Fisica Wilson Buffa Lou

Factores de conversin

Masa 1 g 103 kg1 kg 103 g1 u 1.66 1024 g 1.66 1027 kg1 tonelada mtrica 1000 kg

Longitud 1 nm 109 m1 cm 102 m 0.394 pulg1 m 103 km 3.28 ft 39.4 pulg1 km 103 m 0.621 mi1 pulg 2.54 cm 2.54 102 m1 ft 0.305 m 30.5 cm1 mi 5280 ft 1609 m 1.609 km

rea 1 cm2 104 m2 0.1550 pulg2

1.08 103 ft2

1 m2 104 cm2 10.76 ft2 1550 pulg2

1 pulg2 6.94 103 ft 2 6.45 cm2

6.45 104 m2

1 ft2 144 pulg2 9.29 102 m2 929 cm2

Volumen 1 cm3 106 m3 3.53 105 ft 3

6.10 102 pulg3

1 m3 106 cm3 103 L 35.3 ft 3

6.10 104 pulg3 264 gal1 litro 103 cm3 103 m3 1.056 ct

0.264 gal = 0.035 3 ft3

1 pulg3 5.79 104 ft 3 16.4 cm3

1.64 105 m3

1 ft3 1728 pulg3 7.48 gal 0.0283 m3

28.3 L1 ct 2 pt 946 cm3 0.946 L1 gal 4 ct 231 pulg3 0.134 ft3 3.785 L

Tiempo 1 h 60 min 3600 s1 da 24 h 1440 min 8.64 104 s1 ao 365 das 8.76 103 h

5.26 105 min 3.16 107 s

ngulo 1 rad 57.31 0.0175 rad 60 p3 rad

15 p12 rad 90 p2 rad30 p6 rad 180 p rad45 p4 rad 360 2p rad

1 revmin (p30) rads 0.1047 rads

Rapidez 1 ms 3.60 kmh 3.28 fts 2.24 mih

1 kmh 0.278 ms 0.621 mih 0.911 fts

1 fts 0.682 mih 0.305 ms 1.10 kmh

1 mih 1.467 fts 1.609 kmh 0.447 ms

60 mih 88 fts

Fuerza 1 N 0.225 lb1 lb 4.45 NPeso equivalente de una masa de 1 kg en

la superficie terrestre 2.2 lb 9.8 N

Presin 1 Pa (Nm2 ) 1.45 104 lbpulg2

7.5 103 torr (mm Hg)1 torr (mm Hg) 133 Pa (Nm2 )

0.02 lbpulg2

1 atm 14.7 lbpulg2 1.013 105 Nm2

30 pulg Hg 76 cm Hg1 lbpulg2 6.90 103 Pa (Nm2 )1 bar 105 Pa1 milibar 102 Pa

Energa 1 J 0.738 ftlb 0.239 cal 9.48 104 Btu 6.24 1018 eV

1 kcal 4186 J 3.968 Btu1 Btu 1055 J 778 ftlb 0.252 kcal1 cal 4.186 J 3.97 103 Btu

3.09 ftlb1 ftlb 1.36 J 1.29 103 Btu1 eV 1.60 1019 J1 kWh 3.6 106 J

Potencia 1 W 0.738 ftlbs 1.34 103 hp 3.41 Btuh

1 ftlbs 1.36 W 1.82 103 hp1 hp 550 ftlbs 745.7 W

2545 Btuh

Equivalentes 1 u 1.66 1027 kg 4 931.5 MeVmasa-energa 1 masa de electrn 9.11 1031 kg

5.49 10 4 u 4 0.511 MeV1 masa de protn 1.672 62 1027 kg

1.007 276 u 4 938.27 MeV1 masa de neutrn 1.674 93 1027 kg

1.008 665 u 4 939.57 MeV

Temperatura TF

TC

32

TC

(TF

32)

TK

TC

273

Fuerza cgs 1 dina 10 5 N 2.25 10 6 lb

Energa cgs 1 erg 107 J 7.38 106 ftlb

59

95

SE

XTA

ED

ICI

N

FSICA

FSICASEXTA ED

ICI

N

Jerry D. WilsonLander University

Greenwood, SC

Anthony J. BuffaCalifornia Polytechnic State University

San Luis Obispo, CA

Bo LouFerris State University

Big Rapids, MI

TRADUCCINMa. de Lourdes Amador AraujoTraductora profesional

REVISIN TCNICAAlberto Lima SnchezPreparatoria de la Universidad La Salle

Authorized translation from the English Language edition, entitled College Physics, Sixth Edition by Jerry D. Wilson, Anthony J. Buffa and Bo Lou, published by Pearson Education Inc., publishing as PRENTICE HALL INC., Copyright 2007. All rights reserved.

ISBN 0-13-149579-8

Versin en espaol de la obra titulada College Physics, Sexta edicin, de Jerry D. Wilson, Anthony J. Buffa y Bo Lou, publicada originalmente en ingls por Pearson Education Inc., publicada como PRENTICE HALL INC., Copyright 2007. Todos los derechos reservados.

Esta edicin en espaol es la nica autorizada.

Edicin en espaolEditor: Enrique Quintanar Duartee-mail: [email protected] de desarrollo: Felipe Hernndez Carrasco Supervisor de produccin: Enrique Trejo Hernndez

Edicin en ingls

SEXTA EDICIN, 2007

D.R. 2007 por Pearson Educacin de Mxico, S.A. de C.V. Atlacomulco Nm. 500, 5 PisoCol. Industrial Atoto53519, Naucalpan de Jurez, Edo. de Mxico

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

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

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

El prstamo, alquiler o cualquier otra forma de cesin de uso de este ejemplar requerir tambin la autorizacin del editor o de sus representantes.

ISBN 10: 970-26-0851-1ISBN 13: 978-970-26-0851-6Impreso en Mxico. Printed in Mexico.1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 - 10 09 08

Datos de catalogacin bibliogrfica

WILSON, JERRY; ANTHONY J. BUFA; BO LOU

Fsica. Sexta edicin

PEARSON EDUCACIN, Mxico, 2007

ISBN: 978-970-26-0851-6

Formato: 21 27 cm Pginas: 912

Senior Editor: Erik FahlgrenAssociate Editor: Christian BottingEditor in Chief, Science: Dan KaveneyExecutive Managing Editor: Kathleen SchiaparelliAssistant Managing Editor: Beth SweetenManufacturing Buyer: Alan FischerManufacturing Manager: Alexis Heydt-LongDirector of Creative Services: Paul BelfantiCreative Director: Juan LpezArt Director: Heather ScottDirector of Marketing, Science: Patrick LynchMedia Editor: Michael J. RichardsSenior Managing Editor, Art Production and Management:

Patricia BurnsManager, Production Technologies: Matthew Haas

Managing Editor, Art Management: Abigail BassArt Editor: Eric DayArt Studio: ArtWorksImage Coordinator: Cathy MazzuccaMgr Rights & Permissions: Zina ArabiaPhoto Researchers: Alexandra Truitt & Jerry MarshallResearch Manager: Beth BrenzelInterior and Cover Design: Tamara NewnamCover Image: Greg Epperson/Index Stock ImageryManaging Editor, Science Media: Nicole Jackson Media Production Editors: William Wells, Dana DunnEditorial Assistant: Jessica BertaProduction Assistant: Nancy BauerProduction Supervision/Composition: Prepare, Inc.

acerca de los autoresJerry D. Wilson naci en Ohio y es profesor emrito de fsica y ex director de la Divisin de Cien-cias Fsicas y Biolgicas de Lander University en Greenwood, Carolina del Sur. Recibi el grado delicenciado en ciencias de la Universidad de Ohio, el grado de maestro en ciencias del Union Colle-ge y, en 1970, el grado de doctor en fsica de la Universidad de Ohio. Obtuvo el grado de maestroen ciencias mientras trabajaba como fsico especialista en el comportamiento de materiales.

Cuando estudiaba el doctorado, el profesor Wilson inici su carrera docente impartiendo cursosde fsica. Durante ese tiempo, fue coautor de un texto de fsica, del que actualmente circula la und-cima edicin. En combinacin con su carrera docente, el profesor Wilson ha continuado con su la-bor de escribir libros, y es autor o coautor de seis textos. Aunque actualmente se ha retirado comoprofesor de tiempo completo, contina escribiendo libros y artculos. Actualmente escribe la colum-na titulada The Curiosity Corner, que se publica semanalmente en peridicos locales y que tambin

se encuentra disponible en Internet.

Anthony J. Buffa recibi el grado de licenciado en ciencias fsicas del RensselaerPolytechnic Institute en Troy, Nueva York, y el grado de doctor en fsica de la Uni-versidad de Illinois, en Urbana-Champaign. En 1970, el profesor Buffa se incorporal cuerpo docente de California Polytechnic State University, en San Luis Obispo. Seretir recientemente y ahora es maestro de medio tiempo en Cal Poly, como profe-sor emrito de fsica. Ha realizado trabajos de investigacin en fsica nuclear en di-ferentes laboratorios de aceleradores de partculas, incluido el LAMPF en Los Ala-mos National Laboratory. Trabaj como investigador asociado en el departamento

de radioanaltica durante 16 aos.El principal inters del profesor Buffa sigue siendo la docencia. En el Cal Poly ha impartido cursos que van des-

de la introduccin a la fsica hasta la mecnica cuntica; tambin desarroll y supervis numerosos experimentos delaboratorio e imparti cursos de fsica a los profesores de primaria y secundaria en los talleres organizados por la Na-tional Science Foundation (NSF). Combinando la fsica con su inters por el arte y la arquitectura, el doctor Buffa rea-liza trabajo artstico y hace sus propios dibujos, que utiliza para reforzar la efectividad de su labor en la enseanzade la fsica. Adems de continuar en la docencia, durante su retiro parcial, l y su esposa tratan de viajar ms y espe-ran disfrutar de sus nietos durante mucho tiempo.

Bo Lou es profesor de fsica en Ferris State University en Michigan. Sus responsabilidades primor-diales como docente son impartir cursos de introduccin a la fsica y de laboratorio en el nivel delicenciatura. El profesor Lou enfatiza la importancia de la comprensin conceptual de las leyes ylos principios bsicos de la fsica y de sus aplicaciones prcticas al mundo real. Tambin es un de-fensor entusiasta del uso de la tecnologa en la enseanza y el aprendizaje.

El profesor Lou recibi los grados de licenciado y de maestro en ciencias en ingeniera pticade la Universidad de Zhejiang, en China, en 1982 y 1985, respectivamente, y el grado de doctor enfsica en el campo de materia condensada de la Universidad Emory en 1989.

