física principios con aplicaciones

337 Pages·2008·19.67 MB·English

Port giancoli fondo k vol 1 ok 16/2/06 11:27 AM Page 1
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G I A N C O L I
F S e x t a e d i c i ó n
Esta obra tiene como objetivo explicar la física de una forma sencilla e interesante que
sea accesible y clara, pretende brindar a los estudiantes una comprensión profunda de
Í Vo l u m e n 1
los conceptos básicos de la física en todos sus aspectos.
Esta nueva edición en dos volúmenes ha sido diseñada especialmente para cubrir cur-
S
sos semestrales de introducción a la física basados en álgebra y trigonometría, pero no
en cálculo.
I
Muestra a los estudiantes cuán útil es la física en sus propias vidas y en sus profesiones
futuras por medio de aplicaciones interesantes. Además, se ha puesto especial énfasis
en explicar técnicas y enfoques para resolver problemas. C
Cambios en la sexta edición:
A
1. Ejercicios dentro del texto para que los estudiantes verifiquen su comprensión
2. Ahora todos los ejemplos numéricos trabajados tienen un breve párrafo de
introducción antes de la solución
V
3. Nuevos ejemplos paso a paso o
4. Nuevos ejemplos conceptuales l
u
5. Nuevas aplicaciones como las detalladas descripciones basadas en la física m
de las pantallas de cristal líquido (LCD), las cámaras digitales (con CCD) y la e
extensa cobertura de los dispositivos eléctricos y su manejo seguro. n

1
La obra tiene como apoyo al sitio Web:
www.pearsoneducacion.net/giancoli
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Forros ok 16/2/06 9:53 AM Page 1
Constantes fundamentales Fórmulas geométricas útiles. Áreas, volúmenes Exponentes [Véase apéndice A-2 para detalles]
Cantidad Símbolo Valor aproximado Mejor valor actual† AanBAamB = an+m [Ejemplo:Aa3BAa2B = a5]
Rapidez de la luz en el vacío c 3.00 * 108 m(cid:1)s 2.99792458 * 108 m(cid:1)s Circunferencia de círculo C = pd = 2pr d C AanBAbnB = (ab)n [Ejemplo:Aa3BAb3B = (ab)3]
Constante gravitacional G 6.67 * 10–11 N(cid:1)m2(cid:1)kg2 6.6742(10) * 10–11 N(cid:1)m2(cid:1)kg2 Área de círculo A = pr2 = pd2 r AanBm = anm cEjemplo: Aa3B2 = a6d
Número de Avogadro NA 6.02 * 1023 mol–1 6.0221415(10) * 1023 mol–1 4 Ejemplo: Aa14B4 = a
Constante de gas R 8.314 J(cid:1)mol(cid:1)K = 1.99 cal(cid:1)mol(cid:1)K 8.314472(15) J(cid:1)mol(cid:1)K l 1 1
= 0.0821 L(cid:1)atm(cid:1)mol(cid:1)K Área de rectángulo A = lw w a–1 = a a–n = an a0 = 1
CCoarngsata dnetle edleec Btroólntzmann ke 11..3680 ** 1100––1293 CJ(cid:1)K 11..630820167560553(2(144))**1100–2–31 9J (cid:1)CK a12 = 1a n a14 = 21a
Constante Stefan-Boltzmann s 5.67 * 10–8 W(cid:1)m2(cid:1)K4 5.670400(40) * 10–8 W(cid:1)m2(cid:1)K4 Área de paralelogramo A = bh h h AanBAa–mB = am = an-m [Ej.:Aa5BAa–2B = a3]
a
Permitividad del espacio libre (cid:2)0 = A1(cid:1)c2m0B 8.85 * 10–12 C2(cid:1)N(cid:1)m2 8.854187817p * 10–12 C2(cid:1)N(cid:1)m2 b an a n
Permeabilidad del espacio libre m0 4p * 10–7 T(cid:1)m(cid:1)A 1.2566370614p * 10–6 T(cid:1)m(cid:1)A bn = abb
Constante de Planck h 6.63 * 10–34 J(cid:1)s 6.6260693(11) * 10–34 J(cid:1)s Área de triángulo A = 1 hb h h
2
Masa en reposo del electrón me 9.11 * 10–31 kg = 0.000549 u 9.1093826(16) * 10–31 kg b b
= 0.511 MeV(cid:1)c2 = 5.4857990945(24) * 10–4 u
Masa en reposo del protón mp 1.67=2693*8.13 0M–2e7V k(cid:1)gc2= 1.00728 u 1.67=2612.0107712(2796)46*68180(–1237) k ug Triángulo(P rietáctgáonrgaus)lo c2 = a2 + b2 c a FLóa remcuuaclaió cnu caond rináctóicgan it[aap xéennd ilcae fAo-r4m]a
b
Masa en reposo del neutrón mn 1.6749 * 10–27 kg = 1.008665 u 1.67492728(29) * 10–27 kg ax2 + bx + c = 0,
Unidad de masa atómica 1.66=0593*9.16 0M–2e7V k(cid:1)gc2= 931.5 MeV(cid:1)c2 1.66==059133.08108.48696(246804)4931*(5861000)( –5M257)e k Vug(cid:1)c2 Esfera: váorelua msuepnerficial A V == 434 pprr23 r tienxe s=olu–cbio Pne 3s b2 - 4ac.
