Fisica Universitaria Vol.1

763 Pages·2009·33.34 MB·Spanish

YOUNG • FREEDMAN
SEARS • ZEMANSKY
Física
universitaria
Volumen 1
DDDeeeccciiimmmooossseeeggguuunnndddaaa eeedddiiiccciiióóónnn
FACTORES DE CONVERSIÓN DE UNIDADES
Longitud Aceleración
1 m5100 cm51000 mm5106 mm5109 nm 1 m/s25100 cm/s253.281 ft/s2
1 km51000 m50.6214 mi 1 cm/s250.01 m/s250.03281 ft/s2
1 m53.281 ft539.37 in 1 ft/s250.3048 m/s2530.48 cm/s2
#
1 cm50.3937 in 1 mi/h s51.467 ft/s2
1 in.52.540 cm
1 ft530.48 cm
1 yd591.44 cm Masa
1 mi55280 ft51.609 km 1 kg5103 g50.0685 slug
1 Å 510210 m51028 cm51021 nm 1 g56.8531025 slug
1 milla náutica56080 ft 1 slug514.59 kg
1 año luz 59.461 31015m 1 u51.661310227 kg
1 kg tiene un peso de 2.205 lb cuando g 59.80 m>s2
Área
1 cm250.155 in2 Fuerza
1 m25104 cm2510.76 ft2 1 N5105 dinas50.2248 lb
1 in256.452 cm2 1 lb54.448 N54.4483105 dinas
1 ft5144 in250.0929 m2
Presión
1 Pa51 N/m251.45031024lb/in250.209 lb/ft2
Volumen
1 bar5105 Pa
1 litro51000 cm351023 m350.03531 ft3561.02 in3
1 lb/in256895 Pa
1 ft350.02832 m3528.32 litros57.477 galones
1 lb/ft2547.88 Pa
1 galón53.788 litros
1 atm51.0133105 Pa51.013 bar
514.7 lb/in252117 lb/ft2
1 mm Hg51 torr5133.3 Pa
Tiempo
1 min560 s
1 h53600 s
Energía
1 d586,400 s 1 J5107ergs50.239 cal
1 año5365.24 d53.1563107 s 1 cal54.186 J (con base en caloría de 15°)
#
1 ft lb51.356 J
#
1 Btu51055 J5252 cal5778 ft lb
Ángulo 1 eV51.602310219 J
1 rad557.30°5180°/p 1 kWh53.6003106 J
1°50.01745 rad5p/180 rad
1 revolución5360°52p rad
1 rev/min (rpm)50.1047 rad/s Equivalencia masa-energía
1 kg 4 8.98831016 J
1 u 4 931.5 MeV
Rapidez 1 eV 4 1.07431029 u
1 m/s53.281 ft/s
1 ft/s50.3048 m/s
1 mi/min560 mi/h588 ft/s Potencia
1 km/h50.2778 m/s50.6214 mi/h 1 W51 J/s
#
1 mi/h51.466 ft/s50.4470 m/s51.609 km/h 1 hp5746 W5550 ft lb/s
1 furlong/14 días51.66231024 m/s 1 Btu/h50.293 W
CONSTANTES NUMÉRICAS
Constantes físicas fundamentales*
Nombre Símbolo Valor
Rapidez de la luz c 2.997924583108 m/s
Magnitud de carga del electrón e 1.60217653(14)310219 C
#
Constante gravitacional G 6.6742(10)310211 N m2/kg2
#
Constante de Planck h 6.6260693(11)310234 J s
Constante de Boltzmann k 1.3806505(24)310223 J/K
Número de Avogadro N 6.0221415(10)31023 moléculas/mol
A #
Constante de los gases R 8.314472(15) J/mol K
Masa del electrón m 9.1093826(16)310231 kg
e
Masa del protón m 1.67262171(29)310227 kg
p
Masa del neutrón m 1.67492728(29)310227 kg
n #
Permeabilidad del espacio libre m 4p31027 Wb/A m
0 #
Permitividad del espacio libre P 51/m c2 8.854187817c310212 C2/N m2
0 0 #
1/4pP 8.987551787c3109 N m2/C2
0
Otras constante útiles
Equivalente mecánico del calor 4.186 J/cal (15° caloría )
Presión atmosférica estándar 1 atm 1.013253105 Pa
Cero absoluto 0 K 2273.15 °C
Electrón volt 1 eV 1.60217653(14)310219 J
Unidad de masa atómica 1 u 1.66053886(28)310227 kg
Energía del electrón en reposo mc2 0.510998918(44) MeV
e
Volumen del gas ideal (0 °C y 1 atm) 22.413996(39) litros/mol
Aceleración debida a la gravedad g 9.80665 m/s2
(estándar)
*Fuente:National Institute of Standards and Technology (http://physics.nist.gov/cuu). Los números entre paréntesis
indican incertidumbre en los dígitos finales del número principal; por ejemplo, el número 1.6454(21) significa
1.6454 60.0021. Los valores que no indican incertidumbre son exactos.