El doctor Lou, su esposa Lingfei y su hija Alina residen actualmente en Big Rapids, Michigan.La familia Lou disfruta de los viajes, la naturaleza y el tenis.

vii

contenido abreviado

viii

Prefacio XIX

Parte Uno: Mecnica

1 Medicin y resolucin de problemas 12 Cinemtica: descripcin del movimiento 323 Movimiento en dos dimensiones 674 Fuerza y movimiento 1035 Trabajo y energa 1406 Cantidad de movimiento lineal

y choques 177

7 Movimiento circular y gravitacional 2168 Movimiento rotacional y equilibrio 2569 Slidos y fluidos 297

Parte Dos: Termodinmica

10 Temperatura y teora cintica 33811 Calor 36712 Termodnamica 397

Parte Tres: Oscilaciones y movimientoondulatorio

13 Vibraciones y ondas 43314 Sonido 467

Parte Cuatro: Electricidad ymagnetismo

15 Cargas, fuerzas y campos elctricos 50516 Potencial elctrico, energa

y capacitancia 536

17 Corriente elctrica y resistencia 56818 Circuitos elctricos bsicos 59119 Magnetismo 62320 Induccin y ondas electromagnticas 65621 Circuitos de corriente alterna 686

Parte Cinco: ptica

22 Reflexin y refraccin de la luz 70523 Espejos y lentes 72924 ptica fsica: la naturaleza ondulatoria

de la luz 760

25 La visin y los instrumentos pticos 792

Apndices

I Repaso de matemticas (con ejemplos) paraFsica A-1

II Teora cintica de los gases A-5

III Datos planetarios A-6

IV Lista alfabtica de elementos qumicos A-7

V Propiedades de istopos seleccionados A-7

Respuestas a los ejercicios de refuerzo A-10

Respuestas a los ejercicios con nmero impar A-17

ndice I-1

Contenido

ix

Prefacio XIX

1 Medicin y resolucin de problemas 1

A fondo: 1.1 Por qu estudiar fsica? 21.1 Por qu y cmo medimos 21.2 Unidades SI de longitud, masa y tiempo 3

A fondo: 1.2 Qu es el tiempo? 61.3 Ms acerca del sistema mtrico 71.4 Anlisis de unidades 101.5 Conversin de unidades 12

A fondo: 1.3 Es importante la conversin de unidades? 16

1.6 Cifras significativas 171.7 Resolucin de problemas 20

Repaso del captulo 24 Ejercicios 25

4 FUERZA Y MOVIMIENTO 1034.1 Los conceptos de fuerza y fuerza neta 1044.2 Inercia y la primera ley de Newton

del movimiento 1054.3 Segunda ley de Newton del movimiento 106

A fondo: 4.1 Gravedades (g) de fuerza y efectos sobre el cuerpo humano 108

4.4 Tercera ley de Newton del movimiento 112A fondo: 4.2 Navegando contra el viento: virada 115

4.5 Ms acerca de las leyes de Newton: diagramas de cuerpo libre y equilibrio traslacional 116

APRENDER DIBUJANDO: Fuerzas sobre un objeto en unplano inclinado y diagramas de cuerpo libre 116

4.6 Friccin 121Repaso del captulo 130 Ejercicios 131

5 TRABAJO Y ENERGA 1405.1 Trabajo efectuado por una fuerza constante 141

APRENDER DIBUJANDO: Trabajo: rea bajo la curva de F contra x 142

APRENDER DIBUJANDO: Cmo determinar el signo del trabajo 143

5.2 Trabajo efectuado por una fuerza variable 1455.3 El teorema trabajo-energa: energa cintica 1485.4 Energa potencial 1525.5 Conservacin de la energa 155

A fondo: 5.1 La potencia de la gente: el uso de laenerga del cuerpo 156

APRENDER DIBUJANDO: Intercambio de energa: unapelota que cae 161

5.6 Potencia 164A fondo: 5.2 Conversin de energa hbrida 164Repaso del captulo 168 Ejercicios 169

6 Cantidad de movimiento linealy choques 177

6.1 Cantidad de movimiento lineal 1786.2 Impulso 182

2 CINEMTICA: DESCRIPCIN DEL MOVIMIENTO 32

2.1 Distancia y rapidez: cantidades escalares 332.2 Desplazamiento unidimensional y velocidad:

cantidades vectoriales 35APRENDER DIBUJANDO: Coordenadas cartesianas

y desplazamientounidimensional 35

2.3 Aceleracin 40APRENDER DIBUJANDO: Signos de la velocidad

y la aceleracin 422.4 Ecuaciones de cinemtica

(aceleracin constante) 452.5 Cada libre 49

A fondo: 2.1 Galileo Galilei y la Torre Inclinada de Pisa 51


3 MOVIMIENTO EN DOS DIMENSIONES 673.1 Componentes del movimiento 683.2 Suma y resta de vectores 73

APRENDER DIBUJANDO: Diagrame y sume 803.3 Movimiento de proyectiles 813.4 Velocidad relativa 90


x Contenido

6.3 Conservacin de la cantidad de movimiento lineal 185

A fondo: 6.1 Las bolsas de aire del automvil y las bolsas de aire en Marte 186

6.4 Choques elsticos e inelsticos 1916.5 Centro de masa 1986.6 Propulsin a chorro y cohetes 204


7 MOVIMIENTO CIRCULAR Y GRAVITACIONAL 216

7.1 Medicin angular 2177.2 Rapidez y velocidad angulares 219

APRENDER DIBUJANDO: La aproximacin de ngulopequeo 219

7.3 Movimiento circular uniforme y aceleracincentrpeta 223

A fondo: 7.1 La centrfuga: separacin de componentes de la sangre 225

7.4 Aceleracin angular 2287.5 Ley de la gravitacin de Newton 231

A fondo: 7.2 Exploracin espacial: ayuda de la gravedad 238

7.6 Leyes de Kepler y satlites terrestres 238A fondo: 7.3 Ingravidez: efectos sobre el cuerpo

humano 245Repaso del captulo 247 Ejercicios 248

8 MOVIMIENTO ROTACIONALY EQUILIBRIO 256

8.1 Cuerpos rgidos, traslaciones y rotaciones 2578.2 Momento de fuerza, equilibrio y estabilidad 2598.3 Dinmica rotacional 270

A fondo: 8.1 Estabilidad en accin 2718.4 Trabajo rotacional y energa cintica 2778.5 Cantidad de movimiento angular 280

A fondo: 8.2 Resbalar o rodar hasta parar? Frenosantibloqueo 281


9 SLIDOS Y FLUIDOS 2979.1 Slidos y mdulos de elasticidad 2989.2 Fluidos: presin y el principio de Pascal 302

A fondo: 9.1 La osteoporosis y la densidad mineralsea (DMO) 304

A fondo: 9.2 Un efecto atmosfrico: posible dolor de odo 311

A fondo: 9.3 Medicin de la presin arterial 3129.3 Flotabilidad y el principio de Arqumedes 3139.4 Dinmica de fluidos y ecuacin de Bernoulli 319

*9.5 Tensin superficial, viscosidad y ley de Poiseuille 324

A fondo: 9.4 Los pulmones y el primer aliento del beb 325


10 Temperatura y teora cintica 33810.1 Temperatura y calor 33910.2 Las escalas de temperatura Celsius

y Fahrenheit 340A fondo: 10.1 Temperatura del cuerpo humano 343

10.3 Leyes de los gases, temperatura absoluta y la escala de temperatura Kelvin 343

A fondo: 10.2 Sangre caliente contra sangre fra 34410.4 Expansin trmica 350

APRENDER DIBUJANDO: Expansin trmica de rea 35110.5 La teora cintica de los gases 354

A fondo: 10.3 Difusin fisiolgica en procesos vitales 357

*10.6 Teora cintica, gases diatmicos y teorema de equiparticin 357


11 calor 36711.1 Definicin y unidades de calor 36811.2 Calor especfico y calorimetra 37011.3 Cambios de fase y calor latente 374

APRENDER DIBUJANDO: De hielo fro a vapor caliente 377

11.4 Transferencia de calor 379A fondo: 11.1 Regulacin fisiolgica de la temperatura

corporal 380A fondo: 11.2 Fsica, la industria de la construccin

y la conservacin de la energa 384A fondo: 11.3 El efecto invernadero 388Repaso del captulo 390 Ejercicios 391

Contenido xi

12 Termodinmica 39712.1 Sistemas, estados y procesos

termodinmicos 39812.2 Primera ley de la termodinmica 39912.3 Procesos termodinmicos para un gas ideal 403

APRENDER DIBUJANDO: Apoyarse en isotermas 40912.4 Segunda ley de la termodinmica

y entropa 410A fondo: 12.1 Vida, orden y la segunda ley 414

12.5 Mquinas de calor y bombas trmicas 414APRENDER DIBUJANDO: Representacin del trabajo

en ciclos trmicos 415A fondo: 12.2 La termodinmica y el cuerpo

humano 42012.6 Ciclo de Carnot y mquinas de calor

ideales 422Repaso del captulo 425 Ejercicios 426

13 VIBRACIONES Y ONDAS 43313.1 Movimiento armnico simple 434

APRENDER DIBUJANDO: Oscilacin en un pozo parablicode potencia 437

13.2 Ecuaciones de movimiento 43913.3 Movimiento ondulatorio 44613.4 Propiedades de las ondas 449

A fondo: 13.1 Terremotos, ondas ssmicas y sismologa 450

13.5 Ondas estacionarias y resonancia 454A fondo: 13.2 Resonancias deseables

e indeseables 458Repaso del captulo 459 Ejercicios 460

14.6 Instrumentos musicales y caractersticas del sonido 491


15 Cargas, fuerzas y campos elctricos 505

15.1 Carga elctrica 50615.2 Carga electrosttica 50815.3 Fuerza elctrica 51215.4 Campo elctrico 517

APRENDER DIBUJANDO: Uso del principio de superpo-sicin para determinar la direccin del campo elctrico 518

APRENDER DIBUJANDO: Trazado de lneas elctricas de fuerza 521

A fondo: 15.1 Relmpagos y pararrayos 523A fondo: 15.2 Campos elctricos en las fuerzas

policiacas y en la naturaleza: armas paralizantes y peces elctricos 524

15.5 Conductores y campos elctricos 526*15.6 Ley de Gauss para campos elctricos:

un enfoque cualitativo 528Repaso del captulo 529 Ejercicios 530

16 POTENCIAL ELCTRICO, ENERGAY CAPACITANCIA 536

16.1 Energa potencial elctrica y diferencia de potencial elctrico 537

APRENDER DIBUJANDO: es independiente del puntode referencia 538

16.2 Superficies equipotenciales y el campo elctrico 543

APRENDER DIBUJANDO: Relacin grfica entre lneas de campo elctrico yequipotenciales 547

16.3 Capacitancia 549A fondo: 16.1 Potencial elctrico y transmisin

de seales nerviosas 55216.4 Dielctricos 55216.5 Condensadores en serie y en paralelo 557


17 Corriente elctrica y resistencia 56817.1 Bateras y corriente directa 569

APRENDER DIBUJANDO: Dibujo de circuitos 57117.2 Corriente y velocidad de deriva 57117.3 Resistencia y ley de Ohm 573

A fondo: 17.1 La biogeneracin de alto voltaje 575A fondo: 17.2 Anlisis de impedancia bioelctrica

