Sears y zemansky - física universitaria: con física moderna #1 (14th ed. 2018) 14th edition hugh d.
SEARS Y ZEMANSKY - Física
universitaria: con Física Moderna #1 (14th ed. 2018) 14th Edition Hugh D. Young
Visit to download the full and correct content document: https://ebookmass.com/product/sears-y-zemansky-fisica-universitaria-con-fisica-mod erna-1-14th-ed-2018-14th-edition-hugh-d-young/
More products digital (pdf, epub, mobi) instant download maybe you interests ...
Física IV: Ótica e Física Moderna 14ª Edition Hugh D. Young https://ebookmass.com/product/fisica-iv-otica-e-fisicamoderna-14a-edition-hugh-d-young/
Sears and Zemansky's University Physics with Modern Physics, Technology Update 13th International Edition Hugh D. Young
Director general: Sergio Fonseca ■ Director de innovación y servicios educativos: Alan David Palau ■ Gerente de contenidos y servicios editoriales: Jorge Luis Íñiguez ■ Coordinadora de desarrollo de contenidos: Lilia Moreno ■ Editora especialista en contenidos de aprendizaje: Rosa Díaz Sandoval ■ Coordinadora de arte y diseño: Mónica Galván ■ Editor de desarrollo: Bernardino Gutiérrez Hernández ■ Traductora: Ana Elizabeth García Hernández ■ Correctora de estilo: Lourdes Amador ■ Gestor de arte y diseño: José Hernández Garduño ■ Lector de pruebas: Guillermo González ■ Diseñador de interiores: FOCA Grupo Editorial ■ Diseñador de portada: FOCA Grupo Editorial ■ Composición y diagramación: FOCA Grupo Editorial
Torre B, Piso 6, Colonia Zedec Ed. Plaza Santa Fe Delegación Álvaro Obregón, México, Ciudad de México, C. P. 01210
Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana Reg. Núm. 1031 www.pearsonenespañol.com
Impreso en México. Printed in Mexico
Reservados todos los derechos. Ni la totalidad ni parte de esta publicación pueden reproducirse, registrarse o transmitirse, por un sistema de recuperación de información, en ninguna forma ni por ningún medio, sea electrónico, mecánico, fotoquímico, magnético o electroóptico, fotocopia, grabación o cualquier otro, sin permiso previo por escrito del editor.
AGRADECIMIENTOS A LA EDICIÓN EN ESPAÑOL
Pearson Educación agradece a los centros de estudio y profesores usuarios de esta obra por su apoyo y retroalimentación, elemento fundamental para esta nueva edición de Física universitaria con física moderna 1
MÉXICO
Instituto Politécnico Nacional
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica Eléctrica
Aline Marina Ortega Martínez
Fernando Bucio Sánchez
Instituto Politécnico Nacional
Unidad Profesional Interdisciplinaria en Ingeniería y Tecnologías Avanzadas
Agustín Morales Hernández
Carlos Cruz Cruz
José de Jesús Silva Lomelí
Lev Guzmán Vargas
Ramón Gómez Aguilar
Instituto Politécnico Nacional
Unidad Profesional Interdisciplinaria de Ingeniería
Campus Guanajuato
Fidel Córdoba Valdés
Flavio Mancera Olivares
Héctor Archivaldo Vega Lira
José Marcos Falcón González
Juan Arturo Aranda Ruiz
Juan Erick Cerpa Calixto
Omar Vargas Ferro
Sinuhé Alejandro Pérez Payán
Tecnológico de Monterrey Campus Aguascalientes
Jessica Marcela Donnadieu Blanco
Jorge Wellesley Bourke
Juan Manuel Campos Sandoval
Raúl Gutiérrez Perucho
Tecnológico de Monterrey
Campus Chihuahua
Miguel Ángel López Mariño
Tecnológico de Monterrey
Campus Ciudad Obregón
Fernando Rea Haro
Tecnológico de Monterrey
Campus Guadalajara
Alejandro Kadsumi Tomatani Sánchez
Humberto Hipólito García Díaz
José Julio Guedea Múzquiz
José Luis García Luna
Juan Carlos Quezada Andrade
Juan Jesús Díaz Guevara
Linda Margarita Medina Herrera
Luz María Gutiérrez Robles
María Eugenia Carbajal Rodarte
Miguel Ángel Castillo Cervantes
Omar Said Buassi Monroy
Tecnológico de Monterrey
Campus Laguna
José Manuel Pardo Reguei
Tecnológico de Monterrey
Campus Monterrey
Alfonso Serrano Heredia
Carlos Manuel Hinojosa Espinosa
Carlos Martínez Torteya
Genaro Zavala Enríquez
Jorge Alberto Lomas Treviño
Omar Olmos López
Santa Esmeralda Tejeda Torres
Tecnológico de Monterrey
Campus Sinaloa
Edgar Alonso Chucuán Martínez
Levy Noé Inzunza Camacho
Tecnológico de Monterrey
Campus Sonora Norte
Jesús Leopoldo Montijo Durán
Jesús Renato Montoya Morales
José Manuel Nieto Jalil
Julio Cesar Ávila Romero
Lázaro Alberto Ferrer Moreno
Leobardo López Pineda
Óscar Vidal Arellano Tánori
Parsons Christian Jeffrey Clive
Ricardo Quihuis Hernández
Tecnológico de Monterrey
Campus Zacatecas
César Omar Bueno Ortiz
Tzinnia Gabriela Soto Bernal
U-erre
Luis Saénz Esparza
Universidad Anáhuac Campus México
Enrique Zamora Gallardo
Universidad Autónoma de Guadalajara
Alberto Federico Michaelis Quintana
Universidad Autónoma de Nayarit
Cesar Humberto Arroyo Villa
Universidad Autónoma de Nuevo León
Rogelio Martin de la Rosa Villarreal
Flor Yanhira Rentería Baltiérrez
Jorge Félix Benítez Chávez
Universidad Autónoma de San Luis Potosí
Raúl Martín Acosta Meza
Universidad Autónoma del Estado de México
Facultad de Ingeniería
Balaam Valle Aguilar
Juan Carlos Pérez Merlo
Mireya Salgado Gallegos
Universidad Autónoma Metropolitana
Unidad Azcapotzalco
Gabriela del Valle
Universidad de Guadalajara CUCEI
Alberto Nigoche Netro
Eric Josafat Pulido Padilla
Gerardo Ramos Larios
Isabel Sainz Abascal
Javier W. Lau Sánchez
José Guzmán Hernández
José Luis Romero Ibarra
Marco Aurelio Martínez Aguilera
Mario Flores Pérez
Maryam Zuraya Fallad Chávez
Omar Rafael Torres Cortez
Universidad de La Salle Bajío
Alan David Blanco Miranda
Arturo Muñoz Lozano
Gerardo Olvera Barajas
Mauricio Salvatori Morales
Universidad de Monterrey
Héctor Antonio González Flores
Universidad Iberoamericana
Campus Santa Fe
José Humberto Mondragón Suárez
Lorena Arias Montaño
Mauricio Doníz Hernández
Universidad Nacional Autónoma de México
Facultad de Estudios Superiores Cuautitlán C-4
Baruch Arriaga Morales
Roberto Reyes Arce
Yolanda Benítez Trejo
Universidad Panamericana
Campus Guadalajara
Fidencio Tapia Rodríguez
Gabriel Marcelo Rubio González
Juan Carlos Beas Zepeda
Juan Carlos Flores Miramontes
Marcos Gómez Ortega
Renato Salomón Arroyo
Universidad Popular Autónoma del Estado de Puebla
Mario Enrique López Medina
COSTA RICA
Instituto Tecnológico de Costa Rica
Carlos Adrián Jiménez Carballo
Carlos Roberto Gutiérrez Chaves
Dionisio Gutiérrez Fallas
Gerardo Lacy Mora
Universidad de Costa Rica
Fernando Ureña Elizondo
Herberth Morales Ríos
José Ralph García Vindas
Marcela Hernández Jiménez
Miguel Araya Arguedas
Randall Figueroa Mata
Universidad Estatal a Distancia
Diana Herrero Villareal
Fernando Ureña Elizondo
Universidad Fidélitas
Georgina González Chacón
Gerardo Noguera Vega
Universidad Latina de Costa Rica
Armando Ramón Nevares González
Óscar Andrés Arroyo Chavarría
Universidad Nacional
Carlos Brenes Rodríguez
Christian Chaverri Ramos
Daniel Ballesteros Sakson
Giovanni Sáenz Arce
EL SALVADOR
Universidad Católica de El Salvador
Néstor Josué Ramírez Martínez
Universidad Centroamericana
José Simeón Cañas
Mauricio Grande
Universidad de El Salvador
Benancio Henríquez Miranda
Carlos Eduardo Francia López
Samuel Adolfo Dueñas Aparicio
GUATEMALA
Universidad de San Carlos de Guatemala
Angélica Becilia Pacheco Mazariegos
Calixto Monteagudo Cordero
Eric Josué Jacobs
CONTENIDO BREVE
MECÁNICA
1 Unidades, cantidades físicas y vectores 1
2 Movimiento rectilíneo
Trabajo y energía cinética
Energía potencial y conservación de la energía 203
8 Cantidad de movimiento, impulso y colisiones 237 9 Rotación de cuerpos rígidos
Dinámica del movimiento de rotación
y elasticidad
27
Campo magnético y fuerzas magnéticas 881
28 Fuentes de campo magnético 921
29 Inducción electromagnética 955
30 Inductancia 990
31 Corriente alterna 1020
32 Ondas electromagnéticas 1050
ÓPTICA
33 Naturaleza y propagación de la luz 1078
34 Óptica geométrica 1111
35 Interferencia 1160
36 Difracción 1186
FÍSICA MODERNA
37 Relatividad 1218
38 Fotones: ondas de luz que se comportan como partículas 1254
39 Partículas que se comportan como ondas 1279
40 Mecánica cuántica I: Funciones de onda 1321
41 Mecánica cuántica II: Estructura atómica 1360
42 Moléculas y materia condensada 1407
43 Física nuclear 1440
44 Física de partículas y cosmología 1481
APÉNDICES
A El sistema internacional de unidades A-1
B Relaciones matemáticas útiles A-3
C El alfabeto griego A-4
D Tabla periódica de los elementos A-5
E Factores de conversión de unidades A-6
F Constantes numéricas A-7
G Datos astronómicos y prefijos de las potencias de 10 A-8
Respuestas a los problemas de número impar A-9 Créditos C-1 Índice I-1
EL PUNTO DE REFERENCIA PARA LA CLARIDAD Y RIGOR
Desde su primera edición en inglés y en español, Física Universitaria de Sears y Zemansky ha sido famosa por su énfasis en los principios fundamentales y cómo aplicarlos. Este texto es conocido por su narrativa clara y completa y por su conjunto excepcionalmente amplio, profundo y reflexivo de los ejemplos presentados, herramientas clave para el desarrollo de la comprensión conceptual y las habilidades para resolver problemas.