2a
†CODATA(12(cid:1)03),Peter J.Mohr y Barry N.Taylor,National Institute of Standards and Technology.Los números entre paréntesis indican incertidumbres Sólido rectangular:
experimentales de una desviación estándar en los dígitos finales.Los valores sin paréntesis son exactos (es decir,son cantidades definidas). volumen V = lwh h
w l
Logaritmos [apéndice A-8; tabla p. A-11]
Cilindro (recto):
Otros datos útiles El alfabeto griego l
área superficial A = 2prl + 2pr2 r Siy = 10x , entonce s x = log10 y = log y.
Equivalente en joule (1 cal) 4.186J Alfa (cid:11) a Nu (cid:19) n volumen V = pr2l Siy = ex, entonces x = loge y = ln y.
Cero absoluto(0K) –273.15°C Beta (cid:10) b Xi (cid:18) j
Aceleración de la gravedad en Gamma (cid:9) g Omicron (cid:17) o Cono circular recto: log (ab) = log a + log b
la superficie de la Tierra (prom.) 9.80 m(cid:1)s2 (= g) Delta ¢ d Pi ß p área superficial A = pr2 + pr 3r2 + h2 h log aab = log a - log b
Rapidez del sonido en el aire 343m(cid:1)s Epsilon (cid:8) e Rho (cid:16) r volumen V = 1 pr2h r b
Densidad del aire (seco) 1.29 kg(cid:1)m3 Zeta (cid:7) z Sigma © s 3 log an = n log a
Tierra: Masa 5.98 * 1024 kg Eta (cid:6) h Tau (cid:15) t
Radio (medio) 6.38 * 103 km Theta ™ u Upsilon (cid:14) y Expansión binomial [apéndice A-5] Fracciones
Luna: MRaadsaio (medio) 71..3754 ** 1100322 k kmg IKoatappa (cid:4)(cid:5) ki PChhii (cid:13)£ xf, w (1 + x)n = 1 + nx + n(n2(cid:1)-11) x2 + n(n -3(cid:1)12)((cid:1)n1 - 2) x3 + p [para x2 6 1] ba = dc es lo mismo que ad = bc
Sol: MRaadsaio (medio) 61..9969 ** 1100530 k kmg LMaumbda (cid:3)¶ ml POsmi ega (cid:12)° vc L 1 + nx si x V 1 aab
Distancia Tierra-Sol (media) 149.6 * 106 km [Ejemplo:(1 + 0.01)3 L 1.03] b = ad
Distancia Tierra-Luna (media) 384 * 103 km [Ejemplo: 1 = 1 = (1 - 0.01)– 12 L 1 - A– 1B(0.01) L 1.005] acb bc
10.99 11 - 0.01 2 d
Valores de algunos números
Fórmulas trigonométricas [apéndice A-7]
p = 3.1415927 12 = 1.4142136 ln 2 = 0.6931472 log10 e = 0.4342945
S eig=n2o.7s1 8y2 s8í1m8 bolos m 1a3t=em1.á73ti2c0o5s08 ln 10 = 2.3025851 1 rad P=ro5p7i.2e9d5a7d79e5s° del agua hip (hip oten usa) op (opuesto) c soesn u u==ahodipyp ssceeonns( ((991008°°0°---uu))u)===sceosnes nuu uf (cid:2)0 6 u 6 90c°o(cid:3)s (180° - u) = –cos u
θ hip
r es proporcional a (cid:21) es menor que o igual a Densidad(4°C) 1.000 kg(cid:1)m3 ady (adyacente) op sen 12 u = 3(1 - cos u)(cid:1)2 cos 12 u = 3(1 + cos u)(cid:1)2
= es igual a (cid:20) es mayor que o igual a Calor de fusión(0°C) 333 kJ(cid:1)kg tan u = ady sen u L u [para pequeñosu f 0.2 rad]
ZL enso a epsr oigxuimala adamente igual a xg svuamloar pdreomedio de x Calor de vaporización 226(800 k kJc(cid:1)aklg(cid:1)kg) ady2 + op2 = hip2 (Teorema de Pitágoras) cos u L 1 - u22 [para pequeñosu f 0.2 rad]
W7 eess mmauycohro qmuaeyor que ¢¢xx S 0 c¢axmtbieion deen ax cero Ca(l1o0r0 e°sCp)ecífico(15°C)41(8563 J9(cid:1) kkcga(cid:1)lC(cid:1)k°g) tan u = sceons uu sceons ( (AA PP BB)) == csoens AA ccooss BB7 P sceons AA sseenn BB
6 es menor que n! n(n - 1)(n - 2)p(1) (1.00 kcal(cid:1)kg(cid:1)C°) sen2 u + cos2 u = 1 Para cualquier triángulo: c β a
