS LEYES DE LA TERMODINMICA 408 15-1 La primera ley de la termodinmica 409 15-2 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 416 15-6 Refrigeradores, acondicionadores de aire y bombas trmicas 421 15-7 Entropa y segunda ley de la termodinmica 424 15-8 Del orden al desorden 426 15-9 Agotamiento de energa; muerte trmica 426 *15-10 Evolucin y crecimiento; flecha del tiempo 427 CONTENIDO ix

8. *15-11 Interpretacin estadstica de la entropa y de la segunda ley 428 *15-12 Contaminacin trmica y calentamiento global 430 RESUMEN 432 PREGUNTAS 433 PROBLEMAS 433 PROBLEMAS GENERALES 436 16 CARGA ELCTRICA Y CAMPO ELCTRICO 439 16-1 Electricidad esttica; carga elctrica y su conservacin 440 16-2 Carga elctrica en el tomo 441 16-3 Aisladores y conductores 441 16-4 Carga inducida; el electroscopio 442 16-5 Ley de Coulomb 444 16-6 Resolucin de problemas en los que participan la ley de Coulomb y vectores 447 16-7 El campo elctrico 450 16-8 Lneas de campo 454 16-9 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 462 RESUMEN 463 PREGUNTAS 464 PROBLEMAS 465 PROBLEMAS GENERALES 468 17 POTENCIAL ELCTRICO 470 17-1 Energa potencial elctrica y diferencia de potencial 470 17-2 Relacin entre potencial elctrico y campo elctrico 474 17-3 Lneas equipotenciales 474 17-4 El electronvolt, una unidad de energa 476 17-5 Potencial elctrico debido a cargas puntuales 476 *17-6 Potencial debido a dipolo elctrico; momento de dipolo 479 17-7 Capacitancia 480 17-8 Dielctricos 482 17-9 Almacenamiento de energa elctrica 484 *17-10 Tubo de rayos catdicos: monitores de televisin, computadoras y osciloscopio 485 *17-11 El electrocardiograma (ECG) 487 RESUMEN 488 PREGUNTAS 488 PROBLEMAS 489 PROBLEMAS GENERALES 491 18 CORRIENTES ELCTRICAS 493 18-1 La batera elctrica 494 18-2 Corriente elctrica 496 18-3 Ley de Ohm: resistencia y resistores 498 18-4 Resistividad 500 18-5 Potencia elctrica 502 18-6 Potencia en circuitos caseros 505 18-7 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 510 RESUMEN 514 PREGUNTAS 514 PROBLEMAS 515 PROBLEMAS GENERALES 518 19 CIRCUITOS CD 520 19-1 Fem y voltaje en terminales 520 19-2 Resistores en serie y en paralelo 522 19-3 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 535 19-7 Riesgos elctricos 538 *19-8 Ampermetros y voltmetros 541 RESUMEN 545 PREGUNTAS 545 PROBLEMAS 547 PROBLEMAS GENERALES 551 20 MAGNETISMO 554 20-1 Imanes y campos magnticos 554 20-2 Las corrientes elctricas producen campos magnticos 557 20-3 Fuerza sobre una corriente elctrica en un campo magntico; definicin de 558 20-4 Fuerza sobre una carga elctrica que se mueve en un campo magntico 560 20-5 Campo magntico debido a un largo alambre recto 563 20-6 Fuerza entre dos alambres paralelos 565 20-7 Solenoides y electroimanes 567 *20-8 Ley de Ampre 568 B B x CONTENIDO

9. *20-9 Torca sobre un lazo de corriente; momento magntico 570 *20-10 Aplicaciones: galvanmetros, motores, bocinas 571 *20-11 Espectrmetro de masas 572 20-12 Ferromagnetismo: dominios e histresis 573 RESUMEN 575 PREGUNTAS 576 PROBLEMAS 577 PROBLEMAS GENERALES 581 21 INDUCCIN ELECTROMAGNTICA Y LEY DE FARADAY 584 21-1 Fem inducida 584 21-2 Ley de induccin de Faraday; ley de Lenz 586 21-3 Fem inducida en un conductor en movimiento 590 21-4 El flujo magntico variable produce un campo elctrico 591 21-5 Generadores elctricos 592 *21-6 Fuerza contraelectromotriz y contra torca; corrientes parsitas 593 21-7 Transformadores y transmisin de potencia 595 21-8 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 RESUMEN 608 PREGUNTAS 609 PROBLEMAS 610 PROBLEMAS GENERALES 613 22 ONDAS ELECTROMAGNTICAS 615 22-1 Los campos elctricos variables producen campos magnticos; ecuaciones de Maxwell 616 22-2 Produccin de ondas electromagnticas 617 22-3 La luz como una onda electromagntica y el espectro electromagntico 619 22-4 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 626 RESUMEN 629 PREGUNTAS 629 PROBLEMAS 629 PROBLEMAS GENERALES 631 23 LUZ: PTICA GEOMTRICA 632 23-1 El modelo de rayos de la luz 632 23-2 Reflexin; formacin de una imagen por medio de un espejo plano 633 23-3 Formacin de imgenes por medio de espejos esfricos 635 23-4 ndice de refraccin 642 23-5 Refraccin: ley de Snell 642 23-6 Reflexin interna total; fibras pticas 645 23-7 Lentes delgadas; trazado con rayos 647 23-8 Ecuacin de lentes delgadas; amplificacin 650 *23-9 Combinaciones de lentes 654 *23-10 La ecuacin del fabricante de lentes 656 RESUMEN 656 PREGUNTAS 657 PROBLEMAS 658 PROBLEMAS GENERALES 662 24 LA NATURALEZA ONDULATORIA DE LA LUZ 664 24-1 Ondas frente a partculas; el principio de Huygens y la difraccin 665 *24-2 El principio de Huygens y la ley de refraccin 666 24-3 Interferencia. Experimento de doble rendija de Young 668 24-4 Espectro visible y dispersin 671 24-5 Difraccin por medio de una sola rendija o disco 673 24-6 Rejilla de difraccin 676 *24-7 El espectrmetro y espectroscopia 678 24-8 Interferencia por medio de pelculas delgadas 679 *24-9 Interfermetro Michelson 684 24-10 Polarizacin 684 *24-11 Pantallas de cristal lquido (LCD) 688 *24-12 Dispersin de luz por la atmsfera 690 RESUMEN 690 PREGUNTAS 691 PROBLEMAS 692 PROBLEMAS GENERALES 694 25 INSTRUMENTOS PTICOS 696 25-1 Cmaras, de pelcula y digitales 697 25-2 El ojo humano; lentes correctivos 701 25-3 Lente de aumento 704 CONTENIDO xi