La presente edición en español, traducción de la decimocuarta edición en inglés, agrega nuevas características promovidas por la investigación de la enseñanza de la física. Un enfoque sobre el aprendizaje visual y nuevos tipos de problemas encabezan las mejoras destinadas a crear el mejor recurso de aprendizaje para los actuales estudiantes de física.
ENFOQUE PARA LA SOLUCIÓN DE PROBLEMAS
EJEMPLO 11.2 LOCALIZAR SU CENTRO DE GRAVEDAD MIENTRAS SE EJERCITA
La plancha (figura 11.8a8 ) es una gran manera de fortalecer los músculos del abdomen, la espalda y los hombros. También puede utilizar esta posición de ejercicio para localizar su centro de gravedad. Sosteniendo la posición que simula una tabla con una báscula bajo sus dedos del pie y otra debajo de sus antebrazos, un atleta midió que el 66.0% de su peso estaba apoyado por sus antebrazos y el 34.0% por los dedos de los pies (es decir, las fuerzas normales totales de sus antebrazos y dedos de los pies eran de 0.660w y 0.340w, respectivamente donde w es el peso del atleta). Él tiene una altura de 1.80 m y en la posición de plancha, la distancia de sus dedos de los pies a la mitad de sus antebrazos es de 1.53 m. ¿Qué tan lejos de sus dedos de los pies está su centro de gravedad?
11.8 Un atleta en posición de plancha b) a) 18 1 1. 0 m
15 1 1.53m 3 m m
SOLUCIÓN
IDENTIFICAR Y PLANTEAR: Se pueden usar las dos condiciones de equilibrio, ecuaciones (11.6), para un atleta en reposo. Por lo tanto, la fuerza y la torca netas sobre el atleta son iguales a cero. La figura 11.8b muestra un diagrama de cuerpo libre, junto con los ejes x y y, y la convención de que las torcas positivas van en sentido contrario a las manecillas del reloj. El peso w actúa en el centro de gravedad, que está entre los dos apoyos (como debe ser; vea la sección 11.2). Nuestra incógnita es la distancia Lcg el brazo de palanca del peso con respecto a los dedos de los pies es T, así que es razonable tomar las torcas con respecto a T La torca debida al peso es negativa (tiende a causar una rotación en sentido de las manecillas del re de T), y la torca debida a la fuerza normal hacia arriba en los antebrazos es positiva (tiende a causar una rotación en sentido contrario a las manecillas del reloj alrededor de T).
EL ENFOQUE PARA SOLUCIÓN DE PROBLEMAS basado en la investigación: IDENTIFICACIÓN, PLANTEAMIENTO, EJECUCIÓN y EVALUACIÓN, se utiliza en cada ejemplo; método que también se emplea en los manuales de soluciones del profesor y del estudiante, y en la guía de estudio (todos en inglés). Este enfoque coherente enseña a los estudiantes a resolver problemas cuidadosamente en lugar de aplicar directamente las matemáticas.
ativa (tiende a e a i a rza E te) s est m
EJECUTAR: La primera condición de equilibrio se satisface (fi ra 11 8b): g Fx 0 porque no hay componentes de fuerza que g Fy 0 porque 0 340w + 0 660w + (-w) 0. Escribimos la ecuación de torca y despejamos Lcg: g tR 0 340w1 02 - wL g + 0 660w1 1 53 m2 L cg 1 01 m
ESTRATEGIAS DE SOLUCIÓN
DE PROBLEMAS
enseña a los estudiantes cómo enfocarse en tipos específicos de problemas.
PROBLEMA PRÁCTICO ¿CUÁNTO TIEMPO SE TARDA EN VACIAR?
Un gran tanque cilíndrico de diámetro D está abierto al aire libre en la parte superior. El tanque contiene agua hasta una altura H Luego, se abre en la parte inferior del tanque un pequeño orificio circular con un diámetro d donde d V D (figura 12.32). Desprecie los efectos de la viscosidad. a) Encuentre y, la altura del agua en el tanque un tiempo t después de que se ha abierto el orificio, como una función de t b) ¿Cuánto tiempo se tarda en vaciar el tanque por completo?
c) Si se duplica la altura H inicial del agua en el tanque, ¿en qué factor aumenta el tiempo en que se vacía el tanque?
GUÍA DE SOLUCIÓN
IDENTIFICAR y PLANTEAR
1. Dibuje un bosquejo de la situación que muestre todas las dimensiones importantes.
2 Elabore una lista de las cantidades desconocidas, y determine cuáles de éstas son las incógnitas que queremos despejar.
3 ¿Cuál es la rapidez con que el agua sale de la parte inferior del tanque? ¿Cómo se relaciona ésta con la rapidez del flujo de volumen de agua de salida del tanque? ¿Cómo está relacionada la rapidez de flujo de volumen con la razón de cambio de y?
EJECUTAR
4. Utilice los resultados del paso 3 para escribir una ecuación para dy>dt
5 Su resultado del paso 4 es una ecuación diferencial relativamente sencilla. Con sus conocimientos de cálculo, integre para encontrar y como una función de t (Sugerencia: Una vez que haya hecho la integración, aún tendrá que hacer un poco de álgebra).
Tanque anque
ESTRATEGIA PARA RESOLVER PROBLEMAS 3.1 MOVIMIENTO DE PROYECTILES
NOTA: También son útiles aquí las estrategias utilizadas en las secciones 2.4 y 2.5 para problemas de aceleración constante en línea recta
IDENTIFICAR los conceptos relevantes: El concepto clave que debemos recordar es que durante el movimiento de un proyectil la aceleración es hacia abajo y tiene magnitud constante g Observe que las ecuaciones para el movimiento de proyectiles no son válidas durante el lanzamiento de una pelota, porque durante el lanzamiento actúan tanto la mano del lanzador como la gravedad. Las ecuaciones sólo se aplican después de que la pelota sale de la mano del lanzador.
EVALUAR: El centro de gravedad está ligeramente deba go de nuestro atleta (como sucede con la mayoría de la gente) de sus antebrazos que de sus dedos de los pies; por eso sus antebrazos soportan la mayor parte de su peso. Puede comprobar nuestro resu escribiendo la ecuación de la torca con respecto a los antebrazos Usted encontrará que su centro de gravedad está a 0.52 m de sus ante brazos, o (1.53 m) - (0.52 m) 1.01 m de sus dedos de los pies.
PLANTEAR el problema con los siguientes pasos:
1. Defina su sistema de coordenadas y dibuje sus ejes. Normalmente lo más sencillo es tomar el eje x como horizontal y el eje y como vertical, y colocar el origen donde el cuerpo se vuelve un proyectil (como cuando la pelota sale de la mano del lanzador). Entonces, las componentes de la aceleración son ax 0, ay -g como en la ecuación (3.13); la posición inicial es x0 0 y y0 0; y puede usar las ecuaciones (3.19) a (3.22). (Si elige un origen diferente o ejes, tendrá que modificar estas ecuaciones).
2. Elabore una lista de las cantidades conocidas y las incógnitas, y determine cuáles incógnitas son sus objetivos. Por ejemplo, en algunos problemas se da la velocidad inicial (ya sea las componentes, o la magnitud y dirección) y se pide obtener las coordenadas y
componentes de velocidad en un instante posterior. Asegúrese de que tiene tantas ecuaciones como incógnitas por determinar. En cualquier caso, usará las ecuaciones (3.19) a (3.22). Las ecuaciones (3.23) a (3.26) también podrían ser útiles.