V es mucho menor que Índice de refracción 1.33 sen 2u = 2 sen u cos u c2 = a2 + b2 - 2ab cos g (ley de cosenos) α γ
cos 2u = (cos2 u - sen2 u) = (1 - 2 sen2 u) = (2 cos2 u - 1) sen a = sen b = sen g (ley de senos) b
a b c

FÍSICA
PRINCIPIOS APLICACIONES
CON

FÍSICA
PRINCIPIOS APLICACIONES
CON
SEXTA EDICIÓN
Volumen 1
DOUGLAS C. GIANCOLI
TRADUCCIÓN:
Víctor Campos Olguín
Traductor profesional
REVISIÓN TÉCNICA: José Vicente Contreras Julio
Agustín Vázquez Sánchez Profesor de Física y Matemáticas
Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores Sección Bachillerato
de Monterrey Gimnasio Británico
Campus Estado de México Bogotá,Colombia
Alberto Lima Sánchez Sebastián Torrez Gutiérrez
Profesor de Física Profesor de Física
Preparatoria-Universidad La Salle Colegio Jordán de Sajonia
Bogotá,Colombia
Tufik Zambrano
Profesor de Física Hernando Julio Garrido Insignares
Gimnasio La Fontana Profesor de Física
Bogotá,Colombia Instituto Técnico Central
Bogotá,Colombia
Datos de catalogación bibliográfica
GIANCOLI, C. DOUGLAS
FÍSICA. Principios con aplicaciones. Volumen 1
Sexta edición
PEARSON EDUCACIÓN, México, 2006
ISBN: 970-26-0776-0
Área: Universitarios
Formato: 21 × 27 cm Páginas: 336
Authorized translation from the English language edition,entitled Physics:principles with applications6th 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
Traducción autorizada de la edición en idioma inglés,titulada Physics:principles with applications 6a ed.,de Douglas C. Giancoli,publicada
por Pearson Education,Inc.,como PRENTICE HALL,INC.,Copyright ©2005. Todos los derechos reservados.
Esta edición en español es la única autorizada.
Edición en español
Editor:Enrique Quintanar Duarte
e-mail:[email protected]
Editor de desarrollo:Felipe Hernández Carrasco
Supervisor de producción:José D. Hernández Garduño
Edición en inglés:
Editor-in-Chief,Science: John Challice Director of Creative Services: Paul Belfaanti
Senior Acquisitions Editor: Erik Fahlgren Advertising and Promotions Manager: Elise Schneider
Senior Development Editor: Karen Karlin Creative Director: Carole Anson
Vice President of Production and Manufacturing: David Riccardi Art Director: Maureen Eide
Executive Managing Editor: Kathleen Schiaparelli Illustration: Artworks
Senior Production Editor: Susan Fisher Marketing Manager: Mark Pfaltzgraff
Production Editor: Chirag Thakkar Editor-in-Chief of Development: Carol Trueheart
Manufacturing Manager: Trudy Pisciotti Director,Image Research Center: Melinda Reo
Manufacturing Buyer: Alan Fischer Photo Research: Mary Teresa Giancoli and Jerry Marshall
Managing Editor,Audio and Visual Assets: Patricia Burns Manager,Rights and Permissions: Cynthia Vincenti
AV Project Managers: Adam Velthaus and Connie Long Copy Editor: Jocelyn Phillips
Assistant Managing Editor,Science Media: Nicole Bush Indexer: Steele/Katigbak
Associate Editor: Christian Botting Editorial Assistant: Andrew Sobel
Media Editor: Michael J. Richards Composition: Emilcomp srl / Prepare Inc.