Datos astronómicos†
Radio de la Periodo de
Cuerpo Masa (kg) Radio (m) órbita (m) la órbita
Sol 1.9931030 6.963108 — —
Luna 7.3531022 1.743106 3.843108 27.3 d
Mercurio 3.3031023 2.443106 5.7931010 88.0 d
Venus 4.8731024 6.053106 1.0831011 224.7 d
Tierra 5.9731024 6.383106 1.5031011 365.3 d
Marte 6.4231023 3.403106 2.2831011 687.0 d
Júpiter 1.9031027 6.913107 7.7831011 11.86 y
Saturno 5.6831026 6.033107 1.4331012 29.45 y
Urano 8.6831025 2.563107 2.8731012 84.02 y
Neptuno 1.0231026 2.483107 4.5031012 164.8 y
Plutón‡ 1.3131022 1.153106 5.9131012 247.9 y
†Fuente:NASAJet Propulsion Laboratory Solar System Dynamics Group (http://ssd.jlp.nasa.gov) y P. Kenneth
Seidelmann, ed., Explanatory Supplement to the Astronomical Almanac(University Science Books, Mill Valley, CA,
1992), pp. 704-706. Para cada cuerpo, “radio” es el radio en su ecuador y “radio de la órbita” es la distancia media
desde el Sol (en el caso de los planetas) o desde la Tierra (en el caso de la Luna).
‡En agosto de 2006 la Unión Astronómica Internacional reclasificó a Plutón y a otros pequeños objetos que giran
en órbita alrededor del Sol como “planetas enanos”.
SEARS • ZEMANSKY
física
unIverSitaria
ESTRATEGIAS PARA RESOLVER PROBLEMAS
ESTRATEGIA PARA RESOLVER PROBLEMAS PÁGINA ESTRATEGIA PARA RESOLVER PROBLEMAS PÁGINA
1.1 Cómo resolver problemas de física 3 11.1 Equilibrio de un cuerpo rígido 359
1.2 Conversiones de unidades 7 13.1 Movimiento armónico simple I:
Descripción del movimiento 427
1.3 Suma de vectores 18
13.2 Movimiento armónico simple II: Energía 430
2.1 Movimiento con aceleración constante 51
14.1 Ecuación de Bernoulli 469
3.1 Movimiento de proyectil 82
15.1 Ondas mecánicas 494
3.2 Velocidad relativa 92
15.2 Ondas estacionarias 510
5.1 Primera ley de Newton: Equilibrio
de una partícula 137 16.1 Intensidad del sonido 538
5.2 Segunda ley de Newton: Dinámica 16.2 Efecto Doppler 554
de partículas 143
17.1 Expansión térmica 578
6.1 Trabajo y energía cinética 188
17.2 Problemas de calorimetría 589
7.1 Problemas donde se utiliza energía
17.3 Conducción de calor 593
mecánica I 217
18.1 Gas ideal 613
7.2 Problemas utilizando energía mecánica II 225
18.2 Teoría cinética molecular 623
8.1 Conservación del momento lineal 255
19.1 Primera ley de la termodinámica 654
9.1 Energía rotacional 299
20.1 Máquinas térmicas 677
10.1 Dinámica rotacional de cuerpos rígidos 320
ACTIVIDADES ACTIVPHYSICS ONLINETM
ONLINE
www.masteringphysics.com
1.1 Análisis del movimiento con diagramas 4.1 Magnitud de aceleración centrípeta 8.1 Características de un gas
1.2 Análisis del movimiento con gráficas 4.2 Resolución de problemas de movimiento 8.2 Análisis conceptual de la distribución de
1.3 Predicción de un movimiento con base en circular Maxwell-Boltzmann
gráficas 4.3 Carrito que viaja en una trayectoria 8.3 Análisis cuantitativo de la distribución de
1.4 Predicción de un movimiento con base en circular Maxwell-Boltzmann
ecuaciones 4.4 Pelota que se balancea en una cuerda 8.4 Variables de estado y ley del gas ideal