3 Plantee el problema con palabras y luego tradúzcalo a símbolos. Por ejemplo, ¿cuándo llega la partícula a cierto punto? (es decir, ¿en qué valor de t?). ¿Dónde está la partícula cuando la velocidad tiene cierto valor? (es decir, ¿cuánto valen x y y cuando vx o vy tienen ese valor?). Puesto que vy 0 en el punto más alto de la trayectoria, la pregunta “¿cuándo alcanza el proyectil su punto más alto?” equivale a “¿cuánto vale t cuando vy = 0?”. Asimismo, la pregunta “¿cuándo vuelve el proyectil a su altura inicial?” equivale a “¿cuánto vale t cuando y y0?”.
EJECUTAR la solución: Use las ecuaciones elegidas para obtener las incógnitas. Resista la tentación de dividir la trayectoria en segmentos y analizarlos individualmente. ¡No hay que volver a comenzar cuando el proyectil llega a su altura máxima! Lo más fácil suele ser usar los mismos ejes y escala de tiempo durante todo el problema. Si necesita valores numéricos utilice g 9.8 m>s2 ¡Recuerde que g es positiva!
EVALUAR la respuesta: Como siempre, examine sus resultados para ver si son lógicos y si los valores numéricos son razonables.
12.32 Un tanque de agua abierto y con un orificio en el fondo D d
A Aguua Altura del agua H en t 0 Altura del agua y en t 0
6 Utilice el resultado del paso 5 para determinar el momento en que el tanque está vacío. ¿Cómo dependerá su resultado de la altura H inicial?
EVALUAR
7. Compruebe si sus respuestas son razonables. Una buena comprobación es dibujar una gráfica de y en función de t. Según la gráfica, ¿cuál es el signo algebraico de dy>dt a diferentes horas? t ¿Esto tiene sentido?
Los PROBLEMAS PRÁCTICOS, que ayudan a los estudiantes a pasar de ejemplos trabajados con un concepto único, a problemas con varios conceptos al final del capítulo, se han revisado de acuerdo con los comentarios del revisor, para garantizar que sean eficaces y tengan el nivel de dificultad apropiado.
INFLUENCIA DE LO MÁS RECIENTE EN INVESTIGACIÓN EDUCATIVA
PEDAGOGÍA INFORMADA POR DATOS E INVESTIGACIÓN
LOS DATOS HABLAN
Gravitación
Cuando a los estudiantes se les planteó un problema relacionado con la superposición de fuerzas gravitacionales, más del 60% dio una respuesta incorrecta. Errores comunes:
● Suponer que objetos de igual masa A y B deben ejercer atracción gravitacional de la misma intensidad sobre un objeto C (lo que no es cierto cuando A y B están a diferentes distancias de C).
● No considerar la naturaleza vectorial de la fuerza (al sumar dos fuerzas que apuntan en direcciones diferentes, no es posible tan sólo sumar las magnitudes de las fuerzas).
El texto de LOS DATOS HABLAN, alerta a los estudiantes acerca de los errores más comunes, estadísticamente hablando, durante la solución de problemas sobre un tema determinado.
Coordenadas al tiempo t de un proyectil (la dirección positiva y es hacia arriba y x = y = 0 en t = 0)
PROBLEMAS DE TRANSICIÓN
BIO PRESERVACIÓN DE CÉLULAS A TEMPERATURAS FRÍAS.
En el proceso de preservación criogénica, los materiales biológicos son enfriados a muy bajas temperaturas con la finalidad de retardar las reacciones químicas que pudieran dañar las células o los tejidos. Es importante evitar la formación de cr ista les de hielo durante la congelación. Un método para evitar la formación de hielo es coloca r el material en una solución protectora llamada cr ioprotectora A continuación, se listan valores de propiedades térmicas de un protector criogénico:
Punto de fusión - 20 C
Calor latente de fusión 2 80 * 105 J>kg
Calor específico (líquido) 4.5 * 103 J>kg # K
Calor específico (so
Con d uct i v id a d térm
Conductividad térmica
Rapidez en t = 0 Dirección en t = 0 Tiempo
La aceleración debida a la gravedad: Observe que g 7 0 Componentes de la velocidad al tiempo t de un proyectil (la dirección positiva y es hacia arriba)
Rapidez en t 0 Dirección en t 0
Tiempo
Ahora, TODAS LAS ECUACIONES PRINCIPALES SE COMENTAN para ayudar a los estudiantes a establecer una conexión entre el conocimiento conceptual y el conocimiento matemático de la física.
í uido so é é 17.117 Mediciones cuidadosas indican que el calor específico de la fase sólida depende de la temperatura (figura P17.117 ). ¿Cómo se compara el tiempo rea l necesar io para que este protector cr iogén ico lleg ue a l equilibr io con la placa f ría en comparación con el tiempo predecible usando los va lores de la tabla? Suponga que son correctos todos los valores diferentes del calor específico (sólido). El tiempo real a) será más corto; b) será más largo; c) será igual; d ) depende de la densidad del protector criogénico.
Figura P17.117
Cada capítulo incluye de tres a cinco PROBLEMAS DE TRANSICIÓN (con formato del examen médico a nivel licenciatura de Estados Unidos). Estos problemas requieren que los estudiantes investiguen muchos aspectos de una situación física de la vida real, generalmente de tipo biológico, como se describe en el texto del problema.
PROBLEMAS DE DATOS
Estos problemas de razonamiento basados en datos, muchos de los cuales son ricos en contexto, requieren que los estudiantes usen evidencia experimental presentada en un formato tabular o gráfico para formular conclusiones.
9.89 .. DATOS Está reconstruyendo un Chevrolet 1965. Para decidir si reemplaza el volante por uno nuevo, de peso más ligero, desea determinar el momento de inercia del volante original de 35.6 cm de diámetro. Éste no es un disco uniforme, por lo que no puede utilizar I = 1 2 MR2 para calcular el momento de inercia. Usted retira el volante del auto y utiliza cojinetes de baja fricción para montarlo sobre una varilla horizontal fija que pasa a través del centro del volante, el cual luego puede girar de manera libre (aproximadamente a 2 m arriba del suelo). Después de pegar un extremo de una pieza larga de cuerda flexible al borde del volante, usted la enrolla varias vueltas alrededor del borde y suspende un bloque del metal de 5.60 kg del extremo libre de la cuerda. Al soltar el bloque desde el reposo, desciende mientras el volante gira. Con ayuda de una cámara fotográfica de alta velocidad, mide la distancia d que se ha movido el bloque hacia abajo en función del tiempo desde que se liberó. La ecuación para la gráfica que se muestra en la figura P9.89 que da un buen ajuste para los puntos de datos es d = (165 cm>s2)t2 a) Con base en la gráfica, ¿el bloque cae con aceleración constante? Explique. b) Utilice la gráfica para calcular la velocidad del bloque cuando ha descendido 1.50 m. c) Aplique conservación de la energía mecánica al sistema de volante y bloque para calcular el momento de inercia del volante. d) Usted se siente tranquilo al constatar que la cuerda no se rompió. Aplique la segunda ley de Newton al bloque para determinar la tensión en la cuerda conforme el bloque desciende.
SOLUCIONES EN VIDEO, están ligadas a cada ejemplo trabajado y a cada problema práctico, y se puede acceder a ellos a través de los códigos QR que se encuentran a lo largo del libro. Estos videos guían a los estudiantes a través del proceso de solución de problemas, proporcionando un asistente de enseñanza virtual a cualquier hora del día.
DEMOSTRACIONES EN VIDEO de los conceptos clave de física así como la evaluación para involucrar activamente a los estudiantes en la comprensión de conceptos clave, los cuales están disponibles a lo largo del libro mediante códigos QR.