(AIB) 57817.4 Potencia elctrica 580


V

14 Sonido 46714.1 Ondas sonoras 468

A fondo: 14.1 El ultrasonido en la medicina 47014.2 La rapidez del sonido 47114.3 Intensidad del sonido y nivel de intensidad

del sonido 474A fondo: 14.2 La fisiologa y la fsica del odo

y de la audicin 47514.4 Fenmenos acsticos 48114.5 El efecto Doppler 484

A fondo: 14.3 Aplicaciones Doppler: clulas sanguneas y gotas de lluvia 490

xii Contenido

19 Magnetismo 62319.1 Imanes, polos magnticos y direccin

del campo magntico 62419.2 Intensidad del campo magntico

y fuerza magntica 62619.3 Aplicaciones: partculas cargadas en campos

magnticos 62919.4 Fuerzas magnticas sobre conductores

con corriente elctrica 63219.5 Aplicaciones: conductores con corriente

en campos magnticos 63519.6 Electromagnetismo: la fuente de los campos

magnticos 63719.7 Materiales magnticos 641

A fondo: 19.1 La fuerza magntica en la medicina del futuro 642

*19.8 Geomagnetismo: el campo magntico terrestre644

A fondo: 19.2 El magnetismo en la naturaleza 645Repaso del captulo 647 Ejercicios 648

20 Induccin y ondas electromagnticas 656

20.1 Fem inducida: ley de Faraday y ley de Lenz 65720.2 Generadores elctricos y contra fem 663

A fondo: 20.1 La induccin electromagntica en el trabajo: linternas y antiterrorismo 664

A fondo: 20.2 Induccin electromagntica en accin:pasatiempos y transportacin 666

20.3 Transformadores y transmisin de energa 66820.4 Ondas electromagnticas 672


21 Circuitos de corriente alterna 686

21.1 Resistencia en un circuito de ca 68721.2 Reactancia capacitiva 68921.3 Reactancia inductiva 69121.4 Impedancia: circuito RLC 69321.5 Resonancia en circuitos 697

A fondo: 21.1 Circuitos osciladores: emisores de radiacin electromagntica 699


22 Reflexin y refraccin de la luz 705

22.1 Frentes de onda y rayos 70622.2 Reflexin 70722.3 Refraccin 708

APRENDER DIBUJANDO: Trazado de los rayos reflejados 708

A fondo: 22.1 Una noche oscura y lluviosa 709A fondo: 22.2 Las lentes perfectas y el ndice

negativo de refraccin 71522.4 Reflexin interna total y fibras pticas 717

A fondo: 22.3 Aplicaciones mdicas de las fibras pticas 720

22.5 Dispersin 721A fondo: 22.4 El arco iris 722Repaso del captulo 723 Ejercicios 724

18 Circuitos elctricos bsicos 59118.1 Combinaciones de resistencias en serie,

en paralelo y en serie-paralelo 59218.2 Circuitos de mltiples mallas

y reglas de Kirchhoff 599APRENDER DIBUJANDO: Diagramas de Kirchhoff: una

interpretacin grfica del teoremade la malla de Kirchhoff 602

18.3 Circuitos RC 60418.4 Ampermetros y voltmetros 607

A fondo: 18.1 Aplicaciones de los circuitos RC a la cardiologa 608

18.5 Circuitos domsticos y seguridad elctrica 611A fondo: 18.2 Electricidad y seguridad personal 614Repaso del captulo 615 Ejercicios 616

Contenido xiii

23 Espejos y lentes 72923.1 Espejos planos 73023.2 Espejos esfricos 732

A fondo: 23.1 Todo se hace con espejos 733APRENDER DIBUJANDO: Diagramas de rayos

para un espejo (vase el ejemplo 23.2) 734

23.3 Lentes 740APRENDER DIBUJANDO: Diagrama de rayos para lentes

(vase el ejemplo 23.5) 743A fondo: 23.2 Lentes de Fresnel 748

23.4 La ecuacin del fabricante de lentes 750*23.5 Aberraciones de las lentes 752


APRENDER DIBUJANDO: Tres polarizadores (vase elEjemplo integrado 24.6) 778

*24.5 Dispersin atmosfrica de la luz 782A fondo: 24.2 Las pantallas de cristal lquido

y la luz polarizada 783A fondo: 24.3 Biopsia ptica 785Repaso del captulo 785 Ejercicios 786

25 La visin y los instrumentos pticos 792

25.1 El ojo humano 793A fondo: 25.1 Correccin de la crnea y ciruga 797

25.2 Microscopios 79925.3 Telescopios 80325.4 Difraccin y resolucin 807

A fondo: 25.2 Telescopios para radiacin no visible 808

*25.5 Color 810Repaso del captulo 813 Ejercicios 814

APNDICE I Repaso de matemticas (con ejemplos)para Fsica A-1

APNDICE II Teora cintica de los gases A-5APNDICE III Datos planetarios A-6APNDICE IV Lista alfabtica de elementos qumicos

(la tabla peridica aparece al final del libro) A-7

APNDICE V Propiedades de istopos seleccionados A-7

Respuestas a los ejercicios de refuerzo R-10Respuestas a los ejercicios con nmero

impar R-17ndice I-1

24 ptica fsica: la naturalezaondulatoria de la luz 760

24.1 El experimento de Young de la doble rendija 761

24.2 Interferencia en pelculas delgadas 764A fondo: 24.1 Lentes no reflectantes 768

24.3 Difraccin 76824.4 Polarizacin 775

Coordenadas cartesianas y desplazamiento unidimensional 35

Signos de la velocidad y la aceleracin 42Diagrame y sume 80Fuerzas sobre un objeto en un plano inclinado

y diagramas de cuerpo libre 116Trabajo: rea bajo la curva de F contra x 142Cmo determinar el signo del trabajo 143Intercambio de energa: una pelota que cae 161Aproximacin de ngulo pequeo 219Expansin trmica de rea 351De hielo fro a vapor caliente 377Apoyarse en isotermas 409Representacin del trabajo en ciclos trmicos 415Oscilacin en un pozo parablico de potencia 437

Uso del principio de superposicin para determinar la direccin del campo elctrico 518

Trazado de lneas elctricas de fuerza 521V es independiente del punto de referencia 538Relacin grfica entre lneas de campo elctrico

y equipotenciales 547Dibujo de circuitos 571Diagramas de Kirchhoff: una interpretacin grfica

del teorema de la malla de Kirchhoff 602Trazado de los rayos reflejados 708Diagrama de rayos para espejos (vase el

ejemplo 23.2) 734Diagrama de rayos para lentes (vase el Ejemplo

integrado 24.6) 778Tres polarizadores (vase el Ejemplo integrado 24.6) 778

APRENDER DIBUJANDO

Aplicaciones [Las secciones A fondo aparecen en negritas; (bio) indica una aplicacin biomdica]Captulo 1Por qu estudiar fsica? 2Sistema de capilares (bio) 11Es importante la conversin de unidades? 16Extraccin de sangre (bio) 23Cuntos glbulos rojos hay en la sangre? (bio) 24Longitud de los capilares (bio) 14, 27Sistema circulatorio (bio) 27Ritmo cardiaco (bio) 28Glbulos rojos (bio) 28Etiquetas de productos e informacin nutricional (bio) 30Glbulos blancos y plaquetas (bio) 30Cabello humano (bio) 30

Captulo 2Cada libre en la Luna 50Galileo Galilei y la Torre Inclinada de Pisa 51Tiempo de reaccin (bio) 53Cada libre en Marte 56La Torre Taipei 101 65

Captulo 3Resistencia del aire y alcance 88El salto ms largo (bio) 88Reabastecimiento de combustible en el aire 91

Captulo 4Gravedades (g) de fuerza y efectos sobre el cuerpo humano

(bio) 108Navegando contra el viento: virada 115Traccin de las piernas (bio) 119De puntillas (bio) 120Friccin (neumticos de los automviles de carrera) 122Resistencia del aire 128Paracaidismo y velocidad terminal 129Aerofrenado 129Fuerza de abatimiento y automviles de carrera 137Neumticos para automviles de carrera y de pasajeros 137Descenso por una pendiente 138

Captulo 5La potencia de la gente: el uso de la energa del cuerpo 156Conversin de energa hbrida 164Motores y potencia 166Levantamiento de pesas (bio) 169

Captulo 6Cmo atrapar una bola rpida 184Fuerza de impulso y lesiones corporales (bio) 184Un follow-through en los deportes 185La bolsa de aire del automvil y las bolsas de aire

en Marte 186Centro de masa en un atleta de salto de altura 204Propulsin a chorro (bio) 204Retroceso de un rifle 205Empuje de un cohete 205Empuje en reversa de los aviones a reaccin 206Golpe de karate 209Propulsin de lanchas mediante ventilador 210Aves que atrapan peces (bio) 212Flamingos sobre una extremidad (bio) 214

Captulo 7Medicin de la distancia angular 218El carrusel y la rapidez rotacional 221Rapidez de una centrfuga 224La centrfuga: separacin de componentes

de la sangre (bio) 225Manejando en un camino curvo 227Discos compactos (CD) y aceleracin angular 229Coccin uniforme en un horno de microondas 230rbita de satlites geosincrnicos 234Exploracin espacial: ayuda de la gravedad 238rbitas satelitales 242Ingravidez (gravedad cero) e ingravidez aparente 244Ingravidez: efectos sobre el cuerpo humano (bio) 245Colonias espaciales y gravedad artificial 246Lanzamiento hacia fuera al tomar una curva 250

xiv

Contenido xv

Caminos peraltados 250Caminatas espaciales 253

Captulo 8Momento de fuerza muscular (bio) 260Mi espalda adolorida (bio) 261No hay momento de fuerza neto: la cruz de hierro (bio) 266Bases rodantes bajas y centro de gravedad de los automviles

de carreras 268El desafo del centro de gravedad (bio) 268Estabilizacin de la Torre Inclinada de Pisa 269Estabilidad en accin 271Momento de fuerza de un yo-yo 276Resbalar o rodar hasta parar? Frenos antibloqueo 281Cantidad de movimiento angular en clavadistas y patinadores

(bio) 283Tornados y huracanes 283Lanzamiento en espiral de un baln de ftbol americano 285Giroscopio 285Precesin del eje de la Tierra 285Rotores de helicpteros 286Dolor de espalda (bio) 288Gimnasia y balance (bio) 288Fuerza muscular (bio) 289Traccin Russell (bio) 290Terapia fsica de rodilla (bio) 290Equilibristas en una cuerda floja 291Rizos en una montaa rusa 294Gato que se cae (bio) 295