1.5 Estrategias para resolver problemas de 4.5 Automóvil que describe círculos en una 8.5 Trabajo efectuado por un gas
cinemática pista 8.6 Calor, energía térmica y primera ley de la
1.6 Esquiador en competencia de descenso 4.6 Satélites en órbita termodinámica
1.7 Se deja caer limonada desde un globo 5.1 Cálculos de trabajo 8.7 Capacidad calorífica
aerostático 5.2 Frenado de un elevador que asciende 8.8 Proceso isocórico
1.8 Los cinturones de seguridad salvan vidas 5.3 Frenado de un elevador que baja 8.9 Proceso isobárico
1.9 Frenado con derrape 5.4 Salto inverso con bungee 8.10 Proceso isotérmico
1.10 Caída de un saltador con garrocha 5.5 Bolos con impulso de resorte 8.11 Proceso adiabático
1.11 Auto arranca y luego se detiene 5.6 Rapidez de un esquiador 8.12 Proceso cíclico: estrategias
1.12 Resolución de problemas con dos 5.7 Máquina de Atwood modificada 8.13 Proceso cíclico: problemas
vehículos 6.1 Momento lineal y cambio de energía 8.14 Ciclo de Carnot
1.13 Auto alcanza a camión 6.2 Choques y elasticidad 9.1 Ecuaciones y gráficas de posición
1.14 Cómo evitar un choque por atrás 6.3 Conservación del momento lineal y 9.2 Descripción del movimiento vibratorio
2.1.1 Magnitudes de fuerza choques 9.3 Energía de vibración
2.1.2 Paracaidista 6.4 Problemas de choques 9.4 Dos formas de medir la masa del joven
2.1.3 Cambio de tensión 6.5 Choque de autos: dos dimensiones Tarzán
2.1.4 Deslizamiento en una rampa 6.6 Rescate de un astronauta 9.5 Mono tira a Tarzán
2.1.5 Carrera de automóviles 6.7 Problemas de explosión 9.6 Liberación de un esquiador que vibra I
2.2 Levantar una caja 6.8 Deslizador y carrito 9.7 Liberación de un esquiador que vibra II
2.3 Bajar una caja 6.9 Péndulo que golpea una caja 9.8 Sistemas vibratorios de uno y
2.4 Despegue de cohete 6.10 Péndulo persona-proyectil, boliche dos resortes
2.5 Camión que tira de una caja 7.1 Cálculo de torcas 9.9 Vibrojuego
2.6 Empujar una caja hacia arriba contra una 7.2 Viga inclinada: torcas y equilibrio 9.10 Frecuencia de péndulo
pared 7.3 Brazos de palanca 9.11 Arriesgado paseo con péndulo
2.7 Esquiador que baja una cuesta 7.4 Dos pintores en una viga 9.12 Péndulo físico
2.8 Esquiador y cuerda de remolque 7.5 Conferencia desde una viga 10.1 Propiedades de las ondas mecánicas
2.9 Salto con garrocha 7.6 Inercia rotacional 10.2 Rapidez de las ondas en una cuerda
2.10 Camión que tira de dos cajas 7.7 Cinemática rotacional 10.3 Rapidez del sonido en un gas
2.11 Máquina de Atwood modificada 7.8 Rotojuego: Enfoque de dinámica 10.4 Ondas estacionarias en cuerdas
3.1 Resolución de problemas de movimiento 7.9 Escalera que cae 10.5 Afinación de un instrumento de cuerda:
de proyectiles 7.10 Mujeres y elevador de volante: enfoque ondas estacionarias
3.2 Dos pelotas que caen de dinámica 10.6 Masa de una cuerda y ondas
3.3 Cambio de la velocidad en x 7.11 Carrera entre un bloque y un disco estacionarias
3.4 Aceleraciones xy yde proyectiles 7.12 Mujeres y elevador de volante: enfoque 10.7 Pulsos y frecuencia del pulso