APLICACIONES
Capítulo 1
Temperatura escalar, viento vectorial 10
Capítulo 2
BIO Pruebas con humanos a grandes aceleraciones 46
Capítulo 3
BIO Caballos en una trayectoria curva 71
Cuidado: ¡Se aproximan curvas cerradas! 85
Capítulo 4
Viaje en trineo con la primera ley de Newton 106
Culpa de la segunda ley de Newton 111
Capítulo 5
Fricción estática y limpiadores de parabrisas 144
BIO Polen y resistencia del fluido 148
BIO Movimiento circular en una centrífuga 155
Capítulo 6
BIO Trabajo y fibras musculares 173
BIO Los tendones con resortes no ideales 186
BIO Potencia muscular 190
Capítulo 7
BIO Conversión de energía potencial gravitacional en energía cinética 205
BIO Energía potencial elástica de un guepardo 214
Fuerzas no conservativas y energía interna en un neumático 220
Topografía y gradiente de energía potencial 223
Acróbatas en equilibrio 224
Capítulo 8
BIO Impulso del pájaro carpintero 239
Búsqueda de planetas más allá de nuestro Sistema Solar 258
BIO Propulsión a reacción de los calamares 258
Capítulo 9
BIO Movimiento de rotación de las bacterias 278
BIO Momento de inercia del ala de un ave 285
Capítulo 10
BIO Combinación de movimiento de traslación y de rotación 311
BIO Rodar para reproducirse 315
Capítulo 11
BIO Módulo de Young de un tendón 348
BIO Esfuerzo volumétrico sobre un pez 350
Capítulo 12
BIO Cohesión líquida en los árboles 370
BIO Manómetro para medir la presión arterial 375
BIO Por qué las jirafas tienen presión sanguínea alta 382
BIO Escuchar un flujo turbulento 386
Capítulo 13
Caminata y carrera en la Luna 403
BIO Riesgos biológicos de un viaje interplanetario 412
Capítulo 14
BIO Frecuencias de las alas 434
BIO Oscilaciones forzadas 455
BIO Resonancia canina 456
Capítulo 15
BIO Ondas en el cuerpo de una serpiente 469
BIO Comer y las ondas transversales 481
BIO Ondas superficiales y rapidez de nado de los patos 482
Capítulo 16
BIO Pérdida del oído por la amplificación del sonido 510
BIO Resonancia y la sensibilidad del oído 523
Capítulo 17
BIO Temperaturas corporales de los mamíferos 548
BIO Piel contra grasa de ballena 566
Capítulo 18
BIO Respiración y la ecuación del gas ideal 586
BIO Energía de activación y actividad de la polilla 604
Capítulo 19
BIO La primera ley de la termodinámica durante el ejercicio 624
BIO Exhalando adiabáticamente 635
Capítulo 20
BIO Eficiencia biológica 650
BIO Cambios de entropía en un organismo vivo 669
Capítulo 21
BIO Fuerzas eléctricas, sudor y fibrosis quística 690
BIO Los tiburones y el “sexto sentido” 695
BIO Un pez con un momento dipolar eléctrico 709
Capítulo 22
BIO Flujo a través de la boca de un tiburón peregrino 726
BIO Distribución de carga en el interior de las células nerviosas 738
BIO Por qué los relámpagos son verticales 741
Capítulo 23
BIO Electrocardiografía 760
BIO Electrón-volts y radioterapia contra el cáncer 762
BIO Gradiente de potencial a través de una membrana celular 773
Capítulo 24
Capacitancia y pantallas táctiles 791
Capacitores en la caja de herramientas 800
BIO Membrana celular dieléctrica 802
Capítulo 25
BIO Resistividad y conducción nerviosa 822
BIO ¡Peligro: Mantarraya eléctrica! 828
Capítulo 26
BIO Electromiografía 859
BIO Marcapasos y capacitores 864
Capítulo 27
BIO Langostas espinosas y brújulas magnéticas 884
BIO Campos magnéticos del cuerpo 885
BIO Imagen de resonancia magnética 901
Capítulo 28
Corrientes y magnetismo planetario 925
BIO Campos magnéticos de IRM 932
BIO Nanopartículas magnéticas en el tratamiento contra el cáncer 944
Capítulo 29
BIO Exploración del cerebro con fem inducidas 956
Las corrientes parásitas aumentan la potencia de los volcanes de los volcanes 973
Capítulo 30
Inductores, transmisión de energía y relámpagos 994
Erupción magnética solar 999
Capítulo 31
BIO Medición de la grasa corporal mediante el análisis de la impedancia bioeléctrica 1030
BIO Riesgos de voltajes de ca frente a voltajes de cd 1039
Capítulo 32
BIO Visión ultravioleta 1054
BIO Cirugía láser 1065
Capítulo 33
BIO Transparencia e índice de refracción 1083
Polarización circular y películas 3-D 1097
Birrefrigerancia y pantallas de cristal líquido 1098
BIO Visión de las abejas y la luz polarizada del cielo 1099
Capítulo 34
Parabólicas de televisión por satélite 1118
Inversión de una imagen invertida 1138
BIO Enfoque en el reino animal 1140
BIO Telefoto en los ojos de los camaleones 1143
Capítulo 35
BIO Diferencia de fase, diferencia de trayectorias y ubicación de una fuente de sonido por el oído humano 1163
BIO Interferencia y las alas de una mariposa 1176
BIO Escaneo de células con un interferómetro de Michelson 1177
Capítulo 36
BIO Medición del ADN con difracción 1200
Con telescopio más grande, mejor resolución 1206
BIO El disco de Airy en el ojo de un águila 1207
Capítulo 37
¿Quién es la abuela? 1228
Velocidad relativa y sistemas de referencia 1234
Seguimiento de la conversión de masa-energía 1242
Capítulo 38
BIO Esterilización con fotones de alta energía 1260
BIO Absorción de rayos X e imágenes médicas 1263
Caza de la mariposa con Heisenberg 1270
Capítulo 39
Uso de espectros para analizar una nube de gas interestelar 1286
BIO Pez fluorescente 1293
BIO Ojos de cuerpo negro 1305
Colores de las estrellas y ley de la radiación de Planck 1306
Capítulo 40
Partículas en un polímero “caja” 1333
BIO Tunelamiento electrónico en enzimas 1342
Capítulo 41
BIO Espín del electrón y datación de restos humanos 1381
BIO Configuraciones electrónicas y radioterapia para el cáncer de huesos 1389
Los rayos X en la ciencia forense 1393
Capítulo 42
BIO Cremallera molecular 1410
BIO Uso de cristales para determinar la estructura de las proteínas 1414
BIO Ingesta de un dispositivo semiconductor 1430
Capítulo 43
Uso de isótopos para medir el clima prehistórico 1442
BIO Deuterio y toxicidad del agua pesada 1446
BIO Edificio radiactivo 1463
BIO Fabricación de isótopos radiactivos para medicina 1468
Capítulo 44
BIO Aniquilación de pares en el diagnóstico médico 1484
BIO Aceleradores lineales en medicina 1486
BIO Un fósil antiguo y uno reciente 1509
SOBRE LOS AUTORES
Roger A. Freedman es profesor de física en la University of California, en Santa Barbara (UCSB). El doctor Freedman estudió su licenciatura en los planteles de San Diego y Los Ángeles, y realizó su investigación doctoral en teoría nuclear en la Stanford University bajo la dirección del profesor J. Dirk Walecka. Llegó a la UCSB en 1981, después de haber sido profesor e investigador en la Washington University durante tres años.
En la UCSB el doctor Freedman ha impartido cátedra tanto en el departamento de Física como en la Escuela de Estudios Creativos, un organismo de la universidad que da cabida a estudiantes universitarios altamente dotados y motivados. Ha publicado artículos sobre física nuclear, física de partículas elementales y física de láseres. En años recientes ha trabajado para hacer de las clases de física una experiencia más interactiva a través de sistemas de respuestas en el salón de clases y videos para revisar antes de clase
Durante la década de 1970 el doctor Freedman trabajó como rotulista de un libro cómico y ayudó en la organización del San Diego Comic-Con, (actualmente la convención más grande de la cultura popular), durante unos años en su inicio. Ahora, cuando no está en el aula o trabajando afanosamente ante una computadora, al doctor Freedman se le ve volando (tiene licencia de piloto comercial) o con su esposa, Caroline, animando a los equipos de remo de hombres y mujeres de la UCSB.
A LA MEMORIA DE HUGH YOUNG (1930-2013)
Hugh D. Young fue profesor emérito de física en la Carnegie Mellon University. Cursó sus estudios de licenciatura y posgrado en esa universidad, donde obtuvo su doctorado en teoría de partículas fundamentales bajo la dirección de Richard Cutkosky. Se unió al grupo de profesores de Carnegie Mellon en 1956 y se retiró en 2004. También fue dos veces profesor invitado en la California University en Berkeley
La carrera del doctor Young se centró por completo en la docencia a nivel de licenciatura. Escribió varios libros de texto para ese nivel, y en 1973 se convirtió en coautor de los bien conocidos libros de introducción a la física de Francis Sears y Mark Zemansky. Además de su papel en el texto de Física Universitaria de Sears y Zemansky, también es autor del texto de College Physics de Sears y Zemansky.
El doctor Young cursó un grado de bachiller como ejecutante de órgano en Carnegie Mellon en 1972 y fue durante varios años organista asociado en la Catedral de St. Paul, en Pittsburgh. A menudo se aventuraba en lugares desiertos para ir de excursión, escalar o explorar cuevas con estudiantes en el club de exploradores de Carnegie Mellon, el cual fundó como estudiante de posgrado y más adelante asesoró. El doctor Young y su esposa, Alice, alojaban en su casa hasta 50 estudiantes cada año para las cenas de acción de gracias. Siempre generoso, el doctor Young agradeció de la siguiente manera: “quiero extender mi más sincero agradecimiento a mis colegas de Carnegie Mellon, especialmente a los profesores Robert Kraemer, Bruce Sherwood, Ruth Chabay, Helmut Vogel y Brian Quinn, por las muchas conversaciones estimulantes sobre la pedagogía de la física y por su apoyo y ánimo durante la escritura de varias ediciones sucesivas de este libro. Estoy igualmente en deuda con muchas generaciones de estudiantes de Carnegie Mellon que me ayudaron a aprender lo que es la buena enseñanza y la correcta escritura, al mostrarme lo que funciona y lo que no. Siempre es un placer y un privilegio expresar mi gratitud a mi esposa, Alice y a nuestros hijos, Gretchen y Rebeca, por su amor, apoyo, y sustento emocional durante la escritura de varias ediciones sucesivas de este libro. Que todos los hombres y mujeres sean bendecidos con un amor como el de ellos”. En Pearson apreciamos su colaboración, profesionalismo y buen carácter. Lo extrañaremos
A. Lewis Ford es profesor de física en Texas A&M University. Cursó la licenciatura en Rice University en 1968, y en 1972 obtuvo un doctorado en física química de la Texas University, en Austin. Después de pasar un año de posdoctorado en la Harvard University, en 1973 se unió a Texas A&M University como profesor de física, en donde ha permanecido desde entonces. El área de investigación del profesor Ford es la física atómica teórica, con especialidad en colisiones atómicas. En Texas A&M University ha impartido una amplia variedad de cursos de licenciatura y posgrado, pero sobre todo de introducción a la física.