Captulo 9Extensin de un hueso (fmur) (bio) 300La osteoporosis y la densidad mineral sea (DMO) (bio) 304Frenos, amortiguadores, elevadores y gatos hidrulicos 307Manmetros, medidores de presin de neumticos

y barmetros 309Un efecto atmosfrico: un posible dolor de odo (bio) 311Medicin de la presin arterial (bio) 312Infusin intravenosa: ayuda de la gravedad (bio) 312Vejigas natatorias de los peces o vejigas de gas (bio) 317Punta del iceberg 318Flujo sanguneo: colesterol y placa (bio) 321Rapidez de la sangre en la aorta (bio) 321Chimeneas y el principio de Bernoulli 322Sustentacin de aviones 322Un chorro de agua 324Los pulmones y el primer aliento del beb (bio) 325Aceites de motor y viscosidad 327Ley de Poiseuille: una transfusin sangunea (bio) 328Una cama de clavos (bio) 331Forma de las torres de agua 331Bebedero para mascotas 332Marca de Plimsoll de cargado seguro 334Mquina de movimiento perpetuo 334Dirigibles 334Automviles de carrera Indy y el tnel Venturi 335Rapidez del flujo sanguneo (bio) 335Flujo sanguneo en la arteria pulmonar (bio) 336Transfusin sangunea (bio) 337Extraccin de sangre (bio) 337

Captulo 10Termmetros y termostatos 340Temperatura del cuerpo humano (bio) 343

Sangre caliente contra sangre fra (bio) 344Brechas de expansin 352Por qu los lagos se congelan primero en la superficie 353La smosis y los riones (bio) 357Difusin fisiolgica en procesos vitales (bio) 357Temperaturas ms alta y ms baja registradas 361Enfriamiento en cirugas a corazn abierto (bio) 361Capacidad pulmonar (bio) 362Difusin gaseosa y la bomba atmica 365

Captulo 11A bajar ese pastel de cumpleaos (bio) 369Calor especfico y quemaduras en la boca (bio) 371Cocinando en el pico Pike 378Mantener los rganos listos para un trasplante (bio) 378Regulacin fisiolgica de la temperatura

corporal (bio) 380Ollas con fondo de cobre 381Aislamiento trmico: prevencin de la prdida de calor 382Fsica, la industria de la construccin y la conservacin

de la energa 384Ciclos de conveccin atmosfrica para el da y la noche 384Valores R 384Conveccin forzada en refrigeradores, en sistemas

de calefaccin y enfriamiento, y en el cuerpo (bio) 385Aislante de espuma de polmero 385Termografa (bio) 387El efecto invernadero (bio) 388Paneles solares 389Proteccin de los rboles frutales durante

las heladas (bio) 389Vestimenta para el desierto 389Botellas termo 389Diseo solar pasivo 390Colectores solares para calefaccin 395

Captulo 12Equilibrio de energa: ejercitarse usando la fsica (bio) 401Cmo no reciclar una lata de aerosol 406Exhalacin: soplo fro o caliente? (bio) 407Mquinas de movimiento perpetuo 410Vida, orden y la segunda ley (bio) 414Eficiencia trmica de las mquinas 416Motores de combustin interna y el ciclo de Otto 417La termodinmica y el cuerpo humano (bio) 420Refrigeradores como bombas trmicas 421Acondicionamiento de aire/bomba de calor: un sistema

ambidextro 422

Captulo 13Amortiguamiento: bsculas domsticas, amortiguadores

y proteccin contra terremotos 446Olas marinas 449Terremotos, ondas ssmicas y sismologa 450Interferencia destructiva: auriculares de los pilotos 452Instrumentos musicales de cuerda 455Afinacin de una guitarra 457Resonancias deseables e indeseables 458Empuje de un columpio en resonancia 459Frecuencias de radio 464

Captulo 14Audicin infrasnica y ultrasnica en animales (bio) 468Sonar 469El ultrasonido en la medicina (bio) 470

xvi Contenido

Sirenas de niebla de baja frecuencia 474La fisiologa y la fsica del odo y de la audicin (bio) 475Proteja sus odos (bio) 480Pulsos e instrumentos de cuerda 484Radar de trfico 488Estampido snico 489Chasquido de un ltigo 489Aplicaciones Doppler: clulas sanguneas y gotas de lluvia

(bio) 490rganos de tubo 492Instrumentos de viento y de metal 493El ultrasonido en el diagnstico mdico (bio) 499El ultrasonido y los delfines (bio) 499Rapidez del sonido en tejidos humanos (bio) 499Tamao del tmpano (bio) 499Frecuencia fundamental del canal auditivo (bio) 503El helio y el efecto de la voz del pato Donald 503

Captulo 15Uso de los semiconductores 508Aplicacin de la carga electrosttica 512Relmpagos y pararrayos 523Campos elctricos en las fuerzas policiacas y en la naturaleza

(bio) 524Seguridad en las tormentas elctricas (ejercicio 70) (bio) 533Campos elctricos en un monitor de computadora 535

Captulo 16Creacin de los rayos X 540La molcula de la agua: la molcula de vida (bio) 542Voltajes comunes (tabla 16.1) 546Desfibriladores cardiacos (bio) 551Potencial elctrico y transmisin de seales nerviosas 552Diseo de teclados de computadora 556Operacin de monitores de computadora (ejercicio 29) 563Transmisin de seales nerviosas (ejercicios 106 y 107) (bio)

567

Captulo 17Operacin de una batera 569Bateras de automviles en operacin 570Riesgos elctricos en una casa 574La biogeneracin de alto voltaje (bio) 575Anlisis de impedancia bioelctrica (AIB) 578Un termmetro elctrico 579Aplicaciones de la superconductividad 579Requerimientos de potencia de electrodomsticos 581Reparacin de electrodomsticos 582Costo de la energa elctrica 583Eficiencia de energa y recursos naturales 583Diversas aplicaciones de electrodomsticos en ejercicios 590

Captulo 18Guirnaldas de luces de los rboles de Navidad 596Flash fotogrfico 606Operacin de circuitos en cmaras fotogrficas (con flash) 606Diseo de un ampermetro 607Aplicaciones de los circuitos RC a la cardiologa (bio) 608Diseo de un voltmetro 610Diseo de un multmetro 610Cableado de circuitos domsticos 611Fusibles y disyuntores 612Seguridad elctrica y tierra (bio) 613Electricidad y seguridad personal (bio) 614

Clavijas polarizadas 614Diversas aplicaciones de circuitos a la medicina

y a la seguridad en ejercicios (bio) 622

Captulo 19Trenes de levitacin magntica 623Tubos de rayos catdicos, osciloscopios, pantallas y monitores

de TV 629Operacin de un espectrmetro de masas 629Propulsin de submarinos mediante magnetohidrodin-

mica 631Operacin de motores de cd 636La bscula electrnica 636Electroimanes y materiales magnticos 642La fuerza magntica en la medicina del futuro (bio) 642El campo magntico de la Tierra y el geomagnetismo 644El magnetismo en la naturaleza (bio) 645Navegacin con brjulas 646Las auroras 647El efecto Hall en ingeniera de estados slidos

(ejercicio 16) 649Piones cargados y el tratamiento contra el cncer (ejercicio 31)

(bio) 650Operacin de timbres y campanillas (ejercicio 41) 651

Captulo 20Corrientes inducidas y riesgos en equipos 661Generadores elctricos 663La induccin electromagntica en el trabajo: linternas

y antiterrorismo 664Generacin de ca a partir las cadas de agua 665Induccin electromagntica en accin: pasatiempos

y transportacin 666Motores de cd 667Transformadores 669Corrientes parsitas en el frenado de tranvas rpidos 671Transmisin de energa elctrica 672Presin de radiacin y exploracin del espacio 675Ondas de potencia y ruido elctrico 675Ondas de radio y TV 676Microondas 677Radiacin IR: lmparas de calor y el efecto invernadero

(bio) 677La luz visible y el ojo humano (bio) 677Luz UV, capa de ozono, quemaduras de sol y cncer

de piel (bio) 677Luz UV y anteojos de vidrio fotogris (bio) 677Rayos X, cinescopios de televisin, aplicaciones mdicas

y tomografa computarizada (bio) 678Funcionamiento de los telfonos antiguos (ejercicio 11) 680Hornos de microondas (ejercicio 84) 684

Captulo 21Sistema elctrico ingls frente al estadounidense 689Circuitos osciladores: emisores de radiacin

electromagntica 699Circuitos de resonancia y sintonizacin de radio 699Radiodifusin en bandas AM y FM 699

Captulo 22Cmo vemos los objetos 706Reflexin difusa y observacin de objetos iluminados 707Una noche oscura y lluviosa 709El ojo humano: refraccin y longitud de onda (bio) 713

Contenido xvii

Espejismos 714Las lentes perfectas y el ndice negativo de refraccin 715Refraccin y percepcin de profundidad 716Efectos atmosfricos 716Brillantez y corte de los diamantes 718Aplicaciones mdicas de las fibras pticas (bio) 720Redes pticas e informacin 720Endoscopios y cardioscopios (bio) 720Prismas de vidrio 721El arco iris 722

Captulo 23Recubrimiento de espejos 730Espejos planos 730Espejos esfricos 732Espejos divergentes en tiendas 732Todo se hace con espejos 733Aberracin esfrica de espejos 740Lentes convergentes 740Lentes divergentes 740Lentes de Fresnel 748Combinacin de lentes 748Potencia de lentes y optometra (bio) 751Aberraciones de lentes 752Espejo retrovisor para da y noche 754Escritura hacia atrs en vehculos de emergencia 754Espejos dobles para manejo 755Geometra del microscopio compuesto 758Autocolimacin 759

Captulo 24Medicin de longitud de onda de la luz 762Interferencia de pelculas de aceite y jabn 765Plumas de pavo real (bio) 766Planos pticos 767Anillos de Newton 767Difraccin del agua alrededor de barreras naturales 768Lentes no reflectantes 768Difraccin alrededor de una hoja de afeitar 769Difraccin y recepcin de radio 770

Rejillas de difraccin 772Difraccin en discos compactos y DVD 773Espectrmetros 773Difraccin de rayos X 774PolaroidMR Y dicrosmo 776Anteojos polarizados y reduccin del resplandor (bio) 779Reduccin del resplandor 780Cristales birrefringentes 781Actividad ptica y tensin 781Las pantallas de cristal lquido y la luz polarizada 783El cielo azul 783Atardeceres y amaneceres rojos 784Marte, el planeta rojo 784Biopsia ptica (bio) 785Interferencia de TV 786

Captulo 25El ojo humano (bio) 793Cmaras simples 793Miopa y lentes de correccin (bio) 795Hipermetropa y lentes de correccin (bio) 795Correccin de la crnea y ciruga (bio) 797Bifocales (bio) 796Astigmatismo y lentes de correccin (bio) 798La lente de aumento (bio) 799El microscopio compuesto (bio) 801Telescopios de refraccin 803Binoculares prismticos 804Telescopios de reflexin 805El telescopio espacial Hubble 807Telescopios para radiacin no visible 808Resolucin del ojo y del telescopio (bio) 809Observacin de la Gran Muralla China desde el espacio? 810Lentes de inmersin en aceite 810Visin del color (bio) 811Pintura y mezcla de pigmentos (bio) 812Filtros fotogrficos 812Ojos rojos en fotografas con flash (bio) 814Los nmeros f de las cmaras 818

Creemos que hay dos metas bsicas en un curso de introduccin a la fsica: 1. ayudar acomprender los conceptos bsicos y 2. habilitar a los estudiantes a utilizar esos concep-tos en la resolucin de una variedad de problemas.