10. 25-4 Telescopios 706 *25-5 Microscopio compuesto 708 *25-6 Aberraciones de lentes y espejos 710 25-7 Lmites de resolucin; aberturas circulares 711 25-8 Resolucin de telescopios y microscopios; el lmite l 714 25-9 Resolucin del ojo humano y amplificacin til 715 *25-10 Microscopios de especialidad y contraste 716 *25-11 Rayos X y difraccin de rayos X 717 *25-12 Formacin de imgenes con rayos X y tomografa computarizada (exploracin CT) 718 RESUMEN 721 PREGUNTAS 722 PROBLEMAS 722 PROBLEMAS GENERALES 725 26 LA TEORA ESPECIAL DE LA RELATIVIDAD 726 26-1 Relatividad galileana-newtoniana 727 26-2 Postulados de la teora especial de la relatividad 730 26-3 Simultaneidad 731 26-4 La dilatacin del tiempo y la paradoja de los gemelos 734 26-5 Contraccin de la longitud 740 *26-6 Espacio-tiempo cuatridimensional 742 26-7 Cantidad de movimiento y masa relativistas 742 26-8 La rapidez ltima 743 26-9 E mc2 ; masa y energa 744 26-10 Suma relativista de velocidades 748 26-11 El impacto de la relatividad especial 748 RESUMEN 749 PREGUNTAS 750 PROBLEMAS 751 PROBLEMAS GENERALES 752 APNDICES A REPASO MATEMTICO A-1 A-1 Relaciones, proporcionalidad y ecuaciones A-1 A-2 Exponentes A-2 A-3 Potencias de 10 o notacin exponencial A-3 A-4 lgebra A-3 A-5 La expansin binomial A-6 A-6 Geometra plana A-7 A-7 Funciones trigonomtricas e identidades A-8 A-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 GASES Y LA EQUIPARTICIN DE LA ENERGA A-20 E TRANSFORMACIONES GALILEANAS Y DE LORENTZ A-23 RESPUESTAS A PROBLEMAS CON NMERO IMPAR A-27 NDICE A-40 CRDITOS DE FOTOGRAFAS A-51 xii CONTENIDO

11. APLICACIONES xiii APLICACIONES A LA BIOLOGA Y LA MEDICINA Captulo 1 Estimacin del nmero de latidos en una vida 13 Captulo 4 Cmo caminamos 79 Captulo 5 Centrifugado 116, 201 Captulo 7 No se rompa una pierna 174 Centro de masa de partes del cuerpo 184 Captulo 8 Torca del bceps 205, 221 Captulo 9 Enderezamiento de dientes 227 Fuerzas en msculos y articulaciones 234 Insercin de msculo y palanca de brazo 234 Columna vertebral,dolor de espalda 235 Equilibrio del cuerpo 236 Captulo 10 Suspensin del cuerpo en el agua 255 Circulacin sangunea 269 Falta de sangre en el cerebro: isquemia 273 Flujo sanguneo y enfermedad cardiaca 275 Insecto sobre la superficie del agua 276 El corazn como bomba 278 Presin sangunea 278 Captulo 11 Telaraa 293 Ecolocalizacin en ballenas y murcilagos 304 Captulo 12 Amplio rango de la audicin humana 325, 329 El odo humano y su sensibilidad 328 Medicin Doppler del flujo sanguneo y otros usos mdicos 341 Formacin de imgenes mdicas por medio de ultrasonido 344 Captulo 13 La vida bajo el hielo 360 Molculas en una respiracin 367 La evaporacin enfra 374, 395 Difusin en organismos vivos 378 Captulo 14 Quema de caloras 386 Conveccin por medio de la sangre 399 Prdida de calor radiado de los humanos 400 Termografa mdica 402 Captulo 15 Energa en el cuerpo humano 414 Evolucin biolgica y desarrollo 427 Captulo 16 Clulas: fuerzas elctricas ms teora cintica 460 Estructura y replicacin del ADN 460 Captulo 17 Dipolos en biologa molecular 480 Quemadura o choque por capacitor 485 Defibrilador cardiaco 485 Electrocardiograma (ECG) 487 Captulo 18 Conduccin elctrica en el sistema nervioso humano 510 Captulo 19 Marcapasos cardiaco 538 Choque elctrico, conduccin a tierra y seguridad 539 Captulo 21 Medicin em del flujo sanguneo 590 Interruptores de circuito para falla a tierra 599 Marcapasos 599 Captulo 22 Pinzas pticas 626 Captulo 23 Endoscopios mdicos (fibras pticas) 646 Captulo 25 Ojo humano 701 Lentes correctivos 702 Lentes de contacto 703 Cmo ver bajo el agua 704 Microscopios de luz 708 Resolucin del ojo humano 713 Difraccin de rayos X en biologa 718 Imgenes de rayos X 718 Exploracin TAC 719 APLICACIONES A OTROS CAMPOS Y A LA VIDA COTIDIANA Captulo 1 Los picos de 8000 m 10 Estimacin del volumen de un lago 12 Estimacin de la altura por medio de triangulacin 13 Captulo 2 Diseo de pistas de aterrizaje de aeropuertos 27 Seguridad automovilstica: bolsas de aire 29 Distancias de frenado 30 Trnsito rpido 42 Captulo 3 Cmo patear un baln de ftbol 58, 61 Deportes de pelotas 66, 67, 70, 71 Captulo 4 Aceleracin de un cohete 78 Qu fuerza acelera a un automvil? 79 Elevador y contrapeso 88 Ventaja mecnica de la polea 89 Ascensin de montaas 102, 105 Captulo 5 Derrapar en una curva 113 Frenos antibloqueo 113 Curvas peraltadas 114 Aplicaciones geofsicas 122 Satlites terrestres artificiales 122 Satlites geosincrnicos 123 Ingravidez 124 Captulo 6 Distancia de frenado de un automvil 144 Montaa rusa 151, 157 Salto con garrocha 152 Pistola de dardos 153 Potencia de automvil 159 Palanca 162 Captulo 7 Servicio de tenis 169, 173 Retroceso de un arma 172 Cohetes 172, 186 Salto alto 185 Captulo 8 Disco duro y rapidez de bit 200 Patinador, clavadista en rotacin 214 Colapso de estrella de neutrones 215 Captulo 9 Palanca 229 Puente levadizo 231 Concreto reforzado y pretensado 242 Colapso trgico 242 Arcos y domos 243 a v2 Captulo 10 Frenos de automvil, elevador hidrulico 260 Hidrmetro 266 Alas de avin, sustentacin 272 Navegacin contra el viento 273 Una curva de bisbol 273 Tensin superficial, capilaridad 277 Jabones y detergentes 277 Bombas 278 Captulo 11 Reloj de pndulo 297 Muelles, amortiguadores de edificios 298 Colapso de puente resonante 299 Terremotos 304, 305, 306, 313 Captulo 12 Distancia desde un relmpago 323 Cmara de autofoco 324 Instrumentos musicales, de cuerda y de viento 329 Ruido del viento 334 Afinacin con pulsos 337 Efecto Doppler,prediccin del clima 341 Corrimiento al rojo en cosmologa 342 Estampido supersnico 342 Sonar 343