CÓMO TRIUNFAR EN FÍSICA
SI SE INTENTA DE VERDAD
Mark Hollabaugh,Eméritoen la Normandale Community College
La física estudia lo grande y lo pequeño, lo viejo y lo nuevo. Del átomo a las galaxias, de los circuitos eléctricos a la aerodinámica, la física es una gran parte del mundo que nos rodea. Es probable que esté siguiendo este curso de introducción a la física basado en el cálculo, porque lo requiera para materias posteriores que planee tomar como parte de su carrera en ciencias o ingeniería. Su profesor quiere que aprenda física y goce la experiencia y tiene mucho interés en ayudarlo a aprender esta fascinante disciplina. Ésta es parte de la razón por la que su profesor eligió este libro para el curso. También es la razón por la que los doctores Young y Freedman me pidieron que escribiera esta sección introductoria. ¡Queremos que triunfe!
El propósito de esta sección de Física universitaria es darle algunas ideas que lo ayuden en su aprendizaje. Al análisis breve de los hábitos generales y las estrategias de estudio seguirán sugerencias específicas de cómo utilizar el libro.
PREPARACIÓN PARA ESTE CURSO
Si en el bachillerato estudió física, es probable que aprenda los conceptos más rápido que quienes no lo hicieron porque estará familiarizado con el lenguaje de la física. Si quiere tomar ventaja, forme un glosario de los nuevos términos que encuentre y asegúrese de entender cómo se usan en el campo de la física. De igual modo, si tiene estudios avanzados de matemáticas comprenderá con más rapidez los aspectos matemáticos de la física; pero aún con un nivel adecuado de matemáticas será de mucha utilidad repasar conceptos en libros como el de Arnold D. Pickar, Preparing for General Physics: Math Skill Drills and Other Useful Help (Calculus Version). Es posible que su profesor asigne tareas de este repaso de matemáticas como auxilio para su aprendizaje.
APRENDER A APRENDER
Cada uno de nosotros tiene un estilo diferente de aprendizaje y un medio preferido para hacerlo. Entender cuál es el suyo lo ayudará a centrase en los aspectos de la física que tal vez le planteen dificultades y a emplear los componentes del curso que lo ayudarán a vencerlas. Es obvio que querrá dedicar más tiempo a aquellos aspectos que le impliquen más problema. Si usted aprende escuchando, las conferencias serán muy importantes; si aprende con explicaciones, será de ayuda trabajar con otros estudiantes; si le resulta difícil resolver problemas, dedique más tiempo a aprender cómo hacerlo. Es importante entender y desarrollar buenos hábitos de estudio. Quizá lo más importante que pueda hacer por usted mismo sea programar de manera regular el tiempo adecuado en un ambiente libre de distracciones.
Responda las siguientes preguntas para usted mismo:
• ¿Soy capaz de utilizar los conceptos matemáticos fundamentales del álgebra, geometría y trigonometría? (Si no es así, planee un programa de repaso con ayuda de su profesor).
• En cursos similares, ¿qué actividad me ha dado más problemas? (Dedique más tiempo a eso). ¿Qué ha sido lo más fácil para mí? (Haga esto primero; lo ayudará a ganar confianza).
• ¿Entiendo el material mejor si leo el libro antes o después de la clase? (Quizás aprenda mejor si revisa rápido el material, asiste a clase y luego lee con más profundidad).
• ¿Dedico el tiempo adecuado a estudiar física? (Una regla práctica para una clase de este tipo es dedicar, en promedio, 2.5 horas de estudio fuera del aula por cada hora de clase. Esto significa que para un curso con cinco horas de clase programadas a la semana, debe destinar de 10 a 15 horas semanales al estudio de la física).
• ¿Estudio física diariamente? (¡Distribuya esas 10 a 15 horas a lo largo de toda la semana!) ¿A qué hora estoy en mi mejor momento para estudiar física? (Elija un horario específico del día y respételo).
• ¿Trabajo en un lugar tranquilo en el que puedo mantener mi concentración? (Las distracciones romperán su rutina y harán que pase por alto puntos importantes).
TRABAJAR CON OTROS
Es raro que los científicos e ingenieros trabajen aislados; casi siempre trabajan de forma cooperativa. Aprenderá más y el proceso será más ameno si trabaja con otros estudiantes. Algunos profesores tal vez formalicen el uso del aprendizaje cooperativo o faciliten la formación de grupos de estudio. Es posible que desee formar su propio grupo no formal de estudio con miembros de su clase. Use su correo electrónico para estar en contacto con los demás; su grupo de estudio será un recurso excelente cuando se prepare para los exámenes.
LAS CLASES Y LOS APUNTES
Un factor importante de cualquier curso universitario son las clases; y en física esto es especialmente cierto, ya que será frecuente que su profesor haga demostraciones de principios físicos, simulaciones por computadora o proyecte videos. Todas estas actividades de aprendizaje le ayudarán a comprender los principios básicos de la física. No falte a ninguna clase, y si lo hace por alguna razón especial, pida a un amigo o miembro de su grupo de estudio que le dé los apuntes y le diga lo que pasó.
En clase, tome notas rápidas y vea los detalles después. Es muy difícil tomar notas palabra por palabra, de modo que sólo escriba las ideas clave. Si su profesor utiliza un diagrama del libro de texto, deje espacio en el cuaderno y agréguelo más tarde. Después de clase, complete sus apuntes con la cobertura de cualquier faltante u omisión y anote los conceptos que necesite estudiar posteriormente. Haga referencias a las páginas del libro de texto, número de ecuación o de sección.
Haga las preguntas necesarias en clase, o vea a su profesor durante sus horas de oficina. Recuerde que la única pregunta “fuera de lugar” es la que no se hace. En su escuela quizá haya asistentes de profesor o tutores para ayudarlo con las dificultades que encuentre.
EXÁMENES
Presentar un examen es estresante. Pero si se preparó de manera adecuada y descansó bien, la tensión será menor. La preparación para un examen es un proceso continuo; comienza en el momento en que termina el último examen. Debe analizar su examen inmediatamente y comprender los errores que haya cometido. Si resolvió un problema y cometió errores importantes, pruebe lo siguiente: tome una hoja de papel y divídala en dos partes con una línea de arriba hacia abajo. En una columna escriba la solución correcta del problema, y en la otra escriba lo que hizo y por qué, si es que lo sabe, y la razón por la que su propuesta de solución fue incorrecta. Si no está seguro de por qué cometió el error o de la forma de evitarlo, hable con su profesor. La física se construye de manera continua sobre ideas fundamentales y es importante corregir de inmediato cualquier mal entendido. Cuidado: si se prepara en el último minuto para un examen, no retendrá en forma adecuada los conceptos para el siguiente.
AL PROFESOR
PREFACIO
Este libro es el producto de más de seis décadas y media de liderazgo e innovación en la enseñanza de la física. Cuando en 1949 se publicó la primera edición de Física Universitaria, de Francis W. Sears y Mark W. Zemansky, su énfasis en los principios fundamentales de la física y la forma de aplicarlos fue un aspecto revolucionario entre los libros de la disciplina cuya base era el cálculo. El éxito de Física Universitaria en varios millones de estudiantes y profesores de todo el mundo da testimonio del mérito de este enfoque, y de las muchas innovaciones posteriores. Al preparar esta nueva edición, hemos mejorado y desarrollado aún más el texto de este libro para asimilar las mejores ideas de la investigación educativa, con más instrucciones para la solución de problemas, liderando la pedagogía visual y conceptual, y agregando nuevas categorías de problemas de fin de capítulo.
LO NUEVO EN ESTA EDICIÓN
• Todas las ecuaciones principales ahora incluyen anotaciones que describen la ecuación y explican los significados de los símbolos en la misma. Estas anotaciones ayudan a promover un procesamiento profundo de la información y a facilitar su retención.
• El texto de “Los datos hablan” contenido en la columna lateral de cada capítulo se basa en datos de miles de estudiantes y los alerta sobre los errores estadísticos más comunes que cometen cuando resuelven problemas.
• La actualización del contenido de física moderna incluye apartados sobre mediciones cuánticas (capítulo 40) y entrelazamiento cuántico (capítulo 41), así como los últimos datos sobre el bosón de Higgs y la radiación cósmica de fondo (capítulo 44).
• A lo largo del texto se incluyen aplicaciones adicionales de ciencias de la vida, la mayoría en forma de fotografías al margen con subtítulos explicativos, para ayudar a los estudiantes a ver cómo la física está conectada con muchos avances y descubrimientos en las ciencias de la vida.
• El texto se ha simplificado con un lenguaje más conciso y enfocado.
• Los cambios en el contenido final de cada capítuloincluyen los siguientes:
• El 25-30% de los problemas son nuevos o se revisaron.
• La mayoría de los capítulos incluyen de seis a diez problemas relacionados con ciencias de la vida.
• Se incrementaron los problemas ricos en contexto para facilitar los mayores logros de aprendizaje que pueden ofrecer.
• En cada capítulo se incluyen tres nuevos problemas de datos. Estos problemas de razonamiento basados en datos, por lo general ricos en contexto, requieren que los estudiantes usen evidencia experimental presentada en un formato tabular o gráfico, para formular conclusiones.