SEXTA EDICIÓN,2006
D.R. ©2006 por Pearson Educación de México,S.A. de C.V.
Atlacomulco núm. 500 – 5°piso
Col. Industrial Atoto
53519 Naucalpan de Juárez,Edo. de México
Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana. Reg. núm. 1031
Prentice Hall es una marca registrada de Pearson Educación de México,S.A. de C.V.
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otro,sin permiso previo por escrito del editor.
El préstamo,alquiler o cualquier otra forma de cesión de uso de este ejemplar requerirá también la autorización del editor o de sus representantes.
ISBN 970-26-0776-0
Impreso en México. Printed in Mexico.
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C
ONTENIDO
CINEMÁTICA EN DOS
3
DIMENSIONES; VECTORES 45
3-1 Vectores y escalares 45
3-2 Suma de vectores:métodos gráficos 46
3-3 Resta de vectores y multiplicación
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 Resolución de problemas que implican
el movimiento de proyectiles 56
*3-7 El movimiento de proyectiles es parabólico 62
*3-8 Velocidad relativa 62
RESUMEN 64 PREGUNTAS 65
LISTADEAPLICACIONES xiii
PROBLEMAS 65 PROBLEMASGENERALES 69
PREFACIO xv
COMPLEMENTOSYMEDIOSAUDIOVISUALES 4 DINÁMICA: LEYES
DISPONIBLES xxiii DEL MOVIMIENTO DE NEWTON 72
NOTASALOSESTUDIANTES(YPROFESORES)
ACERCADELFORMATO xxvii 4-1 Fuerza 72
4-2 Primera ley del movimiento de Newton 73
VOLUMEN 1 4-3 Masa 75
4-4 Segunda ley del movimiento de Newton 75
INTRODUCCIÓN, MEDICIÓN, 4-5 Tercera ley del movimiento de Newton 77
1
ESTIMACIÓN 1 4-6 Peso:la fuerza de gravedad
y la fuerza normal 80
1-1 La naturaleza de la ciencia 1 4-7 Resolución de problemas con las leyes
1-2 La física y su relación con otros campos 3 de Newton:diagramas de cuerpo libre 84
1-3 Modelos,teorías y leyes 4 4-8 Problemas que implican fricción
1-4 Medición e incertidumbre; y planos inclinados 90
cifras significativas 5 4-9 Resolución de problemas:
1-5 Unidades,estándares y el sistema SI 8 Un enfoque general 96
1-6 Conversión de unidades 10 RESUMEN 96 PREGUNTAS 97
1-7 Orden de magnitud:estimación rápida 12 PROBLEMAS 98 PROBLEMASGENERALES 103
*1-8 Dimensiones y análisis dimensional 14 MOVIMIENTO CIRCULAR
5
RESUMEN 15 PREGUNTAS 16 Y GRAVITACIÓN 106
PROBLEMAS 16 PROBLEMASGENERALES 17
5-1 Cinemática del movimiento circular uniforme 106
DESCRIPCIÓN DEL MOVIMIENTO: 5-2 Dinámica del movimiento circular uniforme 109
2
CINEMÁTICA EN UNA DIMENSIÓN 19 5-3 Curvas en las autopistas,peraltadas
y sin peralte 112
2-1 Marcos de referencia y desplazamiento 20 *5-4 Movimiento circular no uniforme 115
2-2 Velocidad promedio 21 *5-5 Centrifugación 116
2-3 Velocidad instantánea 23 5-6 Ley de la gravitación universal de Newton 117
2-4 Aceleración 23 5-7 Gravedad cerca de la superficie
2-5 Movimiento con aceleración constante 26 de la Tierra;aplicaciones geofísicas 121
2-6 Resolución de problemas 28 5-8 Los satélites y la “ingravidez” 122
2-7 Caída de objetos 31 *5-9 Leyes de Kepler y síntesis de Newton 125
*2-8 Análisis gráfico del movimiento lineal 36 5-10 Tipos de fuerzas en la naturaleza 128