12. Captulo 13 Juntas de expansin 354 Apertura de una tapa apretada 359 Desbordamiento del tanque de gasolina 359 Peralte de autopista 361 Masa (y peso) del aire en una habitacin 365 Presin en una llanta caliente 366 Reacciones qumicas, dependencia de la temperatura 371 Superfluidez 373 Humedad, clima 375, 376 Termostato 379 Captulo 14 Prdida de calor a travs de las ventanas 396 Ventanas trmicas 397 Valores R de aisladores trmicos 397 Cmo asla la ropa 397, 399 Calentamiento convectivo de una casa 398 Conveccin en una pendiente 398 Radiacin del Sol 401, 402 Astronoma: tamao de una estrella 402 Captulo 15 Motor de vapor 416 Motor de combustin interna 417 Refrigerador 421 Acondicionador de aire 422 Bomba trmica 423 Clasificacin SEER 423 Contaminacin trmica, calentamiento global 430 Recursos energticos 430 Captulo 16 Proteccin elctrica, seguridad 457 Mquinas fotocopiadoras 462 Impresoras lser e impresoras de inyeccin de tinta 463 Captulo 17 Capacitores en flashes de las cmaras, respaldos, protectores ante excesos de carga, memoria, teclados 480, 481, 482, 484 Sper alta capacitancia 482 TRC: monitores de televisin y computadoras 486 Osciloscopio 486 Fotocelda 492 Captulo 18 Alambres de bocinas 501 Termmetro de resistencia 502 Elemento de calentamiento, filamento de bombilla elctrica 503 Por qu las bombillas se queman cuando se encienden por primera vez 503 El relmpago 504 Circuitos domsticos 505 Fusibles y disyuntores 505 Cortos y seguridad 506 Extensiones 506 Secadores de cabello 508 Superconductores 510 Captulo 19 Cmo cargar una batera de automvil 532 Paso de corriente a un automvil 532 Luces intermitentes,limpiaparabrisas 537 Riesgos elctricos 538 Alambres de tierra y clavijas 540 Corriente de fuga 541 Lneas de energa elctrica cadas 541 Medidores digitales y analgicos 541, 544 Conexin de medidores, correcciones 543-544 Condensador de micrfono 546 Captulo 20 Uso de brjula, declinacin magntica 556 Aurora boreal 563 Electroimanes y solenoides 567 Interrupcin por medio de solenoides 567 Interruptores magnticos de circuitos 567 Motores 571, 572 Altavoces 572 Espectrmetro de masas 572 Bombeo electromagntico 576 Rel 577 Captulo 21 Estufa de induccin 588 Alternadores de automvil 592 Corriente de encendido de motor 593 Sobrecarga de motor 594 Amortiguado de corrientes parsitas 594 Detector de metales de los aeropuertos 595 Transformadores de radio 596 Transmisin de energa elctrica 597 Micrfono magntico 598 Lectura/escritura en cinta y discos 598 Codificacin digital 598 Lectora de tarjeta de crdito 599 Sismgrafo 599 GFCI (interruptor del circuito para falla de conexin a tierra) 599 Capacitores como filtros 605 Resonancia elctrica 608 Captulo 22 Transmisin AM y FM 627 Sintonizacin de una estacin 627 Antenas 628 Telfonos celulares, control remoto, televisin por cable y por satlite 628 Captulo 23 Qu tamao de espejo necesita 635 Dnde se puede ver usted mismo en un espejo cncavo 639 Usos de espejos curvos 635, 640, 641 Ilusiones pticas 643 Profundidad aparente del agua 644 Fibras pticas en telecomunicaciones 646 Dnde se puede ver una imagen formada por una lente 649 Captulo 24 Espejismos en la carretera 667 Arcos iris y diamantes 672 Anlisis espectroscpico 679 Pompas de jabn y pelculas de aceite 679 Recubrimiento de lentes 682 Polaroids 684 Cmo ver hacia el ro 687 Pantallas de cristal lquido (LCD) 688 Por qu el cielo es azul, los atardeceres rojos y las nubes blancas 690 Captulo 25 Cmaras digitales, ccd, artefactos 697 Ajustes de cmara 698 Telescopios 706 Microscopios 708 Telescopio Espacial Hubble 713 Resolucin de telescopio 714 Microscopios especiales 716 Usos de la difraccin de rayos X 718 Captulo 26 Sistema de posicionamiento global (GPS) 739 xiv APLICACIONES RECUADROS DE RESOLUCIN DE PROBLEMAS Captulo 2 Resolucin de problemas 28 Captulo 3 Resolucin de problemas: suma de vectores 53 Resolucin de problemas: movimiento de proyectiles 56 Captulo 4 Resolucin de problemas: leyes de Newton; diagramas de cuerpo libre 85 Resolucin de problemas: en general 96 Captulo 5 Resolucin de problemas: movimiento circular uniforme 112 Captulo 6 Resolucin de problemas: trabajo 139 Resolucin de problemas: conservacin de la energa 157 Captulo 7 Resolucin de problemas: conservacin de la cantidad de movimiento y colisiones 181 Captulo 8 Resolucin de problemas: movimiento de rotacin 209 Captulo 9 Resolucin de problemas: esttica 230 Captulo 14 Resolucin de problemas:calorimetra 394 Captulo 15 Resolucin de problemas: termodinmica 432 Captulo 16 Resolucin de problemas: electrosttica; fuerzas elctricas y campos elctricos 454 Captulo 19 Resolucin de problemas: reglas de Kirchhoff 530 Captulo 20 Resolucin de problemas: campos magnticos 562 Captulo 21 Resolucin de problemas:ley de Lenz 588 Captulo 23 Resolucin de problemas: espejos esfricos 641 Resolucin de problemas: lentes delgadas 651 Captulo 24 Resolucin de problemas: interferencia 683