• Cada capítulo incluye ahora de tres a cinco problemas nuevos de transición, los cuales siguen el formato que se utiliza en el examen médico de Estados Unidos a nivel licenciatura. Estos problemas requieren que los estudiantes investiguen varios aspectos de una situación física de la vida real, por lo general de biología natural, que se describe con un pasaje de lectura.
• Al principio de cada capítulo, en Repase lo estudiado en la sección… se indican los conceptos esenciales ya estudiados para que los estudiantes sepan lo que se necesita antes de sumergirse en el capítulo actual
CARACTERÍSTICAS CLAVE DE FÍSICA UNIVERSITARIA
• Más de 620 códigos QR a través del libro permiten a los estudiantes utilizar un teléfono móvil para ver un video (en inglés) de un profesor de física dando una relevante demostración sobre el tema (Demostraciones en video) o mostrar un ejemplo resuelto de física, narrado y animado (Soluciones en video).
• Incluidos al final del capítulo, los Problemas prácticos, muchos de ellos revisados, proporcionan una transición entre los ejemplos conceptuales y los problemas más desafiantes del final del capítulo. Cada problema práctico posee cierta dificultad y varios conceptos que a menudo incorporan ideas de capítulos anteriores. En lugar de una solución individual se proporciona un formato como Guía de solución que consiste en preguntas y sugerencias que mejoran la capacidad de los estudiantes para plantear y resolver problemas desafiantes con seguridad.
• Conjuntos de problemas profundos y extensos cubren un rango amplio de dificultad (con puntos azules para indicar el nivel de dificultad relativa) y ejercitan tanto la comprensión de la física como la habilidad para resolver problemas. Muchos de esos problemas se basan en situaciones complejas de la vida real.
• Este texto ofrece una cantidad más grande de Ejemplos y Ejemplos conceptuales que cualquier otro texto sobre el tema basado en el cálculo, permitiendo explorar la solución de problemas desafiantes que no se tratan en otros textos.
• Un enfoque de solución de problemas (identificar, plantear, ejecutar, evaluar), basado en investigación, no sólo en cada problema, sino también en las estrategias de solución de problemas y en los manuales de soluciones y guías de estudio para el estudiante y el profesor. Este enfoque sistemático le enseña a los estudiantes a resolver problemas de manera pensante en lugar de aplicar directamente las matemáticas.
• Las estrategias de solución de problemas preparan a los estudiantes a enfocarse en tipos específicos de problemas.
• Las figuras usan un estilo gráfico simplificado enfocado en la física de una situación e incorporan más notas explicativas que en la edición anterior. Ambas técnicas han demostrado tener un efecto muy positivo en el aprendizaje.
• Muchas de las figuras que muestran las soluciones de los ejemplos a menudo tienen la forma de dibujos a lápiz, en blanco y negro, que representa directamente lo que un estudiante dibujaría en la solución de un problema.
• Los populares párrafos de cuidado se enfocan en los errores típicos y áreas problemáticas de los estudiantes
• Las preguntas de evalúe su comprensión al final de una sección le permite a los estudiantes verificar su conocimiento sobre el tema y usar un formato de clasificación de opciones múltiples para identificar errores comunes.
• Los resúmenes visuales al final de cada capítulo presentan las ideas principales en palabras, ecuaciones y diagramas breves, que ayudan a los estudiantes a repasar más efectivamente.
MATERIAL COMPLEMENTARIO PARA EL PROFESOR (en inglés)
Nota: Todos los suplementos siguientes, para profesores adscritos a una institución de educación superior, se pueden obtener siguiendo las instrucciones presentadas en el sitio web del libro: www.pearsonenespañol.com/sears
El manual de soluciones para el profesor, que preparó A. Lewis Ford (Texas A&M University) y Wayne Anderson, contiene soluciones completas y detalladas de todos los problemas de final de capítulo. Todas siguen de manera consistente el método de identificar, plantear, ejecutar y evaluar usado en el libro.
Demostraciones en video, vinculado a los códigos QR en el libro de texto, cuenta con videos de “pausa y pronóstico” de conceptos claves de física que pide a los alumnos realizar una predicción antes de ver el resultado.
Soluciones en video están vinculados a los códigos QR en el libro de texto. En estos videos un profesor explica y resuelve cada ejemplo y cada problema práctico.
DEM O
MATERIAL COMPLEMENTARIO PARA EL ESTUDIANTE (disponible en inglés en Estados Unidos)
La Guía de estudio, elaborada por Laird Kramer, refuerza el énfasis del libro en las estrategias de solución de problemas y los errores del estudiante. La Guía de estudio para el volumen 1 (978-0-13-398361-6) cubre los capítulos 1 a 20, y la Guía de estudio para el volumen 2 (978-0-13-398360-9) comprende los capítulos 21 a 44.
El Manual de soluciones para el estudiante, elaborado por Lewis Ford (Texas A&M University) y Wayne Anderson contiene soluciones detalladas, paso a paso, para más de la mitad de los problemas impares de final de capítulo. Todas las soluciones siguen en forma consistente el enfoque identificar, plantear, ejecutar y evaluar, usado en el libro El Manual de soluciones para el volumen 1 (978-0-13-398171-1) cubre los capítulos 1 a 20, y el Manual de soluciones para el volumen 2 (978-0-13-396928-3) se ocupa de los capítulos 21 a 44.
Tutoriales de introducción a la física (978-0-13-097069-5) por Lillian C. McDermott y Peter S. Schaffer presenta una serie de tutoriales de física diseñados por uno de los principales grupos de investigación en enseñanza de la Física. Haciendo hincapié en el desarrollo de conceptos y habilidades de razonamiento científico, los tutoriales se centran en las dificultades conceptuales y de razonamiento específicas que los estudiantes tienden a encontrar. Existen también ediciones en español de estos tutoriales.
AGRADECIMIENTOS
Me gustaría agradecer a los cientos de revisores y colaboradores que han ofrecido valiosos comentarios y sugerencias sobre la vida de este libro de texto. El éxito continuado de la física de Física Universitaria se debe en gran medida a sus contribuciones.
Miah Adel (U. de Arkansas en Pine Bluff), Edward Adelson (Ohio State U.), Julie Alexander (Camosun C.), Ralph Alexander (U. de Missouri en Rolla), J. G. Anderson, R. S. Anderson, Wayne Anderson (Sacramento City C.), Sanjeev Arora (Fort Valley State U.), Alex Azima (Lansing Comm. C.), Dilip Balamore (Nassau Comm. C.), Harold Bale (U. de North Dakota), Arun Bansil (Northeastern U.), John Barach (Vanderbilt U.), J. D. Barnett, H. H. Barschall, Albert Bartlett (U. de Colorado), Marshall Bartlett (Hollins U.), Paul Baum (CUNY, Queens C.), Frederick Becchetti (U. de Michigan), B. Bederson, David Bennum (U. de Nevada, Reno), Lev I. Berger (San Diego State U.), Angela Biselli (Fairfield U.), Robert Boeke (William Rainey Harper C.), Bram Boroson (Clayton State U.), S. Borowitz, A. C. Braden, James Brooks (Boston U.), Nicholas E. Brown (California Polytechnic State U., San Luis Obispo), Tony Buffa (California Polytechnic State U., San Luis Obispo), Shane Burns (Colorado C.), A. Capecelatro, Michael Cardamone (Pennsylvania State U.), Duane Carmony (Purdue U.), Troy Carter (UCLA), P. Catranides, John Cerne (SUNY en Buffalo), Shinil Cho (La Roche C.), Tim Chupp (U. de Michigan), Roger Clapp (U. de South Florida), William M. Cloud (Eastern Illinois U.), Leonard Cohen (Drexel U.), W. R. Coker (U. de Texas, Austin), Malcolm D. Cole (U. de Missouri en Rolla), H. Conrad, David Cook (Lawrence U.), Gayl Cook (U. de Colorado), Hans Courant (U. de Minnesota), Carl Covatto (Arizona State U.), Bruce A. Craver (U. de Dayton), Larry Curtis (U. de Toledo), Jai Dahiya (Southeast Missouri State U.), Dedra Demaree (Georgetown U.), Steve Detweiler (U. de Florida), George Dixon (Oklahoma State U.), Steve Drasco (Grinnell C.), Donald S. Duncan, Boyd Edwards (West Virginia U.), Robert Eisenstein (Carnegie