3.5 Componentes de la velocidad inicial de energía 10.8 Efecto Doppler: introducción conceptual
3.6 Práctica de tiro al blanco I 7.13 Rotojuego: enfoque de energía 10.9 Efecto Doppler: problemas
3.7 Práctica de tiro al blanco II 7.14 La bola le pega al bate 10.10 Ondas complejas: análisis de Fourier
REVISIÓN TÉCNICA
MÉXICO COSTARICA
Ricardo Pintle Monroy Diego Chaverri Polini
Rafael Mata Universidad Latina de Costa Rica
Carlos Gutiérrez Aranzeta San José
Instituto Politécnico Nacional
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica-Zacatenco Juan Meneses Rimola
Instituto Tecnológico de Costa Rica
José Arturo Tar Ortiz Peralta Cartago
Omar Olmos López
Víctor Bustos Meter Randall Figueroa Mata
José Luis Salazar Laureles Universidad Hispanoamericana
Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey San José
Campus Toluca
ESPAÑA
Daniel Zalapa Zalapa José M. Zamarro Minguell
Centro de Enseñanza Técnica Industrial Universidad de Murcia
Guadalajara Campus del Espinardo
Murcia
Lorena Vega López
Centro Universitario de Ciencias Exactas e Ingenierías Fernando Ribas Pérez
Universidad de Guadalajara Universidad de Vigo
Escola Universitaria de Enxeñería Técnica Industrial
Sergio Flores Vigo
Instituto de Ingeniería y Tecnología
Universidad Autónoma de Ciudad Juárez Stefano Chiussi
Universidad de Vigo
ARGENTINA Escola Técnica Superior de Enxeñeiros de Telecomunicacións
Ema Aveleyra Vigo
Universidad de Buenos Aires
Buenos Aires Miguel Ángel Hidalgo
Universidad de Alcalá de Henares
Alerino Beltramino Campus Universitario
UTN Regional Buenos Aires Alcalá de Henares
Buenos Aires
PERÚ
Miguel Ángel Altamirano Yuri Milachay Vicente
UTN Regional Córdoba Universidad Peruana de Ciencias Aplicadas
Córdoba Lima
COLOMBIA VENEZUELA
Fernando Molina Focazzio Mario Caicedo
Pontificia Universidad Javeriana Álvaro Restuccia
Bogotá Jorge Stephany
Universidad Simón Bolívar
Jaime Isaza Ceballos Caracas
Escuela Colombiana de Ingeniería
Bogotá
SEARS • ZEMANSKY
física
unIverSitaria
Decimosegunda edición
volumen 1
HUGH D. YOUNG
CARNEGIE MELLON UNIVERSITY
ROGER A. FREEDMAN
UNIVERSITY OF CALIFORNIA, SANTA BARBARA
CON LA COLABORACIÓN DE
A. LEWIS FORD
texas a&m university
TRADUCCIÓN
VICTORIA A. FLORES FLORES
traductora profesional
especialista en el área de ciencias
REVISIÓN TÉCNICA
ALBERTO RUBIO PONCE
GABRIELA DEL VALLE DÍAZ MUÑOZ
HÉCTOR LUNA GARCÍA
JOSÉ ANTONIO EDUARDO ROA NERI
departamento de ciencias básicas
universidad autónoma metropolitana,
unidad azcapotzalco, méxico
Addison-Wesley
Datos de catalogación bibliográfica
YOUNG, HUGH D. y ROGER A. FREEDMAN
Física universitaria volumen 1. Decimosegunda edición
PEARSON EDUCACIÓN, México, 2009
ISBN: 978-607-442-288-7
Área: Ciencias
Formato: 21 3 27 cm Páginas: 760
Authorized adaptation from the English language edition, entitled University Physics with Modern Physics 12th ed., (chapters 1-20) by Hugh D. Young,
Roger A. Freedman; contributing author, A. Lewis Ford published by Pearson Education, Inc., publishing as Addison-Wesley, Copyright ©2008.