13. xv Ver el mundo a travs de ojos que saben fsica Este libro est escrito para los estudiantes. Pretende brindar a los estudiantes una comprensin profunda de los conceptos bsicos de la fsica en todos sus aspectos, desde la mecnica hasta la fsica moderna. Su meta es explicar la fsica de una forma sencilla e interesante que sea accesible y clara, y ensear a los estudiantes a anticipar sus nece- sidades y dificultades sin una simplificacin excesiva. Un segundo objetivo es mostrar a los estudiantes cun til es la fsica en sus propias vidas y en sus profesiones futuras por medio de aplicaciones interesantes. Adems, se ha puesto especial nfasis en explicar tcnicas y enfoques para resolver problemas. Este libro de texto est especialmente diseado para que los estudiantes tomen un curso de un ao de introduccin a la fsica, que se base en lgebra y trigonometra, pero no en clculo. Muchos de estos estudiantes estn especializndose en biologa o estn inscritos en un curso propedutico para medicina, y otros tal vez estudien arquitectura, tecnologa, ciencias de la Tierra o ciencias ambientales. Muchas aplicaciones en esos campos tienen la intencin de responder la pregunta comn de los estudiantes: Por qu debo estudiar fsica? La respuesta es que la fsica resulta fundamental para una comprensin plena de esas especialidades, y aqu ellos vern de qu forma. La fsica lo es todo en el mundo cotidiano. La meta de este libro es ayudar a los estudiantes a ver el mundo a travs de ojos que saben fsica. Algunas de las nuevas caractersticas en esta sexta edicin incluyen: 1. Ejercicios dentro del texto para que los estudiantes verifiquen su comprensin; 2. nuevos prrafos para hacer el planteamiento de los ejemplos trabajados; 3. nuevos ejemplos que siguen paso a paso 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 l- quido (LCD), las cmaras digitales (con CCD) y la extensa cobertura de los dispositivos elctricos y su manejo seguro. stos y otros nuevos aspectos se resaltan ms adelante. La fsica y cmo entenderla He evitado el rido, dogmtico y comn enfoque de tratar primero los temas de manera formal y abstracta, y slo despus relacionar el material con la propia experiencia de los estudiantes. Mi enfoque parte del reconocimiento de que la fsica es una descripcin 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 procede a hacer generalizaciones y a exponer el tema de manera ms formal. Esto no slo hace que el material sea ms interesante y fcil de comprender, tambin est ms cerca de 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 los primeros 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 abru- ma a los estudiantes con demasiados detalles, en especial al principio, es ms probable que consideren que la fsica es interesante, divertida y til, y aquellos que tenan mie- do de la materia 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 las ecuaciones importantes aparecen junto a un nmero para distinguirlas de las menos tiles. Para ayudar a dejar en claro cules ecuaciones son generales y cules no lo son, las limitaciones de las ecuaciones importantes se presentan en corchetes junto a la ecuacin, como en [aceleracin constante] Las matemticas en ocasiones constituyen un obstculo para la comprensin del estudiante. Por eso el libro describe todos los pasos que se siguen en la deduccin de x = x0 + v0 t + 1 2 at2 . PREFACIO N U E V O

14. una frmula. Las herramientas matemticas importantes, como la suma de vectores y la trigonometra, se incorporan en el texto donde se requieren por primera vez, as que se 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 temas avanzados: 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. Otras unidades mtricas y britnicas se definen con propsitos informativos. El captulo 1 no es desechable. Es fundamental para la fsica darse cuenta que toda medicin tiene un grado de incertidumbre, y que las cifras significativas lo reflejan. Convertir unidades y ser capaz de hacer estimaciones rpidas tambin es bsico. Los aspectos culturales al comienzo del captulo 1 amplan la comprensin del mundo de una persona, mas no tienen que ser cubiertos en clase. Las mltiples aplicaciones en ocasiones slo sirven como ejemplos de principios fsicos. 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 ms bien que la iluminen. Para facilitar la deteccin de las aplicaciones, aparece una nota de 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 de resumen 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 ha pasado por al- to en la bsqueda por mejorar la claridad de la presentacin. Se han realizado muchos cambios y aclaraciones, algunos de ellos pequeos y otros no tanto. Se eliminaron frases y oraciones que pudieran detener el argumento principal: se trata de 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 todava son las tradicionales negritas; as por ejemplo, se utiliza para velocidad y para fuerza. 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, como se explica en la pgina xvii. Los ejemplos conceptuales no son una caracterstica nueva,pero hay algunos ejemplos que s lo son. Ejemplos modificados: Ms pasos matemticos se explican detalladamente y se agregan muchos ejemplos nuevos (vase la pgina xvii). Diseo de la pgina: Derivaciones completas. Se ha puesto mucha atencin, incluso ms que en la edicin anterior, en cmo est formateada cada pgina. Se ha realizado un gran esfuerzo para mantener las deducciones y argumentos importantes en pginas enfrentadas. Entonces los estudiantes no tendrn que voltear la pgina hacia atrs o hacia delante.A lo largo del libro los lectores vern ante ellos, en dos pginas enfrentadas, una importante rebanada de fsica. Subttulos: Muchas de las secciones dentro de un captulo ahora estn divididas en apartados, lo que separa los temas entrozos ms manejables. Ello permite hacer pausas para que los estudiantes descansen o recuperen el aliento. Notas marginales: Precaucin. Las notas marginales, en azul, puntualizan muchos temas y hacen las veces de subrayado ayudando a localizar los temas en re- F B vB xvi PREFACIO N U E V O N U E V O N U E V O N U E V O

15. PREFACIO xvii visin. Tambin puntualizan aplicaciones y sugerencias para resolver problemas. Un nuevo ttulo, el de PRECAUCIN, puntualiza posibles malas interpretaciones analizadas 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 revisiones He aqu una lista de los principales cambios o adiciones, pero existen muchos otros: Se usa ms la simetra, incluso para resolver problemas Anlisis 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 18 Superconductividad 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) Dnde verse uno mismo en un espejo; dnde se ve en realidad una imagen formada por una lente (cap. 23) Pantalla de cristal lquido (LCD) (cap. 24) La fsica detrs de las cmaras digitales y los CCD (cap. 25) Cmo ver bajo el agua (cap. 25) Masa relativista reelaborada (cap. 26) 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 N U E V O N U E V O N U E V O N U E V O