Mellon U.), Amy Emerson Missourn (Virginia Institute of Technology), Olena Erhardt (Richland C.), William Faissler (Northeastern U.), Gregory Falabella (Wagner C.), William Fasnacht (U.S. Naval Academy), Paul Feldker (St. Louis Comm. C.), Carlos Figueroa (Cabrillo C.), L. H. Fisher, Neil Fletcher (Florida State U.), Allen Flora (Hood C.), Robert Folk, Peter Fong (Emory U.), A. Lewis Ford (Texas A&M U.), D. Frantszog, James R. Gaines (Ohio State U.), Solomon Gartenhaus (Purdue U.), Ron Gautreau (New Jersey Institute of Technology), J. David Gavenda (U. de Texas, Austin), Dennis Gay (U. de North Florida), Elizabeth George (Wittenberg U.), James Gerhart (U. de Washington), N. S. Gingrich, J. L. Glathart, S. Goodwin, Rich Gottfried (Frederick Comm. C.), Walter S. Gray (U. de Michigan), Paul Gresser (U. de Maryland), Benjamin Grinstein (UC, San Diego), Howard Grotch (Pennsylvania State U.), John Gruber (San Jose State U.), Graham D. Gutsche (U.S. Naval Academy), Michael J. Harrison (Michigan State U.), Harold Hart (Western Illinois U.), Howard Hayden (U. de Connecticut), Carl Helrich (Goshen C.), Andrew Hirsch (Purdue U.), Linda Hirst (UC, Merced), Laurent Hodges (Iowa State U.), C. D. Hodgman, Elizabeth Holden (U. de Wisconsin, Platteville), Michael Hones (Villanova U.), Keith Honey (West Virginia Institute of Technology), Gregory Hood (Tidewater Comm. C.), John Hubisz (North Carolina State U.), Eric Hudson (Pennsylvania State U.), M. Iona, Bob Jacobsen (UC, Berkeley), John Jaszczak (Michigan Technical U.), Alvin Jenkins (North Carolina State U.), Charles Johnson (South Georgia State C.), Robert P. Johnson (UC, Santa Cruz), Lorella Jones (U. de Illinois), Manoj Kaplinghat (UC, Irvine), John Karchek (GMI Engineering & Management Institute), Thomas Keil (Worcester Polytechnic Institute), Robert Kraemer (Carnegie Mellon U.), Jean P. Krisch (U. de Michigan), Robert A. Kromhout, Andrew Kunz (Marquette U.), Charles Lane (Berry C.), Stewart Langton (U. de Victoria), Thomas N. Lawrence (Texas State U.), Robert J. Lee, Alfred Leitner (Rensselaer Polytechnic U.), Frederic Liebrand (Walla Walla U.), Gerald P. Lietz (DePaul U.), Gordon Lind (Utah State U.), S. Livingston (U. of Wisconsin, Milwaukee), Jorge Lopez (U. de Texas, El Paso), Elihu Lubkin (U. de Wisconsin, Milwaukee), Robert Luke (Boise State U.), David Lynch (Iowa State U.), Michael Lysak (San Bernardino Valley C.), Jeffrey Mallow (Loyola U.), Robert Mania (Kentucky State U.), Robert Marchina (U. de Memphis), David Markowitz (U. de Connecticut), Philip Matheson (Utah Valley U.), R. J. Maurer, Oren Maxwell (Florida International U.), Joseph L. McCauley (U. de Houston), T. K. McCubbin, Jr. (Pennsylvania State U.), Charles McFarland (U. de Missouri en Rolla), James Mcguire (Tulane U.), Lawrence McIntyre (U. de Arizona), Fredric Messing (Carnegie Mellon U.), Thomas Meyer (Texas A&M U.), Andre Mirabelli (St. Peter’s C., New Jersey), Herbert Muether (SUNY, Stony Brook), Jack Munsee (California State U., Long Beach), Lorenzo Narducci (Drexel U.),
Van E. Neie (Purdue U.), Forrest Newman (Sacramento City C.), David A. Nordling (U.S. Naval Academy), Benedict Oh (Pennsylvania State U.), L. O. Olsen, Michael Ottinger (Missouri Western State U.), Russell Palma (Minnesota State U., Mankato), Jim Pannell (DeVry Institute of Technology), Neeti Parashar (Purdue U., Calumet), W. F. Parks (U. de Missouri), Robert Paulson (California State U., Chico), Jerry Peacher (U. de Missouri en Rolla), Arnold Perlmutter (U. de Miami), Lennart Peterson (U. de Florida), R. J. Peterson (U. de Colorado, Boulder), R. Pinkston, Ronald Poling (U. de Minnesota), Yuri Popov (U. de Michigan), J. G. Potter, C. W. Price (Millersville U.), Francis Prosser (U. de Kansas), Shelden H. Radin, Roberto Ramos (Drexel U.), Michael Rapport (Anne Arundel Comm. C.), R. Resnick, James A. Richards, Jr., John S. Risley (North Carolina State U.), Francesc Roig (UC, Santa Barbara), T. L. Rokoske, Richard Roth (Eastern Michigan U.), Carl Rotter (U. de West Virginia), S. Clark Rowland (Andrews U.), Rajarshi Roy (Georgia Institute de Technology), Russell A. Roy (Santa Fe Comm. C.), Desi Saludes (Hillsborough Comm. C.), Thomas Sandin (North Carolina A&T State U.), Dhiraj Sardar (U. de Texas, San Antonio), Tumer Sayman (Eastern Michigan U.), Bruce Schumm (UC, Santa Cruz), Melvin Schwartz (St. John’s U.), F. A. Scott, L. W. Seagondollar, Paul Shand (U. de Northern Iowa), Stan Shepherd (Pennsylvania State U.), Douglas Sherman (San Jose State U.), Bruce Sherwood (Carnegie Mellon U.), Hugh Siefkin (Greenville C.), Christopher Sirola (U. de Southern Mississippi), Tomasz Skwarnicki (Syracuse U.), C. P. Slichter, Jason Slinker (U. de Texas, Dallas), Charles W. Smith (U. de Maine, Orono), Malcolm Smith (U. de Lowell), Ross Spencer (Brigham Young U.), Julien Sprott (U. de Wisconsin), Victor Stanionis (Iona C.), James Stith (American Institute of Physics), Chuck Stone (North Carolina A&T State U.), Edward Strother (Florida Institute of Technology), Conley Stutz (Bradley U.), Albert Stwertka (U.S. Merchant Marine Academy), Kenneth Szpara-DeNisco (Harrisburg Area Comm. C.), Devki Talwar (Indiana U. de Pennsylvania), Fiorella Terenzi (Florida International U.), Martin Tiersten (CUNY, City C.), David Toot (Alfred U.), Greg Trayling (Rochester Institute of Technology), Somdev Tyagi (Drexel U.), Matthew Vannette (Saginaw Valley State U.), Eswara Venugopal (U. de Detroit, Mercy), F. Verbrugge, Helmut Vogel (Carnegie Mellon U.), Aaron Warren (Purdue U., North Central), Robert Webb (Texas A&M U.), Thomas Weber (Iowa State U.), M. Russell Wehr (Pennsylvania State U.), Robert Weidman (Michigan Technical U.), Dan Whalen (UC, San Diego), Lester V. Whitney, Thomas Wiggins (Pennsylvania State U.), Robyn Wilde (Oregon Institute of Technology), David Willey (U. of Pittsburgh, Johnstown), George Williams (U. de Utah), John Williams (Auburn U.), Stanley Williams (Iowa State U.), Jack Willis, Suzanne Willis (Northern Illinois U.), Robert Wilson (San Bernardino Valley C.), L. Wolfenstein, James Wood (Palm Beach Junior C.), Lowell Wood (U. de Houston), R. E. Worley, D. H. Ziebell (Manatee Comm. C.), George O. Zimmerman (Boston U).
Además, me gustaría agradecer a mis colegas anteriores y actuales en la UCSB, como Rob Geller, Carl Gwinn, Al Nash, Elisabeth Nicol y Francesc Roig, por su apoyo incondicional y por muchos debates útiles. Tengo una especial deuda de gratitud con mis primeros maestros Willa Ramsay, Peter Zimmerman, William Little, Alan Schwettman y Dirk Walecka por mostrarme lo clara y comprometida que es la enseñanza de la física, y a Stuart Johnson por invitarme a ser coautor de Física Universitaria, novena edición. Agradecimientos especiales para Lewis Ford por la creación de una gran cantidad de nuevos problemas para esta edición, incluyendo la nueva categoría de problemas de DATOS; a Wayne Anderson, que cuidadosamente revisó y resolvió todos los problemas, junto con Forrest Newman y Michael Ottinger; y a Elizabeth George, quien proporcionó la mayoría de la nueva categoría de problemas de transición. Reconozco la labor de Tom Sandin por sus numerosas contribuciones a los problemas de final de capítulo, incluyendo la comprobación de todos ellos y escribir nuevos. Me quito el sombrero y una caravana ante Linda Hirst por contribuir con una serie de ideas que se convirtieron en nuevas características de Aplicaciones en esta edición. Quiero expresar especial agradecimiento al personal editorial de Pearson: a Nancy Whilton por su visión editorial; a Karen Karlin por su ojo atento y cuidadoso desarrollo de esta edición; a Charles Hibbard por su lectura cuidadosa de las pruebas de página; y a Beth Collins, Katie Conley, Sarah Kaubisch, Eric Schrader y Cindy Johnson por mantener fluidos los canales editoriales y de producción. Ante todo, quiero expresar mi gratitud y amor a mi esposa, Caroline, a quien dedico mi contribución a este libro. Hey, Caroline, la nueva edición por fin está hecha, ¡vamos a volar!
¡POR FAVOR, DÍGAME LO QUE PIENSA!