RESUMEN 38 PREGUNTAS 38 RESUMEN 128 PREGUNTAS 129
PROBLEMAS 39 PROBLEMASGENERALES 42 PROBLEMAS 130 PROBLEMASGENERALES133
vii
6
TRABAJO Y ENERGÍA 136
6-1 Trabajo realizado por una fuerza constante 137
*6-2 Trabajo realizado por una fuerza variable 141
6-3 Energía cinética y el principio
trabajo-energía 141
6-4 Energía potencial 144
6-5 Fuerzas conservativas y no conservativas 148
6-6 Energía mecánica y su conservación 149
6-7 Resolución de problemas a partir de la
conservación de la energía mecánica 150
6-8 Otras formas de energía;transformaciones
de energía y la ley de conservación de
la energía 155
6-9 Conservación de energía con fuerzas
disipativas:Resolución de problemas 156 EQUILIBRIO ESTÁTICO;
9
6-10 Potencia 158 ELASTICIDAD Y FRACTURA 226
RESUMEN 160 PREGUNTAS 160
PROBLEMAS 162 PROBLEMASGENERALES 165 9-1 Condiciones para el equilibrio 227
7 9-2 Resolución de problemas de estática 229
CANTIDADDEMOVIMIENTOLINEAL 167
*9-3 Aplicaciones a músculos y articulaciones 234
7-1 Cantidad de movimiento y su relación 9-4 Estabilidad y balance 236
con la fuerza 168 *9-5 Elasticidad;tensión y deformación 237
7-2 Conservación de la cantidad *9-6 Fractura 241
de movimiento 170
*9-7 Cubrir un espacio:arcos y domos 243
7-3 Colisiones e impulso 173
RESUMEN 246 PREGUNTAS 246
7-4 Conservación de la energía y de PROBLEMAS 247 PROBLEMASGENERALES 252
la cantidad de movimiento en colisiones 175
7-5 Colisiones elásticas en una dimensión 176
VOLUMEN 2
7-6 Colisiones inelásticas 178
*7-7 Colisiones en dos o tres dimensiones 179
10
7-8 Centro de masa (CM) 182 FLUIDOS 255
*7-9 CMdel cuerpo humano 184
10-1 Fases de la materia 255
*7-10 Centro de masa y movimiento
10-2 Densidad y gravedad específica 256
de traslación 185
RESUMEN 187 PREGUNTAS 187 10-3 Presión en fluidos 257
PROBLEMAS 188 PROBLEMASGENERALES 192 10-4 Presión atmosférica y presión
manométrica 259
8
MOVIMIENTO DE ROTACIÓN 194 10-5 Principio de Pascal 260
10-6 Medición de presión;manómetros
8-1 Cantidades angulares 195
y el barómetro 260
8-2 Aceleración angular constante 201
10-7 Flotabilidad y principio de Arquímedes 263
8-3 Movimiento de rodamiento
10-8 Fluidos en movimiento;tasa de flujo
(sin deslizamiento) 202
y ecuación de continuidad 268
8-4 Torca 203
10-9 Ecuación de Bernoulli 270
8-5 Dinámica de rotación;torca e inercia
10-10 Aplicaciones del principio de Bernoulli:
de rotación 206
de Torricelli a los aviones,
8-6 Resolución de problemas de dinámica
las pelotas de béisbol y la isquemia 272
de rotación 208
*10-11 Viscosidad 274
8-7 Energía cinética de rotación 210
*10-12 Flujo en tubos:ecuación de Poiseuille,
8-8 Cantidad de movimiento angular
flujo sanguíneo 275
y su conservación 213
*10-13 Tensión superficial y capilaridad 276
*8-9 Naturaleza vectorial de las cantidades
angulares 215 *10-14 Bombas y el corazón 278
RESUMEN 217 PREGUNTAS 217 RESUMEN 279 PREGUNTAS 280
PROBLEMAS 219 PROBLEMASGENERALES 223 PROBLEMAS 281 PROBLEMASGENERALES 284
viii CONTENIDO