16. xviii PREFACIO Resolucin de problemas, con enfoques nuevos y mejorados Ser capaz de resolver problemas es una tcnica valiosa en general. Resolver problemas tambin es una forma efectiva de comprender la fsica con mayor profundidad. He aqu algunas de las formas que usa este libro para ayudar a los estudiantes a resolver con xito los problemas. Recuadros de resolucin de problemas, en total unos 20, se encuentran a lo largo del libro (hay un lista en la pgina xiii). Cada uno de ellos subraya una aproximacin paso a paso para resolver problemas en general, o de manera especfica para el material que se est estudiando. Los mejores estudiantes encontrarn que estos recuadros son innecesarios (pueden saltarlos), pero muchos estudiantes los encontrarn tiles como recordatorios de la aproximacin general y de los pasos que conviene seguir para resolver problemas. El Recuadro de Resolucin de Problemas general de la seccin 4-9 est colocado ah, despus de que los estudiantes han tenido cierta experiencia en lidiar con los problemas, de modo que estarn motivados para leerlo con cuidadosa atencin. Si se desea, la seccin 4-9 puede cubrirse con antelacin. No se pretende que los Recuadros 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 futuro. Las secciones de resolucin de problemas (como las secciones 2-6, 3-6, 4-7, 6-7, 8-6 y 13-8) intentan proporcionar entrenamiento adicional en reas donde la resolucin de problemas es especialmente importante. Ejemplos: Los ejemplos trabajados, cada uno con un ttulo para fcil referencia, caen en cuatro categoras: 1. La mayora son ejemplos trabajados regulares que sirven como problemas de prctica. Se agregaron algunos nuevos, unos cuantos de la edicin anterior se eliminaron y muchos se trabajaron de nuevo para ofrecer mayor claridad, ms pasos matemticos, ms de por qu se hace de esta forma; con el nuevo prrafo de planteamiento hay ms anlisis del razonamiento y el enfoque. La meta es pensar en voz alta con los estudiantes, y conducirlos a desarrollar perspicacia. El nivel de dificultad de los ejemplos trabajados para la mayora de los temas aumenta gradual- mente, de modo que los ms complicados se presentan junto con los problemas ms difciles al final de cada captulo. Muchos ejemplos ofrecen relevantes aplicaciones a diversos campos y a la vida diaria. 2. Ejemplos paso a paso: Despus de muchos de los Recuadros de Resolucin de Problemas, el siguiente ejemplo est elaborado paso a paso siguiendo los pasos del recuadro precedente, slo para mostrar a los estudiantes cmo utilizarlo.Tales soluciones son largas y en ocasiones redundantes, as que slo se incluye un ejemplo trabajado de esta forma. 3. Los ejemplos de estimacin, aproximadamente un 10% del total, pretenden desarrollar las habilidades para realizar estimaciones de orden de magnitud, aun cuando los datos sean escasos e incluso cuando el estudiante jams hubiera pensado que era posible un resultado.Vea, por ejemplo, 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 la intencin de estimular al estudiante a responder antes de leer la respuesta propor- cionada. Prrafo de PLANTEAMIENTO: Ahora todos los ejemplos numricos trabajados tienen un breve prrafo de introduccin antes de la solucin, que da el enfoque e indica los pasos que conviene seguir para resolver el problema. NOTA: Ahora muchos ejemplos tienen una breve nota despus de la solucin, a veces par remarcar la solucin misma, en ocasiones para mencionar una aplicacin, otras veces para proporcionar un enfoque alterno para resolver el problema. Estos nuevos prrafos de Nota permiten que el estudiante sepa que la solucin se complet, y que ahora se menciona un tema (o temas) relacionado. Ejemplos adicionales: Algunos temas de fsica requieren muchos diferentes ejemplos trabajados para quedar claros. Pero tantos ejemplos en lnea tal vez resulten abrumado- res para algunos estudiantes. En esos lugares, un subttulo Ejemplo(s) Adicional(es) tiene la intencin de sugerir a los estudiantes que podran saltarse estos ejemplos en una primera lectura. Cuando los estudiantes los incluyan durante una segunda lectura del captulo, seguramente les ayudarn a aumentar su habilidad para resolver un mayor rango de problemas. N U E V O N U E V O N U E V O N U E V O

17. PREFACIO xix N U E V O Los ejercicios dentro del texto, despus de un ejemplo o de la deduccin de una frmula, brindan a los estudiantes una oportunidad de ver si comprenden lo suficiente como para responder una pregunta simple o realizar un clculo sencillo. Las respuestas se proporcionan al final de la ltima pgina de cada captulo. Los problemas al final de cada captulo aumentaron en calidad y cantidad.Algunos de los problemas 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 gran grupo de problemas ordenados por seccin y graduados de acuerdo con la dificultad (aproximada): los problemas de nivel I son simples, diseados para brindar confianza a los estudiantes; los del nivel II son problemas normales, que implican mayor desafo y con frecuencia la combinacin de dos conceptos diferentes; los del nivel III son los ms complejos y se pretende que sean problemas de crditos adicionales que desafia- rn incluso a los estudiantes ms aventajados. El ordenamiento por nmero de seccin es para ayudar a los profesores a elegir qu material quieren enfatizar,y significa que esos problemas dependen del material incluido hasta esa seccin: en ocasiones, tambin se considera material presentado con anterioridad. Los problemas generales no estn clasificados y se agrupan en conjunto al final de cada captulo; representan tal vez el 30% de todos los problemas. Los problemas generales no necesariamente son ms difciles,pero tienen ms probabilidad de hacer referencia a material de captulos anteriores. Son tiles para los profesores que quieren ofrecer a los estudiantes unos cuantos problemas sin la pista de a qu seccin deben remitirse o sobre el grado de dificultad. Las preguntas, tambin al final de cada captulo, son de carcter conceptual. Ayudan a los estudiantes a usar y aplicar los principios y conceptos y, por tanto, a profundizar en su comprensin (o les permiten saber qu necesitan estudiar ms). Asignacin de problemas Sugiero que los profesores asignen un nmero significativo de problemas de los niveles I y II, as como un pequeo nmero de problemas generales, y reservar los problemas del nivel III slo como crditos adicionales para estimular a los mejores estudiantes. Aunque la mayora de los problemas del nivel I parecen sencillos, ayudarn a los alumnos a desarrollar confianza, una parte importante del aprendizaje, especialmente en fsica. Al final del libro se proporcionan las respuestas a los problemas con nmero impar. Organizacin El perfil general de esta nueva edicin conserva un orden tradicional de los temas: mecnica (captulos del 1 al 9); fluidos, vibraciones, ondas y sonido (captulos del 10 al 12); teora cintica y termodinmica (captulos del 13 al 15); electricidad y magnetismo (captulos del 16 al 22); luz (captulos del 23 al 25) y fsica moderna (captulo 26). Aqu estn inclui- dos casi todos los temas que se incluyen en los cursos de introduccin a la fsica. 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 existen muchas formas de ordenar los temas, y este libro permite considerable flexibilidad. En particular, prefiero presentar esttica despus de dinmica, en parte porque muchos estudiantes tienen problemas con el concepto de fuerza sin movimiento. Ms an, la esttica es un caso especial de la dinmica: la esttica se estudia para que uno pueda evitar que las estructuras se vuelvan dinmicas (es decir, se caigan). No obstante, la esttica (captulo 9) podra estudiarse antes, luego de una breve introduccin a los vectores. Otra opcin es la luz, la cual aparece despus de electricidad y magnetismo y de las ondas EM. Pero la luz podra estudiarse inmediatamente despus de la ondas (captulo 11). La relatividad especial (captulo 26), si se desea, podra estudiarse junto con la mecnica, por ejemplo, despus del captulo 7. No es necesario dar el mismo peso a todos los captulos. Mientras que los captulos 4 y 21 podran requerir 1 o 2 semanas de cobertura, los captulos 12 y 22 quizs necesiten slo 1 semana o incluso menos. Puesto que el captulo 11 se ocupa de las ondas estacionarias, el 12 podra dejarse para lectura de los estudiantes si se tiene poco tiempo de clase disponible. El libro contiene ms material del que es posible cubrir en la mayora de los cursos de un ao.Aunque existe gran flexibilidad para elegir los temas. Las secciones marcadas con asterisco (*) se consideran opcionales. Contienen material de fsica ligeramente ms avanzado 1 2