Estas metas estn vinculadas. Queremos que los estudiantes apliquen su com-prensin conceptual conforme resuelven problemas. Por desgracia, los estudiantes amenudo comienzan el proceso de resolucin de problemas buscando una ecuacin.Existe la tentacin de hacer embonar los nmeros en las ecuaciones antes de visualizarla situacin o de considerar los conceptos fsicos que podran utilizarse para resolver elproblema. Adems, los estudiantes pocas veces revisan su respuesta numrica paraver si concuerda con su comprensin de un concepto fsico relevante.

Creemos y los usuarios estn de acuerdo que las fortalezas de este libro detexto son las siguientes:

Base conceptual. Ayudar a los estudiantes a comprender los principios fsicos casi in-variablemente fortalece sus habilidades para resolver problemas. Hemos organizadolas explicaciones e incorporado herramientas pedaggicas para asegurar que la com-prensin de los conceptos conduzca al desarrollo de habilidades prcticas.

Cobertura concisa. Para mantener un enfoque agudo en lo esencial, hemos evitado te-mas de inters marginal. No deducimos relaciones cuando no arrojan luz sobre el prin-cipio en cuestin. Por lo general, es ms importante que los estudiantes en este cursocomprendan lo que una relacin significa y cmo puede utilizarse para comprenderlas tcnicas matemticas o analticas empleadas en obtenerla.

Aplicaciones. Fsica es un texto que se reconoce por la fuerte mezcla de aplicaciones re-lacionadas con la medicina, la ciencia, la tecnologa y la vida diaria de las que se hablatanto en el cuerpo central del texto como en los recuadros A fondo. Al mismo tiempo quela sexta edicin contina incluyendo una amplia gama de aplicaciones, tambin hemosaumentado el nmero de aplicaciones biolgicas y biomdicas, en atencin al alto por-centaje de estudiantes de medicina y de campos relacionados con la salud que tomaneste curso. Una lista completa de aplicaciones, con referencias de pgina, se encuentraen las pginas X a XIII.

La sexta edicinMientras trabajamos para reducir el nmero total depginas en esta edicin, hemos agregado material parafomentar una mayor comprensin de los estudiantes ypara hacer de la fsica una materia ms relevante, inte-resante y memorable para ellos.

Hechos de fsica. Cada captulo comienza con varioshechos de fsica (entre cuatro y seis) acerca de descu-brimientos o fenmenos cotidianos aplicables al temacentral.

Resumen visual. El resumen al final de cada captu-lo incluye representaciones visuales de los conceptosclave, que sirven como recordatorio para los estudian-tes conforme repasan.

xix

Prefacio

xx Prefacio

Integracin de Physlet Physics. Physlets sonaplicaciones basadas en Java, que ilustran conceptos defsica a travs de la animacin. Physlet Physics es un li-bro y un CD-ROM de amplia aceptacin que contienenms de 800 Physlets en tres diferentes formatos: Ilustra-ciones Physlet, Exploraciones Physlet y ProblemasPhyslet. En la sexta edicin de Fsica, los Physlets dePhyslet Physics se denotan con un icono para que los es-tudiantes sepan cundo una explicacin y una anima-cin alternativa estn disponibles para apoyar lacomprensin. El CD-ROM de Physlet Physics se incluyeal adquirir el nuevo libro de texto.

Aplicaciones biolgicas. No slo aumentamos elnmero, sino que tambin ampliamos el alcance de lasaplicaciones biolgicas y biomdicas. Ejemplos de nue-vas aplicaciones biolgicas incluyen el uso de la energacorporal como fuente de potencia, la osteoporosis y ladensidad mineral sea, y la fuerza magntica en la me-dicina del futuro.

Hemos enriquecido las siguientes caractersticaspedaggicas en la sexta edicin:

Aprendizaje mediante dibujos. La visualizacin esuno de los pasos ms importantes en la resolucin deproblemas. En muchos casos, si los estudiantes elaboranun boceto de un problema, son capaces de resolverlo. Laseccin Aprender dibujando ayuda a los estudiantesde manera especfica a hacer cierto tipo de bocetos ygrficas que les darn una comprensin clave en una va-riedad de situaciones de fsica.

Procedimiento sugerido de resolucin de pro-blemas. El apartado 1.7 brinda un esquema de trabajopara pensar acerca de la resolucin de problemas. Estaseccin incluye lo siguiente:

Una panormica de las estrategias de resolucin deproblemas

Un procedimiento de seis pasos que es suficiente-mente general como para aplicarse a la mayora delos problemas en fsica, pero que se utiliza fcil-mente en situaciones especficas

Ejemplos que ilustran con detalle el proceso de re-solucin de problemas y que muestran cmo seaplica en la prctica el procedimiento general

Estrategias de resolucin de problemas y suge-rencias. El tratamiento inicial de la resolucin de pro-blemas se sigue a travs del libro con abundancia desugerencias, consejos, advertencias, atajos y tcnicastiles para resolver tipos especficos de problemas. Es-tas estrategias y sugerencias ayudan a los estudiantes aaplicar principios generales a contexto especficos, ascomo a evadir los escollos y malos entendidos ms co-munes.

Ejemplos conceptuales. Estos ejemplos piden a losestudiantes que piensen acerca de una situacin fsica yque resuelvan conceptualmente una pregunta o que eli-jan la prediccin correcta a partir de un conjunto de re-

Prefacio xxi

sultados posibles, sobre la base de una comprensin de principios relevantes. La expli-cacin que sigue (Razonamiento y respuesta) explica con claridad cmo identificarla respuesta correcta, as como por qu las dems respuestas eran incorrectas.

Ejemplos trabajados. Tratamos de hacer los ejemplos del texto tan claros y detalla-dos como fuera posible. El objetivo no es tan slo mostrar a los estudiantes qu ecua-ciones utilizar, sino tambin explicar la estrategia empleada y el papel de cada paso enel plan general. Se anima a los estudiantes a que aprendan el porqu de cada pasojunto con el cmo. Nuestra meta es brindar un modelo que sirva a los estudiantespara resolver problemas. Cada ejemplo trabajado incluye lo siguiente:

Razonamiento que centra a los estudiantes en el pensamiento y anlisis crticosque deben realizar antes de comenzar a utilizar las ecuaciones.

Dado y Encuentre constituyen la primera parte de cada Solucin para recordar alos alumnos la importancia de identificar lo que se conoce y lo que necesita resol-verse.

Ejercicios de refuerzo al final de cada ejemplo conceptual y de cada ejemplo traba-jado refuerzan la importancia de la comprensin conceptual y ofrecen prcticaadicional. (Las respuestas a los ejercicios de refuerzo se presentan al final del libro.)

Ejemplos integrados. Para reforzar an ms la conexin entre comprensin con-ceptual y resolucin cuantitativa de problemas, hemos desarrollado ejemplos integra-dos para cada captulo. Estos ejemplos se trabajan a travs de una situacin fsica deforma tanto cualitativa como cuantitativa. La parte cualitativa se resuelve seleccionan-do conceptualmente la respuesta correcta a partir de un conjunto de posibles respues-tas. La parte cuantitativa supone una solucin matemtica relacionada con la parteconceptual, demostrando cmo la comprensin conceptual y los clculos numricosvan de la mano.

Ejercicios al final de cada captulo. Cada apartado del material final de los cap-tulos comienza con preguntas de opcin mltiple (OM) para permitir a los estudiantesautoevaluarse rpidamente sobre el tema en cuestin. Luego se presentan preguntas con-ceptuales de respuesta corta (PC) que prueban la comprensin conceptual de los estu-diantes y les piden razonar los principios. Los problemas cuantitativos redondean losejercicios en cada apartado. Fsica incluye respuestas cortas a todos los ejercicios de nme-ro impar (cuantitativos y conceptuales) al final del libro, de manera que los estudiantespueden verificar su comprensin.

Ejercicios apareados. Para animar a los estudiantes a que trabajen los problemaspor s mismos, la mayora de las secciones incluyen por lo menos un conjunto de ejer-cicios apareados que se relacionan con situaciones similares. El primer problema de unpar se resuelve en Student Study Guide and Solutions Manuals; el segundo problema,que explora una situacin similar a la que se present en el primero, slo tiene una res-puesta al final del libro.

Ejercicios integrados. Al igual que los ejemplos integrados en el captulo, los ejer-cicios integrados (EI) piden a los estudiantes resolver un problema cuantitativamente,as como una respuesta a una pregunta conceptual relacionada con el ejercicio. Al res-ponder ambas partes, los estudiantes pueden ver si su respuesta numrica concuerdacon su comprensin conceptual.

Ejercicios adicionales. Para asegurarse de que los estudiantes son capaces de sin-tetizar conceptos, cada captulo concluye con un apartado de ejercicios adicionales ex-trados de todas las secciones del captulo y en ocasiones tambin de los principiosbsicos de captulos anteriores.

Instructor Resource Center on CD-ROM (0-13-149712-X). Este conjunto deCD-ROM, nuevo en esta edicin, ofrece prcticamente todo recurso electrnico que us-ted necesitar en clase. Adems de que podr navegar libremente por los CD para en-contrar los recursos que desea, el software le permitir realizar la bsqueda medianteun catlogo de recursos. Los CD-ROM estn organizados por captulo e incluyen todaslas ilustraciones y tablas de la sexta edicin del libro en formatos JPEG y PowerPoint.Los IRC/CD tambin contienen el generador de pruebas TestGenerator, una poderosaplataforma dual y un software que se puede trabajar en red para crear pruebas que vandesde breves cuestionarios hasta largos exmenes. Las preguntas del Test Item File de lasexta edicin incluyen versiones aleatorizadas, de manera que los profesores tienen

xxii Prefacio

la posibilidad de utilizar el Question Editor para modificar las preguntas o crear nuevas.Los IRC/CD tambin contienen la versin para el profesor de Physlet Physics, esquemasde exposicin para cada captulo en PowerPoint, ConceptTest con preguntas para hacerclick en PowerPoint, archivos de Microsoft Word por captulo de todas las ecuacio-nes numeradas, los 11 videos de demostracin Physics You Can See y versiones en Mi-crosoft Word y PDF de Test Item File, Instructors Solutions Manual, Instructors ResourceManual y los ejercicios al final de los captulos de la sexta edicin de Fsica.