All rights reserved.
ISBN 9780321501219
Adaptación autorizada de la edición en idioma inglés, titulada University Physics with Modern Physics 12ª ed., (capítulos 1-20) de Hugh D. Young,
Roger A. Freedman; con la colaboración de A. Lewis Ford, publicada por Pearson Education, Inc., publicada como Addison-Wesley, Copyright ©2008.
Todos los derechos reservados.
Esta edición en español es la única autorizada.
Edición en español
Editor: Rubén Fuerte Rivera
e-mail: [email protected]
Editor de desarrollo: Felipe Hernández Carrasco
Supervisor de producción:Enrique Trejo Hernández
Edición en inglés
Vice President and Editorial Director:Adam Black, Ph.D. Cover Design: Yvo Riezebos Design
Senior Development Editor: Margot Otway Manufacturing Manager: Pam Augspurger
Editorial Manager: Laura Kenney Director, Image Resource Center: Melinda Patelli
Associate Editor: Chandrika Madhavan Manager, Rights and Permissions: Zina Arabia
Media Producer: Matthew Phillips Photo Research: Cypress Integrated Systems
Director of Marketing: Christy Lawrence Cover Printer: Phoenix Color Corporation
Managing Editor: Corinne Benson Printer and Binder:Courier Corporation/Kendallville
Production Supervisor: Nancy Tabor Cover Image: The Millau Viaduct, designed by Lord Norman Foster,
Production Service: WestWords, Inc. Millau, France.
Illustrations: Rolin Graphics Photograph by Jean-Philippe Arles/Reuters/Corbis
Text Design: tani hasegawa
DECIMOSEGUNDAEDICIÓN VERSIÓN IMPRESA, 2009
DECIMOSEGUNDAEDICIÓN E-BOOK, 2009
D.R. ©2009 por Pearson Educación de México, S.A. de C.V.
Atlacomulco No. 500-5°piso
Col. Industrial Atoto
53519, Naucalpan de Juárez, Edo. de México
e-mail: [email protected]
Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana. Reg. Núm. 1031.
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Impreso en México. Printed in Mexico.
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Addison-Wesley
es una marca de
ISBN VERSIÓN IMPRESA: 978-607-442-288-7
www.pearsoneducacion.net ISBN E-BOOK:
CONTENIDO BREVE
Mecánica Ondas/Acústica
1 15
Unidades, cantidades físicas y vectores 1 Ondas mecánicas 487
2 16
Movimiento en línea recta 36 Sonido y el oído 527
3
Movimiento en dos o en tres
dimensiones 71 Termodinámica
4
Leyes del movimiento de Newton 107 17
Temperatura y calor 570
5
Aplicación de las leyes de Newton 136 18
Propiedades térmicas de la materia 610
6
Trabajo y energía cinética 181 19
La primera ley de la termodinamica 646
7
Energía potencial y conservación 20
La segunda ley de la termodinámica 673
de la energía 213
8
Momento lineal, impulso y choques 247
APÉNDICES
9
Rotación de cuerpos rígidos 285
A El sistema internacional de unidades A-1
10 Dinámica del movimiento rotacional 316 B Relaciones matemáticas útiles A-3
C El alfabeto griego A-4
11
Equilibrio y elasticidad 354 D Tabla periódica de los elementos A-5
12 E Factores de conversión de unidades A-6
Gravitación 383
F Constantes numéricas A-7
13
Movimiento periódico 419 Respuestas a los problemas con número impar A-9
14
Mecánica de fluidos 456