18. xx PREFACIO (material que rara vez se incluye en los cursos tpicos) y/o aplicaciones interesantes. Esas secciones no contienen material necesario para los captulos ulteriores, si acaso para las secciones opcionales posteriores. No todas las secciones sin estrella deben ser cubiertas; sigue existiendo considerable flexibilidad en la eleccin del material. Para un curso breve, podra eliminarse todo el material opcional, as como buena parte de los captulos 10, 12, 19 y 22, y tal vez partes seleccionadas de los captulos 7, 8, 9, 15, 21, 24 y 25. Los temas no cubiertos en clase podran servir de aliciente para el posterior estudio de los alumnos. Nuevas aplicaciones Las aplicaciones relevantes de la fsica a diversos campos, como la biologa, la medicina, la arquitectura, y a la vida cotidiana son una fuerte caracterstica de este libro. Las aplicaciones son interesantes por ellas mismas,adems de que responden la pregunta de los estudiantes:Por qu debo estudiar fsica?.Se agregaron nuevas aplicaciones.He aqu unas algunas de ellas (vase la lista despus de la tabla de contenido, en las pginas xii y xiii). Cmaras digitales, dispositivos de carga acoplada (CCD) (cap. 25) Pantallas de cristal lquido (LCD) (cap. 24) Seguridad en el manejo de la electricidad, riesgos y diversos tipos de interruptores de corriente y de circuito (cap. 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) Visin bajo el agua (cap. 25) 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) Gracias Ms de 50 profesores de fsica aportaron informacin y retroalimentacin directa en cada aspecto del texto: organizacin, contenido, figuras y sugerencias para nuevos ejemplos y problemas.A continuacin se mencionan los revisores de esta sexta edicin. Con cada uno de 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 S S O N N U E V A S

19. 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 Bass Jacob 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 Messina David 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)

20. xxii PREFACIO Debo un agradecimiento especial a los profesores Bob Davis y J. Erik Hendrickson por mucha informacin valiosa, y en especial por trabajar todos los problemas y producir el Manual de soluciones con todas las respuestas a los problemas y preguntas, as como por proporcionar las respuestas a los problemas de nmero impar la final de este libro. Gracias tambin al equipo que dirigen (profesores David Curott, Bryan Long y Richard Louie, quienes tambin trabajaron todos los problemas y preguntas, y cada uno de ellos verific a los 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 significativas. En especial quiero agradecer a los profesores Howard Shugart, Chris McKee y a muchos otros en el 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 en el Istituto Nazionale di Ottica, Florencia, Italia. Finalmente, debo agradecer a toda la gente en Prentice Hall con quienes he trabajado en 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 sobre m. Doy la bienvenida a comentarios, correcciones y sugerencias+ tan pronto como sea posible 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 Editor Prentice Hall Inc. One Lake Street Upper Saddle River, NJ 07458

21. 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 trminos clave, exmenes para estudio, preguntas para revisin y soluciones a problemas de fin de 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 matemticas necesarias, muestra cmo las matemticas se aplican directamente a la fsica, y explica 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-Purdue University, Fort Wayne) y Curtis J. Hieggelke (Joliet Junior College) Las actividades de clasificacin son un innovador tipo de ejercicio conceptual que pide a los estudiantes realizar juicios comparativos acerca de variaciones sobre una situacin fsica particular.Este complemento incluye aproximadamente 200 ejercicios de clasificacin que cubren toda la fsica clsica, excepto 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 registrar 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.Software Este paquete con libro de trabajo y CD-ROM hbrido est diseado para ayudar a los estudiantes a visualizar y trabajar con problemas fsicos especficos por medio de simulaciones creadas a partir de archivos de Fsica Interactiva. Cuarenta problemas de diversa dificultad requieren que los estudiantes efecten predicciones,cambien variables, corran y visualicen movimiento en la pantalla de la computadora. El libro de trabajo/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 necesitan 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 para correr, que muchos profesores de fsica han adoptado. No se requiere ni servidor Web 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 preguntas 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% son de carcter conceptual.Todas las preguntas estn clasificadas por nivel de dificultad y referidas a la correspondiente seccin de este libro. El Test Item File tambin est disponible en formato electrnico, en CD-ROM, en el Centro de Recursos del Instructor.

22. 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 ofWisconsin-Eau Claire) El manual de soluciones contiene soluciones trabajadas y detalladas de todos los problemas de fin de captulo en este libro, as como respuestas a las preguntas. Estn disponibles 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 vistas previas y secuencias de imgenes, realizar bsquedas por palabra clave, agregar notas de clase e incorporar sus propios recursos digitales.Tambin contiene un TestGe- nerator, un programa fcil de usar que se puede poner en red para crear pruebas que van de los acertijos cortos a extensos exmenes. Los profesores pueden usar el Edi- tor de Preguntas para modificar las preguntas o problemas existentes, que incluyen versiones algortmicas, o crear unos nuevos. Los CD tambin contienen clases adicionales en PowerPoint, ms versiones electrnicas del Manual de Recursos del Instruc- tor, del Manual de Soluciones del Instructor y preguntas y problemas de fin de captulo para este libro. Paquete de transparencias (0-13-035245-4) El paquete incluye aproximadamente 400 transparencias a todo color de imgenes y tablas de este libro. Video Fsica que puedes ver (0-205-12393-7) Este video contiene once demostraciones fsicas clsicas, cada una con duracin de 2 a 5 minutos. Sistemas de administracin de curso WebCT 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 relacionados con el curso. Los cartuchos para WebCT y Blackboard son especficos de texto e incluyen: Herramientas de enseanza justo a tiempo: calentamientos, rompecabezas y aplicaciones, 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 (vnculos a sitios relacionados) y aplicaciones con vnculos a sitios relacionados. Los problemas y preguntas prcticos son calificados por computadora,y los resultados pueden ser enviados automticamente 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 contenido asociado con materiales de enseanza justo a tiempo, Physlet Problems, preguntas conceptuales y cuantitativas, y cientos de problemas de fin de captulo de este libro.Muchos de los problemas de fin de captulo tienen una variante generada de manera algortmica. Permite a los profesores editar las preguntas, crear nuevas y contro-

23. lar parmetros importantes, tales como cunto vale una pregunta y cundo un estudiante 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 PH GradeAssist. WebAssign (www.webassign.net) WebAssign es un sistema de en lnea alojado nacionalmente que permite a los profesores 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-CAPA Enfoque 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, de problemas 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) es un sistema integrado para aprendizaje y asignacin en lnea. Consiste en un sistema de 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 sistema de entrega de contenido que proporcionar vas de acceso hacia y desde la National STEM Digital Library del NSF. xxv