Companion Website con seguimiento del avance(http://www.prenhall.com/wilson)Este sitio Web brinda a los estudiantes y profesores novedosos materiales online parautilizarse con la sexta edicin de Fsica. El Companion Website con seguimiento delavance incluye lo siguiente:

Integracin de Just-in-Time Teaching (JiTT) Warm-Ups, Puzzle, & Applications, dise-ados por Gregor Novak y Andrew Gavrin (Indiana University-Purdue Univer-sity, Indianapolis): preguntas de calentamiento (warm-up) y preguntas derespuesta corta basadas en importantes conceptos presentados en los captulos dellibro. Los puzzles o acertijos son preguntas ms complicadas que a menudo requie-ren integrar ms de un concepto. As, los profesores pueden asignar preguntas decalentamiento como cuestionario de lectura antes de la exposicin en clase sobreese tema, y las preguntas acertijo como tareas de refuerzo despus de la clase. Losmdulos de Applications responden la pregunta para qu sirve la fsica?, alvincular los conceptos de fsica a los fenmenos del mundo real y a los avances enciencia y tecnologa. Cada mdulo de aplicacin contiene preguntas de respuestacorta y preguntas tipo ensayo.

Practice Questions: un mdulo de entre 20 y 30 preguntas de opcin mltiple or-denadas jerrquicamente para repasar cada captulo.

Ranking Task Exercises, editados por Thomas OKuma (Lee College), David Malo-ney (Indiana University-Purdue University, Fort Wayne) y Curtis Hieggelke (JolietJunior College), estos ejercicios conceptuales jerarquizados requieren que los estu-diantes asignen un nmero para calificar diversas situaciones o las posibles va-riantes de una situacin.

Problemas Physlet Physics: Physlets son aplicaciones basadas en Java que ilustranconceptos de fsica mediante la animacin. Physlet Physics incluye un libro de am-plia circulacin y un CD-ROM que contiene ms de 800 Physlets. Los problemasPhyslet son versiones interactivas del tipo de ejercicios que comnmente se asig-nan como tarea para la casa. Problemas jerarquizados de Physlet Physics estn dis-ponibles para que los estudiantes se autoevalen. Para tener acceso a ellos, losestudiantes utilizan su copia de Physlet Physics en CD-ROM, que se incluye juntocon el presente libro.

MCAT Study Guide, por Kaplan Test Prep and Admissions: esta gua ofrece a los es-tudiantes 10 pruebas sobre temas y conceptos comprendidos en el examen MCAT.

Blackboard. Blackboard es una plataforma de software extensa y flexible que ofreceun sistema de administracin del curso, portales institucionales personalizados, co-munidades online y una avanzada arquitectura que permite la integracin de mltiplessistemas administrativos con base en la Web. Entre sus caractersticas estn las si-guientes:

Seguimiento del progreso, administracin de clases y de alumnos, libro de califi-caciones, comunicacin, tareas y herramientas de reporte.

Programas de exmenes que ayudan a los profesores a disear versiones electr-nicas de exmenes y pruebas sobre el contenido de la sexta edicin de Fsica, a ca-lificar automticamente y a llevar un control de los resultados. Todas las pruebaspueden incluirse en el libro de calificaciones para una fcil administracin delcurso.

Herramientas de comunicacin como clase virtual (salas de chat, pizarra, transpa-rencias), documentos compartidos y tableros de avisos.

CourseCompass, manejado por Blackboard. Con el ms elevado nivel de servi-cio, apoyo y capacitacin disponible en la actualidad, CourseCompass combina recursosonline probados y de alta calidad para la sexta edicin de Fsica, con herramientas electr-nicas de administracin de cursos fciles de usar. CourseCompass est diseado para sa-

Prefacio xxiii

tisfacer las necesidades individuales de los profesores, que podrn crear un curso onlinesin contar con habilidades tcnicas o capacitacin especiales. Entre sus caractersticas seencuentran las siguientes:

Gran flexibilidad: los profesores pueden adaptar los contenidos de Prentice Hallpara alcanzar sus propias metas de enseanza, con escasa o ninguna asistencia ex-terna.

Evaluacin, personalizacin, administracin de clase y herramientas de comuni-cacin.

Acceso que slo requiere de hacer clic: los recursos para la sexta edicin de Fsicaestn disponibles a los profesores con un solo clic en el mouse.

Un sistema con apoyo total que libera a los individuos y a las instituciones de gra-vosas cargas como atacar problemas y dar mantenimiento.

WebCt. WebCt ofrece un poderoso conjunto de herramientas que permite a los pro-fesores disear programas educativos prcticos con base en la Web; se trata de recur-sos ideales para enriquecer un curso o para disear uno enteramente online. Lasherramientas del WebCt, integradas con el contenido de la sexta edicin de Fsica, dapor resultado un sistema de enseanza y aprendizaje verstil y enriquecedor. Entre suscaractersticas se encuentran las siguientes:

Monitoreo de pginas y de progreso, administracin de clase y de los alumnos, libro de calificaciones, comunicacin, calendario y herramientas de reporte.

Herramientas de comunicacin que incluyen salas de chat, tableros de avisos, e-mail privado y pizarra.

Herramientas de evaluacin que ayudan a disear y administrar exmenes online,a calificarlos automticamente y a llevar control de los resultados.

WebAssign (http://www.webassign.com). El servicio de entrega de tareas Web-Assign le dar la libertad de disear tareas a partir de una base de datos de ejercicios tomados de la sexta edicin de Fsica, o de escribir y personalizar sus propios ejerci-cios. Usted tendr total control sobre las tareas asignadas a sus alumnos, incluyendofechas de entrega, contenido, retroalimentacin y formatos de preguntas. Entre sus ca-ractersticas destacan las siguientes:

Crea, administra y revisa tareas 24 horas y siete das a la semana. Entrega, recoge, califica y registra tareas de forma instantnea. Ofrece ms ejercicios de prctica, cuestionarios, tareas, actividades de laboratorio

y exmenes. Asigna aleatoriamente valores numricos o frases para crear preguntas nicas. Evala el desempeo de los alumnos para mantenerse al tanto de su progreso in-

dividual. Clasifica frmulas algebraicas de acuerdo con su dificultad matemtica. Capta la atencin de sus alumnos que estn a distancia.

xxiv Prefacio

ReconocimientosLos miembros de AZTEC Billy Younger, Michael LoPresto, David Curott y DanielLottis, as como los excelentes revisores Michael Ottinger y Mark Sprague merecenalgo ms que un agradecimiento especial por su incansable, puntual y muy concienzu-da revisin de este libro.

Docenas de otros colegas, que se listan ms adelante, nos ayudaron a encontrar losmtodos para lograr que esta sexta edicin fuera una mejor herramienta de aprendiza-je para los estudiantes. Estamos en deuda con ellos por sus atentas sugerencias y crti-cas constructivas, las cuales beneficiaron ampliamente el texto.

Estamos muy agradecidos con la editorial y con el equipo de produccin de Prenti-ce Hall, entre quienes mencionamos a Erick Fahlgren, Editor Sponsor; Heather Scott, Di-rector de Arte; Christian Botting, Editor Asociado; y Jessica Berta, Asistente Editorial. Enparticular los autores quieren destacar la excelente labor de Simone Lukashov, Editor deProduccin: sus amable, profesional y alegre supervisin hizo que el proceso para publi-car este libro fuera eficiente y hasta placentero. Adems, agradecemos a Karen Karlin,Editora de Desarrollo de Prentice Hall, por su valiosa ayuda en la parte editorial.

Asimismo, yo (Tonny Buffa) de nueva cuenta extiendo mis agradecimientos a miscoautores, Jerry Wilson y Bo Lou, por su entusiasta participacin y su enfoque profe-sional para trabajar en esta edicin. Como siempre, varios de mis colegas en Caly Polynos brindaron su tiempo y sus fructferos anlisis. Entre ellos, menciono a los profeso-res Joseph Boone, Ronald Brown y Theodore Foster. Mi familia mis esposa Connie, ymis hijas Jeanne y Julie fueron, como siempre, una fuerza de apoyo continua y grati-ficante. Tambin agradezco el apoyo de mi padre, Anthony Buffa y de mi ta DorothyAbbott. Por ltimo debo un reconocimiento a mis alumnos por contribuir con sus ex-celentes ideas en los ltimos aos.

Finalmente nos gustara motivar a todos los usuarios este libro estudiantes yprofesores a que nos transmitan cualesquiera sugerencias que tengan para mejorar-lo. En verdad esperamos recibirlas.

Jerry D. [email protected]

Anthony J. [email protected]

Bo [email protected]