Acojo con satisfacción las comunicaciones de los estudiantes y profesores, especialmente respecto a errores o deficiencias que encuentre en esta edición. El fallecido Hugh Young y yo hemos dedicado mucho tiempo y esfuerzo para elaborar el mejor libro que sabíamos que podíamos escribir, y espero que le ayude a usted a enseñar y aprender física. A su vez, usted me puede ayudar dejándome saber ¡lo que todavía necesita mejorarse! Siéntase en libertad de contactarme ya sea electrónicamente o por correo normal. Sus comentarios serán apreciados grandemente
Agosto de 2014
Roger A. Freedman
Departamento de Física
Universidad de California, Santa Bárbara
Santa Bárbara, CA 93106-9530 airboy@physics.ucsb.edu http://www.physics.ucsb.edu/~airboy/ Twitter: @RogerFreedman
MECÁNICA
1 UNIDADES, CANTIDADES FÍSICAS
Y
1.5 Incertidumbre y cifras significativas 8
1.6 Estimaciones y órdenes de magnitud 10 1.7 Vectores y suma de vectores 10 1.8 Componentes de vectores 14 1.9 Vectores unitarios
5 APLI C AC I Ó N DE LA S LEYE S
2
2.1 Desplazamiento, tiempo y velocidad media
2.3 Aceleración media y aceleración instantánea
2.4 Movimiento con aceleración constante
2.5 Cuerpos en caída libre
2.6 Velocidad y posición
3
3.1 Vectores de posición y velocidad
4 LEYE S DE NEWTO N
5.1 Empleo de la primera ley de Newton: Partículas en equilibrio 130
5.2 Uso de la segunda ley de Newton: Dinámica de partículas 135
5 3 Fuerzas de fricción 142
5.4 Dinámica del movimiento circular 150
5.5 Fuerzas fundamentales de la naturaleza 155 Resumen 157 Preguntas / Ejercicios / Problemas 159
6 TRABA JO Y ENER G ÍA C INÉTI C A 172
6.1 Trabajo 173
6.2 Energía cinética y el teorema trabajo-energía 177
44.7 El principio del tiempo 1509 Resumen 1517 Preguntas / Ejercicios / Problemas 1519
APÉNDICES
A El sistema internacional de unidades A-1
B Relaciones matemáticas útiles A-3
C El alfabeto griego A-4
D Tabla periódica de los elementos A-5
E Factores de conversión de unidades A-6
F Constantes numéricas A-7
G Datos astronómicos y prefijos de las potencias de 10 A-8
Respuestas a los problemas de número impar A-9 Créditos C-1 Índice I-1
1
UNIDADES, CANTIDADES FÍSICAS Y VECTORES
OBJETIVOS DE APRENDIZAJE
Al estu d iar este ca p ítu l o, uste d a p ren d erá:
1.1 Qué es una teoría física.
1.2 Los cuatro pasos que puede usar para resolver cualquier problema en física.
1.3 Tres cantidades fundamentales de la física y cuáles son las unidades que los físicos utilizan para medirlas.
1.4 Cómo trabajar con unidades en sus cálculos.
1.5 Uso de cifras significativas en sus cálculos.
1.6 Cómo hacer aproximaciones con estimaciones del orden de magnitud
1.7 La diferencia entre escalares y vectores, y cómo sumar y restar vectores gráficamente.
1.8 Qué son las componentes de un vector y cómo se utilizan para realizar cálculos.
1.9 Qué son los vectores unitarios y cómo se utilizan con las componentes para describir vectores.
1.10 Dos formas de multiplicar vectores: el producto escalar o producto punto y el producto vectorial o producto cruz.
L? Los tornados son generados por tormentas severas, por lo que resulta esencial predecir la trayectoria de las tormentas. Si una de éstas se mueve a 15 km/h en dirección 37° al norte del este, ¿cuánto se moverá la tormenta hacia el norte en 2.0 h? i. 30 km; ii. 24 km; iii. 18 km; iv. 12 km; v. 9 km.
a física es una de las ciencias más fundamentales Los científicos de todas las disciplinas utilizan las ideas de la física, como los químicos que estudian la estructura de las moléculas, los paleontólogos que intentan reconstruir la forma de caminar de los dinosaurios y los climatólogos que examinan cómo las actividades humanas afectan la atmósfera y los océanos. Asimismo, la física es la base de toda la ingeniería y la tecnología. Ningún ingeniero podría diseñar un televisor de pantalla plana, una prótesis de pierna o ni siquiera una mejor trampa para ratones, sin antes haber comprendido las leyes básicas de la física.
El estudio de la física también es una aventura. Usted lo encontrará desafiante, a veces frustrante y en ocasiones dolorosa; sin embargo, con frecuencia le brindará abundantes beneficios y satisfacciones. Si alguna vez se ha preguntado por qué el cielo es azul, cómo viajan las ondas de radio por el espacio vacío, o cómo un satélite permanece en órbita, encontrará las respuestas en la física básica. Sobre todo, apreciará la física como un logro sobresaliente del intelecto humano en su afán por entender nuestro mundo y a la humanidad misma.
En este capítulo inicial repasaremos algunos conceptos importantes que necesitaremos en nuestro estudio. Comentaremos la naturaleza de la física teórica y el uso de modelos idealizados para representar sistemas físicos. Presentaremos los sistemas de unidades que se emplean para especificar cantidades físicas y discutiremos la forma de describir la exactitud de un número. Estudiaremos ejemplos de problemas que no tienen (o para los cuales no es necesario obtener) una respuesta exacta, pero cuyas estimaciones resultan útiles e interesantes. Por último, examinaremos varios aspectos de los vectores y del álgebra vectorial que necesitaremos para describir y analizar cantidades físicas, como velocidad y fuerza, que tienen dirección además de magnitud
1.1 Dos laboratorios de investigación
(a) Según la leyenda, Galileo estudió el movimiento de cuerpos en caída libre soltándolos desde la Torre Inclinada de Pisa, Italia …
… y estudió el movimiento de los péndulos observando la oscilación del candelabro de la catedral ubicada a un lado de la torre.
(b) La nave espacial Planck fue diseñada para el estudio de la radiación electromagnética débil que queda del Bing Bang de hace 13,800 millones de años.
Estos técnicos se reflejan en el espejo de luz de la nave espacial durante la prueba de prelanzamiento.
1.1 LA NATURALEZA DE LA FÍSICA
La física es una ciencia experimental. Los físicos observan los fenómenos naturales e intentan encontrar los patrones que los describen. Tales patrones se denominan teorías físicas o, si están muy bien establecidos y se usan ampliamente, leyes o principios físicos
CUIDADO Significado de la palabra “teoría” Decir que una idea es una teoría no implica que se trate de una divagación o de un concepto sin comprobar. Más bien, una teoría es una explicación de fenómenos naturales basada en observaciones y en los principios fundamentales aceptados. Un ejemplo es la bien establecida teoría de la evolución biológica, que es el resultado de extensas investigaciones y observaciones de varias generaciones de biólogos. ❙
Para desarrollar una teoría en su campo de estudio, el físico debe aprender a hacer las preguntas adecuadas, a diseñar experimentos para intentar contestarlas y a deducir conclusiones apropiadas de los resultados. La figura 1.1 muestra dos instalaciones experimentales famosas que se utilizaron para realizar experimentos físicos.
Cuenta la leyenda que Galileo Galilei (1564-1642) dejó caer objetos ligeros y pesados desde la parte superior de la Torre Inclinada de Pisa (figura 1.1a), para averiguar si sus velocidades de caída eran iguales o diferentes. Al examinar los resultados de sus experimentos (que en realidad fueron mucho más complejos de lo que cuenta la leyenda), dio el salto inductivo al principio, o la teoría, de que la aceleración de un cuerpo que cae es independiente de su peso.
El desarrollo de teorías físicas como la de Galileo a menudo es un proceso indirecto con callejones sin salida, suposiciones erróneas y el abandono de teorías infructuosas en favor de otras más promisorias. La física no es una mera colección de hechos y principios; también es el proceso que nos lleva a los principios generales que describen el comportamiento del universo físico.
Ninguna teoría se considera como la verdad final o definitiva. Siempre existe la posibilidad de que nuevas observaciones obliguen a modificarla o descartarla. Inherente en las teorías físicas, se encuentra el hecho de que podemos demostrar su falsedad encontrando comportamientos que no sean congruentes con ellas, pero nunca podremos comprobar que una teoría siempre es correcta.
Volviendo con Galileo, suponga que dejamos caer una pluma y una bala de cañón. Sin duda, no caen a la misma velocidad, lo cual no significa que Galileo estuviera equivocado, sino que su teoría estaba incompleta. Si soltamos tales objetos en un vacío para eliminar los efectos del aire, sí caerán a la misma velocidad. La teoría de Galileo tiene un intervalo de validez: sólo es válida para objetos cuyo peso es mucho mayor que la fuerza ejercida por el aire (debido a la resistencia y a la flotabilidad del objeto). Los objetos como las plumas y los paracaídas evidentemente se salen del intervalo.
1.2 CÓMO RESOLVER PROBLEMAS EN FÍSICA
En algún punto de sus estudios, casi todos los estudiantes de física sienten que, aunque entienden los conceptos, simplemente no pueden resolver los problemas. Sin embargo, en física, entender verdaderamente un concepto significa saber aplicarlo a diversos problemas. Aprender a resolver problemas es absolutamente indispensable; es imposible saber física sin poder hacer física. r
¿Cómo aprendemos a resolver problemas de física? En todos los capítulos de este libro, usted encontrará Estrategias para resolver problemas que sugieren técnicas para plantear y resolver problemas con eficiencia y exactitud. Después de cada Estrategia para resolver problemas hay uno o más Ejemplos resueltos que muestran esas técnicas en acción. (Las Estrategias para resolver problemas también ayudan a evitar algunas técnicas incorrectas que quizás usted se sienta tentado a usar). Además, encontrará ejemplos adicionales que no están asociados con una Estrategia específica para resolver problemas. Asimismo, al final de cada capítulo se encuentra un Problema práctico