24. 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 posterior depende de ellas a excepcin de algunas secciones posteriores tambin con asterisco. Ser divertido leerlas. 2. Se usan las convenciones comunes: los smbolos para cantidades (como m para masa) aparecen en itlicas, mientras que las unidades (como m para metro) aparecen en redondas. Los smbolos para vectores se presentan en negritas con una pequea flecha encima: 3. Pocas ecuaciones son vlidas en todas las situaciones. Cuando resulte prctico, las limitaciones de las ecuaciones importantes se establecen en corchetes a continuacin de la ecuacin. Las ecuaciones que representan las grandes leyes de la fsica se presentan 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 unidades, 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 estudiantes deben tratar de responder (por ellos mismos, al menos). Despus se incluyen problemas que estn clasificados como de nivel I, II o III, de acuerdo con la dificultad estimada, siendo los problemas del nivel I los ms sencillos. Los del nivel II son problemas normales, y los de nivel III son para crditos adicionales. Estos problemas clasificados estn ordenados por seccin, pero los problemas para una seccin dada tambin pueden depender de material estudiado con anterioridad.Sigue un grupo de problemas generales que no estn ordenados por seccin ni clasificados por dificultad. Las preguntas y problemas que se relacionan con secciones opcionales tienen un asterisco (*). Al final del libro se ofrecen las respuestas a los problemas 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 libro contiene muchos auxiliares para resolver problemas: a) Ejemplos trabajados y sus soluciones en el texto (resaltados con una lnea vertical en el margen) que hay que estudiar como una parte integral del texto; b) algunos de los ejemplos trabajados son ejemplos de estimacin,que muestran cmo se obtienen resultados apro- ximados, incluso cuando los datos proporcionados son escasos (vase la seccin 1-7); c) Recuadros de resolucin de problemas especiales colocados a lo largo del texto para sugerir un enfoque paso a paso a la resolucin de problemas para un tema particular. Pero no hay que quedarse con la idea de que cada tema tiene sus propias tcnicas, porque las bases permanecen iguales; a algunos de estos recuadros les sigue un ejemplo que est resuelto mediante el seguimiento explcito de los pasos sugeridos; d) secciones especiales de resolucin de problemas; e) notas marginales de Resolucin de problemas (vase el punto 9 ms adelante) que se refieren a sugerencias para resolver problemas dentro del texto; f) ejercicios dentro del texto que es conveniente trabajar inmediatamente y luego comparar la respuesta con la que se proporciona al final de la ltima pgina de ese captulo; g) los problemas 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 al estudiante para dar con una respuesta. Es recomendable darse un poco de tiempo para hallar la respuesta antes de leer la respuesta ofrecida. 8. Los subttulos de Ejemplos adicionales contienen ejemplos que el estudiante podra saltarse en una primera lectura, en caso de que se sienta abrumado. Pero uno 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 resolver 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 cinto tipos: a) notas ordinarias (la mayora) que sirven como una especie de subrayado del texto y ayudarn, ms tarde, a localizar conceptos y F B . xxvii

25. ecuaciones importantes; b) notas que se refieren a las grandes leyes y principios 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 problemas tratada en el texto,que se identifican por el ttuloResolucin de problemas;d) notas que se refieren a una aplicacin de la fsica en el texto o a un ejemplo, y que aparecen bajo el ttulo Fsica aplicada; e) notas de Precaucin que puntualizan una posible mala interpretacin, definida con claridad en el texto adyacente. 10. En los apndices se encuentra un repaso matemtico ms algunos temas adicionales. En las cubiertas interiores se incluyen datos tiles, factores de conversin y frmulas matemticas. xxviii

26. Agradecimientos Agradecemos a todos los profesores que han sido leales usuarios y han impartido la materia de Fsica en los pases de habla hispana con el apoyo del reconocido libro de Giancoli. Sus valiosos comentarios han servido para enriquecer el desarrollo de la actual edicin. Esperamos que con el uso de este texto cumplan satisfactoriamente los objetivos del programa del curso y preparen a sus alumnos para enfrentar los retos actuales dentro del mbito de las ciencias. En especial deseamos agradecer el apoyo y retroalimentacin que nos han dado los siguientes profesores: COLOMBIA Abraham Lincoln Clara Ortiz Anglo Americano Miguel Tolosa Cardenal Paccelly Jenny Correa Emmanuel dAlzon Francisco Ruggiero Gimnasio del Norte Luis Eduardo Cano Mara Mazzarello Diana Medina San Jorge de Inglaterra Nelson Roby MXICO Bachillerato Internacional Vctor Gerardo Delgado CIDEB Margarita Nerio Colego Arji Nancy de Alba Bellizzia Colegio Columbio Eliseo Garca Sosa Colegio Franco Ingls Fernando Macas Martnez Colegio Hebreo Tarbut Esther Murrow Colegio Mxico Bachillerato Mara del Socorro Garca Manuel Carrillo Ricaldi Colegio Montaignac Juana Velzquez Colegio Rossland Vctor Manuel Jimnez Romero Colegio Simn Bolivar Alejandro Jimnez Rubn Daro Daz Rojas Colegio Unin Martha Patricia Elingher Colegio Vermont Pastor Martnez Escuela Internacional S.C. Jos Luis Juambelz Escuela Nacional Preparatoria Plantel 6 Luis Fernando Tern Mendieta Jos Arturo Mompala I.E.S.CH. Samuel Len Brindis Manuel de Jess Arreola Ruiz Instituto Mier y Pesado Cayetano Andrade Zavala Instituto Simn Bolivar Isaac Galindo ITESM campus Quertaro Jaime Salvador Castellanos Preparatoria Cumbres Enrique Barreto Trujano Preparatoria Motolinia Gerardo Zavala Rodrguez Universidad del Valle de Mxico Ivonne Ibarra Silva Universidad La Salle A.C. Alberto Lima Universidad St Johns Margarito Rodrguez

27. FSICA 2PRINCIPIOS CON APLICACIONES

28. Esta fotografa de la Tierra, mejorada en computadora, se tom desde aproximadamente 36,000 km de distancia. Bajo las nubes, Norteamrica es claramente visible. Desde esta distancia el cielo es negro. (En el captulo 24 se explica por qu el cielo se ve azul desde la Tierra). Este captulo comienza con el aprendizaje de algunos principios acerca de la ciencia y sus teoras, y acerca de medicin y unidades. Tambin se aprende cmo realizar estimaciones rpidas. 1 CAPTULO1 Introduccin, medicin, estimacin L a fsica es la ms bsica de las ciencias. Trata del comportamiento y la estructura de la materia. En general, el campo de la fsica se divide en fsica clsica, que incluye movimiento, fluidos, calor, sonido, luz, electricidad y magnetismo, y fsica moderna, que incluye los temas de relatividad, estructura atmica, materia condensada, fsica nuclear, partculas elementales, y cosmologa y astrofsica. La mayor parte de estos temas se cubrirn en el presente libro, y se dar inicio con el movimiento (o mecnica, como se le llama con frecuencia). Pero, antes de comenzar con la fsica en s, daremos un breve vistazo a cmo se practica en realidad esta actividad general llamada ciencia, que incluye a la fsica. La naturaleza de la ciencia Por 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 a nuestro alrededor. Muchas personas piensan que la ciencia es un proceso mecnico de recoleccin de datos y hechos e invencin de teoras. Pero la labor cientfica no es tan simple. La ciencia es una actividad creativa que, en muchos aspectos, se ase- meja a otras actividades de la mente humana. 11