Revisores de la sexta edicin:David AaronSouth Dakota State University

E. Daniel AkpanumohHouston Community College,Southwest

Ifran AzeemEmbry-Riddle AeronauticalUniversity

Raymond D. BengeTarrant County College

Frederick BinghamUniversity of North Carolina,Wilmington

Timothy C. BlackUniversity of North Carolina,Wilmington

Mary BolewareJones County Junior College

Art BraundmeierSouthern Illinois University,Edwardsville

Michael L. BroylesCollin County Community College

Debra L. BurrisOklahoma City Community College

Jason DonavUniversity of Puget Sound

Robert M. DrosdPortland Community College

Bruce EmersonCentral Oregon Community College

Milton W. FergusonNorfolk State University

Phillip GilmourTri-County Technical College

Allen GrommetEast Arkansas Community College

Brian HinderliterNorth Dakota State University

Ben Yu-Kuang HuUniversity of Akron

Porter JohnsonIllinois Institute of Technology

Andrew W. KerrUniversity of Findlay

Jim KetterLinn-Benton Community College

Terrence MaherAlamance Community College

Kevin McKoneCopiah Lincoln Community College

Kenneth L. MenningenUniversity of Wisconsin, Stevens Point

Michael MikhaielPassaic County Community College

Ramesh C. MisraMinnesota State University,Mankato

Sandra MoffetLinn Benton Community College

Michael OttingerMissouri Western State College

James PalmerUniversity of Toledo

Kent J. PriceMorehead State University

Salvatore J. RodanoHarford Community College

John B. RossIndiana University-PurdueUniversity, Indianapolis

Terry ScottUniversity of Northern Colorado

Rahim SetoodehMilwaukee Area Technical College

Martin ShinglerLakeland Community College

Mark SpragueEast Carolina State University

Steven M. StinnettMcNeese State University

John UnderwoodAustin Community College

Tristan T. UtschigLewis-Clark State College

Steven P. WellsLouisiana Technical University

Christopher WhiteIllinois Institute of Technology

Anthony ZablePortland Community College

John ZelinskyCommunity College of BaltimoreCounty, Essex

Prefacio xxv

Revisores de ediciones anterioresWilliam AchorWestern Maryland College

Alice Hawthorne AllenVirginia Tech

Arthur AltCollege of Great Falls

Zaven AltounianMcGill University

Frederick AndersonUniversity of Vermont

Charles BaconFerris State College

Ali BadakhshanUniversity of Northern Iowa

Anand BatraHoward University

Michael BergerIndiana University

William BerresWayne State University

James BorgardtJuniata College

Hugo BorjaMacomb Community College

Bennet BrabsonIndiana University

Jeffrey BraunUniversity of Evansville

Michael BrowneUniversity of Idaho

David BushnellNorthern Illinois University

Lyle CampbellOklahoma Christian University

James CarrollEastern Michigan State University

Aaron ChesirLucent Technologies

Lowell ChristensenAmerican River College

Philip A. ChuteUniversity of WisconsinEau Claire

Robert CoakleyUniversity of Southern Maine

Lawrence ColemanUniversity of CaliforniaDavis

Lattie F. CollinsEast Tennessee State University

Sergio ConettiUniversity of Virginia,Charlottesville

James CookMiddle Tennessee State University

David M. CordesBelleville Area Community College

James R. CrawfordSouthwest Texas State University

William DabbyEdison Community College

Purna DasPurdue University

J. P. DavidsonUniversity of Kansas

Donald DayMontgomery College

Richard DelaneyCollege of Aeronautics

James EllingsonCollege of DuPage

Donald ElliottCarroll College

Arnold FeldmanUniversity of Hawaii

John FlahertyYuba College

Rober J. FoleyUniversity of WisconsinStout

Lewis FordTexas A&M University

Donald FosterWichita State University

Donald R. FranceschettiMemphis State University

Frank GaevITT Technical InstituteFt.Lauderdale

Rex GandyAuburn University

Simon GeorgeCalifornia StateLong Beach

Barry GilbertRhode Island College

Richard GrahmRicks College

Tom J. GrayUniversity of Nebraska

Douglas Al HarringtonNortheastern State University

Gary HastingsGeorgia State University

Xiaochun HeGeorgia State University

J. Erik HendricksonUniversity of WisconsinEau Claire

Al HilgendorfUniversity of WisconsinStout

Joseph M. HoffmanFrostburg State University

Andy HollermanUniversity of Louisiana, Layfayette

Jacob W. HuangTowson University

Randall JonesLoyola University

Omar Ahmad KarimUniversity of NorthCarolinaWilmington

S. D. KavianiEl Camino College

Victor KehITT Technical InstituteNorwalk,California

John KennyBradley University

James KettlerOhio University, Eastern Campus

Dana KlinckHillsborough Community College

Chantana LaneUniversity of TennesseeChattanooga

Phillip LaroeCarroll College

Rubin LaudanOregon State University

Bruce A. LaytonMississippi Gulf Coast CommunityCollege

R. Gary LaytonNorthern Arizona University

Kevin LeeUniversity of Nebraska

Paul LeeCalifornia State University,Northridge

Federic LiebrandWalla Walla College

Mark LindsayUniversity of Louisville

Bryan LongColumbia State Community College

Michael LoPrestoHenry Ford Community College

Dan MacIsaacNorthern Arizona University

Robert MarchUniversity of Wisconsin

Trecia MarkesUniversity of NebraskaKearney

Aaron McAlexanderCentral Piedmont CommunityCollege

William McCorkleWest Liberty State University

John D. McCullenUniversity of Arizona

Michael McGieCalifornia State UniversityChico

Paul MorrisAbilene Christian University

Gary MottaLassen College

J. Ronald MowreyHarrisburg Area Community College

Gerhard MullerUniversity of Rhode Island

K. W. NicholsonCentral Alabama CommunityCollege

Erin OConnorAllan Hancock College

Anthony PituccoGlendale Community College

William PollardValdosta State University

R. Daryl PedigoAustin Community College

T. A. K. PillaiUniversity of WisconsinLa Crosse

Darden PowersBaylor University

Donald S. PreselUniversity ofMassachusettsDartmouth

E. W. ProhofskyPurdue University

Dan R. QuisenberryMercer University

W. Steve QuonVentura College

David RafaelleGlendale Community College

George RaineyCalifornia State PolytechnicUniversity

Michael RamSUNYBuffalo

William RileyOhio State University

William RolnickWayne State University

Robert RossUniversity of DetroitMercy

Craig RottmanNorth Dakota State University

Gerald RoyceMary Washington College

Roy RubinsUniversity of Texas, Arlington

Sid RudolphUniversity of Utah

Om RustgiBuffalo State College

Anne SchmiedekampPennsylvania StateUniversityOgontz

Cindy SchwarzVassar College

xxvi Prefacio

Ray SearsUniversity of North Texas

Mark SemonBates College

Bartlett SheinbergHouston Community College

Jerry ShiPasadena City College

Peter ShullOklahoma State University

Thomas SillsWilbur Wright College

Larry SilvaAppalachian State University

Michael SimonHousatonic Community TechnicalCollege

Christopher SirolaTri-County Technical College

Gene SkluzacekSt. Petersburg College

Soren P. SorensenUniversity of TennesseeKnoxville

Ross SpencerBrigham Young University

Dennis W. SucheckiSan Diego Mesa College

Frederick J. ThomasSinclair Community College

Jacqueline ThorntonSt. Petersburg Junior College

Anthony TrippeITT Technical InstituteSan Diego

Gabriel UmerahFlorida CommunityCollegeJacksonville

Lorin Vant-HullUniversity of Houston

Pieter B. VisscherUniversity of Alabama

Karl VoglerNorthern Kentucky University

John WalkupCalifornia Polytechnic StateUniversity

Arthur J. WardNashville State Technical Institute

Larry WeinsteinOld Dominion University

John C. WellsTennessee Technical University

Arthur WigginsOakland Community College

Kevin WilliamsITT Technical InstituteEarth City

Linda WinklerAppalachian State University

Jeffery WraggCollege of Charleston

Rob WylieCarl Albert State University

John ZelinskySouthern Illinois University

Dean ZollmanKansas State University

La tradicin cuenta que en el siglo XII, el reyEnrique I de Inglaterra decret que la yardadebera ser la distancia desde la punta de sureal nariz a su dedo pulgar teniendo el brazoextendido. (Si el brazo del rey Enrique hu-biera sido 3.37 pulgadas ms largo, la yarday el metro tendran la misma longitud.)

La abreviatura para la libra, lb, proviene de la palabra latina libra, que era una unidad romana de peso aproximadamente igual auna libra actual. La palabra equivalente en ingls pound viene del latn pondero, quesignifica pesar. Libra tambin es un signodel zodiaco y se simboliza con una balanza(que se utiliza para pesar).

Thomas Jefferson sugiri que la longitud deun pndulo con un periodo de un segundo se utilizara como la medida estndar de lon-gitud.

Es verdadero el antiguo refrn Una pinta es una libra en todo el mundo? Todo depen-de de qu se est hablando. El refrn es unabuena aproximacin para el agua y otros lquidos similares. El agua pesa 8.3 libras por galn, de manera que la octava parte deesa cantidad, o una pinta, pesa 1.04 libras.

Pi (), la razn entre la circunferencia de un crculo y su dimetro, es siempre el mis-mo nmero sin importar el crculo del que se est hablando. Pi es un nmero irracional;esto es, no puede escribirse como la raznentre dos nmeros enteros y es un decimalinfinito, que no sigue un patrn de repeticin.Las computadoras han calculado en mi-les de millones de dgitos. De acuerdo con el Libro Guinness de los Rcords (2004), se ha calculado en 1 241 100 000 000 luga-res decimales.

Medicin y resolucinde problemas

CA

PT

UL

O

HECHOS DE FSICA

1

1

Es primero y 10? Es necesario medir, como en muchas otras cuestionesde nuestra vida. Las mediciones de longitud nos dicen qu distanciahay entre dos ciudades, qu estatura tienes y, como en esta imagen, si se lleg o no al primero y 10. Las mediciones de tiempo nos dicen cunto faltapara que termine la clase, cundo inicia el semestre o el trimestre y qu edad tienes. Los frmacos que tomamos cuando estamos enfermos se dan en dosis medidas. Muchas vidas dependen de diversas mediciones realizadas por mdi-cos, tcnicos especialistas y farmacuticos para el diagnstico y tratamiento deenfermedades.

Las mediciones nos permiten calcular cantidades y resolver problemas. Lasunidades tambin intervienen en la resolucin de problemas. Por ejemplo, al de-terminar el volumen de una caja rectangular, si mide sus dimensiones en pulga-das, el volumen tendra unidades de pulg3 (pulgadas cbicas); si se mide encentmetros, entonces seran cm3 (centmetros cbicos). Las mediciones y la reso-lucin de problemas forman parte de nuestras vidas. Desempean un papel esen-cialmente importante en nuestros intentos por describir y entender el mundofsico, como veremos en este captulo. Pero primero veamos por qu se debe es-tudiar la fsica (A fondo 1.1).

1.1 Por qu y cmomedimos 2

1.2 Unidades SI de longi-tud, masa y tiempo 3

1.3 Ms acerca del sistema mtrico 7

1.4 Anlisis de unidades 101.5 Conversin de

unidades 121.6 Cifras significativas 171.7 Resolucin de

problemas 20

2 CAPTULO 1 Medicin y resolucin de problemas

1.1 Por qu y cmo medimos

OBJETIVOS: Distinguir entre unidades estndar y sistemas de unidades.

Imagine que alguien le est explicando cmo llegar a su casa. Le servira de algo quele dijeran: Tome la calle Olmo durante un rato y d vuelta a la derecha en uno de lossemforos. Luego siga de frente un buen tramo? O le agradara tratar con un bancoque le enviara a fin de mes un estado de cuenta que indicara: Todava tiene algo dedinero en su cuenta, pero no es mucho?

Medir es importante para todos nosotros. Es una de las formas concretas en queenfrentamos el mundo. Este concepto resulta crucial en fsica. La fsica se ocupa de des-cribir y entender la naturaleza, y la medicin es una de sus herramientas fundamentales.

Hay formas de describir el mundo fsico que no implican medir. Por ejemplo, po-dramos hablar del color de una flor o un vestido. Sin embargo, la percepcin del colores subjetiva: puede variar de una persona a otra. De hecho, muchas personas pade-cen daltonismo y no pueden distinguir ciertos colores. La luz que captamos tambinpuede describirse en trminos de longitudes de onda y frecuencias. Diferentes longitu-des de onda estn asociadas con diferentes colores debido a la respuesta fisiolgica denuestros ojos ante la luz. No obstante, a diferencia de las sensaciones o percepciones delcolor, las longitudes de onda pueden medirse. Son las mismas para todos. En otras palabras, las mediciones son objetivas. La fsica intenta describir la naturaleza de forma objetiva usando mediciones.

1.1 POR QU ESTUDIAR FSICA?A FONDOLa pregunta por qu estudiar fsica? viene a la mente de mu-chos alumnos durante sus estudios universitarios. La verdad esque probablemente existen tantas respuestas como estudiantes,al igual que sucede con otras materias. Sin embargo, las pre-guntas podran agruparse en varias categoras generales, queson las siguientes.

Tal vez usted no pretenda convertirse en un fsico, peropara los especialistas en esta materia la respuesta es obvia. Laintroduccin a la fsica provee los fundamentos de su carrera.La meta fundamental de la fsica es comprender de dnde pro-viene el universo, cmo ha evolucionado y cmo lo sigue ha-ciendo, as como las reglas (o leyes) que rigen los fenmenosque observamos. Estos estudiantes utilizarn su conocimientode la fsica de forma continua durante sus carreras. Como unejemplo de la investigacin en fsica, considere la invencindel transistor, a finales de la dcada de 1940, que tuvo lugar enun rea especial de la investigacin conocida como fsica delestado slido.