29. 2 CAPTULO 1 Introduccin, medicin, estimacin FIGURA 1-1 Aristteles es la figura central en lo alto de las escaleras (la figura a su lado es Platn) en este famoso retrato renacentista de La escuela de Atenas, pintado por Rafael alrededor de 1510. Tambin en esta pintura, considerada una de las grandes obras maestras, estn Euclides (es el que dibuja un crculo en la parte inferior derecha), Ptolomeo (en el extremo derecho, con un globo terrqueo), Pitgoras, Scrates y Digenes. Un aspecto importante de la ciencia es la observacin de los eventos, que incluye el diseo y realizacin de experimentos. Pero la observacin requiere imaginacin, ya que los cientficos nunca pueden incluir todo lo que observan en una sola descripcin. En consecuencia, los cientficos deben emitir juicios acerca de lo que es relevante en sus observaciones y experimentos. Consideremos, por ejemplo, cmo dos grandes mentes, Aristteles (384-322 a.C.; figura 1-1) y Galileo (1564-1642; figura 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 del suelo (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 su revisin del movimiento horizontal a principios de los aos 1600, sugiri que, si se pudiera eliminar la friccin, un objeto al que se le diera un empujn inicial a lo largo de una superficie horizontal continuara movindose indefinidamente sin detenerse. Galileo concluy entonces que, para un objeto, era tan natural estar en movimiento como estar en reposo. Al desarrollar este nuevo enfoque, Galileo fund la visin moderna del movimiento (captulos 2, 3 y 4). Este salto se llev a cabo de manera conceptual, sin eliminar en realidad la friccin. La observacin, complementada con la experimentacin y la medicin, es una parte del proceso cientfico. La otra parte es el desarrollo o la creacin de teoras que permitan explicar y darle un determinado orden a las observaciones. Las teoras nunca se derivan directamente de las observaciones; sin embargo, stas siempre pueden ayudar a inspirar una teora, y las teoras se aceptan o se rechazan con base en la 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 (la teora atmica) a partir de la observacin directa de los tomos, pues no es posible verlos directamente. La idea surgi de las mentes creativas. La teora de la relatividad, la teora electromagntica de la luz y la ley de Newton de la gravitacin universal fueron, igualmente, el resultado de la imaginacin humana. Las grandes teoras de la ciencia se pueden comparar, al igual que los logros creativos, con las grandes obras de arte o la literatura. Pero, cmo difiere la ciencia de estas otras actividades creativas? Una diferencia importante es que la ciencia requiere pruebas de sus teoras para ver si sus predicciones son corroboradas por el experimento. Pero las teoras no se confirman con las pruebas. Es importante tener 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 una teora para todos los posibles conjuntos de circunstancias. En consecuencia, una teora nunca puede ser absolutamente confirmada. De hecho, la historia de la ciencia dice 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 natural como el reposo

30. SECCIN 12 La fsica y su relacin con otros campos 3 En algunos casos, una nueva teora es aceptada por los cientficos porque sus predicciones se encuentran cuantitativamente en mejor concordancia con el experimento que aquellas predicciones de la teora precedente. Pero, en muchos casos, una nueva teora slo es aceptada si explica un mayor rango de fenmenos de los que explica la anterior. Por ejemplo, la teora de Coprnico del Universo centrado en el Sol (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 ms simple y ms rica, una que unifique y explique una mayor variedad de fenmenos, es ms til y bella para un cientfico. Y este aspecto, as como la concordancia cuantitativa, juega un papel fundamental en la aceptacin de una teora. Un aspecto importante de cualquier teora es qu tan bien predice los fenmenos 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 la relatividad ofrece predicciones que difieren muy poco de las teoras ms antiguas de Galileo y Newton en casi todas las situaciones cotidianas. Sus predicciones son mejores especialmente en el caso extremo de velocidades muy altas cercanas a la de la luz. Pero la prediccin cuantitativa no es el nico resultado importante de una teora. Tambin la visin del mundo se ve afectada. Como resultado de la teora de la relatividad de Einstein, por ejemplo, los conceptos de espacio y tiempo han sido completamente alterados, y se ha llegado a entender la masa y la energa como una sola entidad (mediante la famosa ecuacin E mc2 ). La fsica y su relacin con otros campos Durante mucho tiempo, la ciencia era ms o menos un todo unido conocido como filosofa natural. No fue sino hasta hace un siglo o dos que las distinciones entre la fsica y la qumica, e incluso las ciencias de la vida, se volvieron prominentes. De hecho, la clara distincin que ahora se observa entre las artes y las ciencias, tiene en s misma slo unos cuantos siglos de antigedad. Entonces, no es de sorprender que el desarrollo 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 los antiguos: 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 representaciones de la visin heliocntrica del universo propuesta por Coprnico, con el Sol en el centro. (Ver el captulo 5.) FIGURA 1-3 Estudio de Leonardo da Vinci (1452 1519) acerca de las fuerzas en las estructuras Aceptacin de la teora

31. 4 CAPTULO 1 Introduccin, medicin, estimacin de Leonardo da Vinci, el gran artista, investigador e ingeniero del Renacimiento, contienen las primeras referencias a las fuerzas que actan dentro de una estructura, una materia que en la actualidad se considera como fsica; pero entonces, como ahora, era un asunto con enorme relevancia para la arquitectura y la construccin. El primer trabajo en electricidad que condujo al descubrimiento de la batera elctrica y de la corriente elctrica fue realizado por un fisilogo del siglo XVIII, Lui- gi Galvani (1737-1798). Galvani not la contraccin de las piernas de las ranas en respuesta a una chispa elctrica y despus observ que los msculos se contraan cuando se ponan en contacto con dos metales diferentes (captulo 18). Al principio, este fenmeno se conoci como electricidad animal, pero en poco tiempo fue claro que la corriente elctrica misma poda existir en ausencia de un animal. La fsica se usa en muchos campos. Un zologo, por ejemplo, encuentra que la fsica es til para entender cmo los perros de las praderas y otros animales pueden vivir bajo tierra sin sofocarse. Un terapeuta fsico har un trabajo ms efectivo si es- t al tanto de los principios del centro de gravedad y la accin de las fuerzas dentro del cuerpo humano. El conocimiento de los principios operativos de la ptica y del equipo electrnico es de utilidad en varios campos. Los cientficos de la vida y los arquitectos estarn interesados por igual en la naturaleza de la prdida y la ganancia de calor en los seres humanos y la comodidad o incomodidad resultantes. Es posible que los propios arquitectos no tengan que calcular, por ejemplo, las dimensiones de las tuberas en un sistema de calentamiento o las fuerzas involucradas en una estructura dada para determinar si sta permanecer en pie (figura 1-4). Pero los arquitectos deben conocer los principios detrs de dichos anlisis con la finalidad de realizar diseos realistas y comunicarse, de manera efectiva, con los consultores de in- geniera y otros especialistas. Desde e