Quizs usted tampoco pretenda convertirse en un ingenieroespecialista en fsica aplicada. Para ellos, la fsica provee el funda-mento de los principios de ingeniera utilizados para resolverproblemas tecnolgicos (aplicados y prcticos). Algunos de es-tos estudiantes tal vez no utilicen la fsica directamente en suscarreras; pero una buena comprensin de la fsica es fundamen-tal en la resolucin de los problemas que implican los avancestecnolgicos. Por ejemplo, despus de que los fsicos inventa-ron el transistor, los ingenieros desarrollaron diversos usos para ste. Dcadas ms tarde, los transistores evolucionaronhasta convertirse en los modernos chips de computadora, queen realidad son redes elctricas que contienen millones de ele-mentos diminutos de transistores.

Es ms probable que usted quiera ser un especialista en tec-nologa o en ciencias biolgicas (mdico, terapeuta fsico, mdicoveterinario, especialista en tecnologa industrial, etc.). En estecaso, la fsica le brindar un marco de comprensin de los prin-cipios relacionados con su trabajo. Aunque las aplicaciones delas leyes de la fsica tal vez no sean evidentes de forma inmedia-ta, comprenderlas ser una valiosa herramienta en su carrera. Siusted se convierte en un profesional de la medicina, por ejem-plo, se ver en la necesidad de evaluar resultados de IRM (imge-nes de resonancia magntica), un procedimiento habitual en laactualidad. Le sorprendera saber que las IRM se basan en unfenmeno fsico llamado resonancia magntica nuclear, que des-cubrieron los fsicos y que an se utiliza para medir las pro-piedades nucleares y del estado slido?

Si usted es un estudiante de una especialidad no tcnica, elrequisito de fsica pretende darle una educacin integral; estoes, le ayudar a desarrollar la capacidad de evaluar la tecnolo-ga en el contexto de las necesidades sociales. Por ejemplo, qui-z tenga que votar en relacin con los beneficios fiscales parauna fuente de produccin de energa, y en ese caso usted que-rra evaluar las ventajas y las desventajas de ese proceso. O qui-zs usted se sienta tentado a votar por un funcionario que tieneun slido punto de vista en torno al desecho del material nu-clear. Sus ideas son cientficamente correctas? Para evaluarlas,es indispensable tener conocimientos de fsica.

Como podr darse cuenta, no hay una respuesta nica a lapregunta por qu estudiar fsica? No obstante, sobresale unasunto primordial: el conocimiento de las leyes de la fsica ofre-ce un excelente marco para su carrera y le permitir compren-der el mundo que le rodea, o simplemente, le ayudar a ser unciudadano ms consciente.

1.2 Unidades SI de longitud, masa y tiempo 3

Unidades estndarLas mediciones se expresan en valores unitarios o unidades. Seguramente usted ya sabe que se emplea una gran variedad de unidades para expresar valores medidos. Algunas de las primeras unidades de medicin, como el pie, se referan originalmente a partes del cuerpo humano. (Incluso en la actualidad el palmo seutiliza para medir la alzada de los caballos. Un palmo equivale a 4 pulgadas.) Si una unidad logra aceptacin oficial, decimos que es una unidad estndar. Tradi-cionalmente, un organismo gubernamental o internacional establece las unidadesestndar.

Un grupo de unidades estndar y sus combinaciones se denomina sistema de unidades. Actualmente se utilizan dos sistemas principales de unidades: el sistemamtrico y el sistema ingls. Este ltimo todava se usa ampliamente en Estados Uni-dos; aunque prcticamente ha desaparecido en el resto del mundo, donde se susti-tuy por el sistema mtrico.

Podemos usar diferentes unidades del mismo sistema o unidades de sistemas distintos para describir la misma cosa. Por ejemplo, expresamos nuestra estatura enpulgadas, pies, centmetros, metros o incluso millas (aunque esta unidad no sera muyconveniente). Siempre es posible convertir de una unidad a otra, y hay ocasiones enque son necesarias tales conversiones. No obstante, lo mejor, y sin duda lo ms prc-tico, es trabajar de forma consistente dentro del mismo sistema de unidades, como veremos ms adelante.

1.2 Unidades SI de longitud, masa y tiempo

OBJETIVOS: a) Describir SI y b) especificar las referencias de las tres principales cantidades base en ese sistema.

La longitud, la masa y el tiempo son cantidades fsicas fundamentales que describenmuchas cantidades y fenmenos. De hecho, los temas de la mecnica (el estudio delmovimiento y las fuerzas) que se cubren en la primera parte de este libro tan slorequieren estas cantidades fsicas. El sistema de unidades que los cientficos usan para representar stas y otras cantidades se basa en el sistema mtrico.

Histricamente, el sistema mtrico fue consecuencia de propuestas para tener un sistema ms uniforme de pesos y medidas hechas, que se dieron en Francia duran-te los siglos XVII y XVIII. La versin moderna del sistema mtrico se llama sistema inter-nacional de unidades, que se abrevia oficialmente SI (del francs Systme Internationaldes Units).

El SI incluye cantidades base y cantidades derivadas, que se describen con unidadesbase y unidades derivadas, respectivamente. Las unidades base, como el metro y el kilogramo, se representan con estndares. Las cantidades que se pueden expresar en trminos de combinaciones de unidades base se llaman unidades derivadas. (Pensemos en cmo solemos medir la longitud de un viaje en kilmetros; y el tiem-po que toma el viaje, en horas. Para expresar la rapidez con que viajamos, usamos la unidad derivada de kilmetros por hora, que representa distancia recorrida por uni-dad de tiempo, o longitud por tiempo.)

Uno de los refinamientos del SI fue la adopcin de nuevas referencias estndar para algunas unidades base, como las de longitud y tiempo.

LongitudLa longitud es la cantidad base que usamos para medir distancias o dimensiones en el espacio. Por lo general decimos que longitud es la distancia entre dos puntos. Sinembargo, esa distancia depender de cmo se recorra el espacio entre los puntos, que podra ser con una trayectoria recta o curva.

La unidad SI de longitud es el metro (m). El metro se defini originalmente como1/10 000 000 de la distancia entre el Polo Norte y el ecuador a lo largo de un meridia-


a)

1 m1 m = distancia que la luz recorre en el

vaco en 1/299 792 458 s

LONGITUD: METRO

Ecuador

Barcelona

DunquerquePars

Polo Norte

3015

330

4560

7510 000 000 m

0345

0

b)

FIGURA 1.1 El estndar de longitud del SI: el metro a) El metro se definioriginalmente como 1/10 000 000 de la distancia entre el Polo Norte y el ecuador a lo largo de un meridiano que pasa por Pars, del cual se midi una porcin entreDunquerque y Barcelona. Se construy una barra metlica (llamada metro de los archivos)como estndar. b) El metro se define actualmente en trminos de la velocidad de la luz.

* Note que este libro y la mayora de los fsicos han adoptado la prctica de escribir los nmerosgrandes separando grupos de tres dgitos con un espacio fino: por ejemplo, 10 000 000 (no 10,000,000).Esto se hace para evitar confusiones con la prctica europea de usar la coma como punto decimal. Por ejemplo, 3.141 en Mxico se escribira 3,141 en Europa. Los nmeros decimales grandes, como0.537 84, tambin podran separarse, por consistencia. Suelen usarse espacios en nmeros que tienenms de cuatro dgitos antes o despus del punto decimal.

no que pasaba por Pars ( figura 1.1a).* Se estudi una porcin de este meridiano, entre Dunquerque, Francia y Barcelona, Espaa, para establecer la longitud estndar, a la que se asign el nombre metre, del vocablo griego metron, que significa una medida. (La ortografa espaola es metro.) Un metro mide 39.37 pulgadas, poco ms de una yarda.

La longitud del metro se conserv en un principio en forma de un estndar fsico: la distancia entre dos marcas en una barra de metal (hecha de una aleacin deplatino-iridio) que se guard en condiciones controladas y posteriormente se llammetro de los archivos. Sin embargo, no es conveniente tener un estndar de referen-cia que cambia con las condiciones externas, como la temperatura. En 1983, el metrose redefini en trminos de un estndar ms exacto, una propiedad de la luz que no vara: la longitud del trayecto recorrido por la luz en el vaco durante un inter-valo de 1/299 792 458 de segundo (figura 1.1b). En otras palabras, la luz viaja 299 792 458 metros en un segundo, y la velocidad de la luz en el vaco se define comoc 299 792 458 m/s (c es el smbolo comn para la velocidad de la luz). Observe que el estndar de longitud hace referencia al tiempo, que se puede medir con granexactitud.

MasaLa masa es la cantidad base con que describimos cantidades de materia. Cuanto ma-yor masa tiene un objeto, contendr ms materia. (Veremos ms anlisis de la masa en los captulos 4 y 7.)

La unidad de masa en el SI es el kilogramo (kg), el cual se defini originalmenteen trminos de un volumen especfico de agua; aunque ahora se remite a un estndarmaterial especfico: la masa de un cilindro prototipo de platino-iridio que se guarda en la Oficina Internacional de Pesos y Medidas en Svres, Francia (Nfigura 1.2). Esta-dos Unidos tiene un duplicado del cilindro prototipo. El duplicado sirve como referen-cia para estndares secundarios que se emplean en la vida cotidiana y en el comercio.Es posible que a final de cuentas el kilogramo se vaya a remitir a algo diferente de unestndar material.

a)

b)

MASA: KILOGRAMO

0.10 m

0.10 m0.10 m

agua

1.2 Unidades SI de longitud, masa y tiempo 5

Quizs usted haya notado que en general se usa la frase pesos y medidas en vez demasas y medidas. En el SI, la masa es una cantidad base; pero en el sistema ingls se pre-fiere usar el peso para describir cantidades de masa, por ejemplo, peso en libras en vezde masa en kilogramos. El peso de un objeto es la atraccin gravitacional que la Tierraejerce sobre el objeto. Por ejemplo, cuando nos pesamos en una bscula, nuestro pesoes una medida de la fuerza gravitacional descendente que la Tierra ejerce sobre noso-tros. Podemos usar el peso como una medida de la masa porque, cerca de la superficieterrestre, la masa y el peso son directamente proporcionales entre s.

No obstante, tratar el peso como una cantidad base crea algunos problemas. Unacantidad base debera tener el mismo valor en cualquier parte. Esto se cumple para lamasa: un objeto tiene la misma masa, o cantidad de materia, est donde est. Sin em-bargo, no se cumple para el peso. Por ejemplo, el peso de un objeto en la Luna es menorque su peso en la Tierra. Ello se debe a que la Luna tiene una masa menor que la de laTierra y, por ello, la atraccin gravitacional que la Luna ejerce sobre un objeto (es decir,el peso del objeto) es menor que la que ejerce la Tierra. Es decir, un objeto con ciertacantidad de masa tiene un peso dado en la Tierra, aunque en la Luna la misma canti-dad de masa pesara cuando mucho cerca de una sexta parte. Asimismo, el peso de unobjeto vara segn los diferentes planetas.

Por ahora, tengamos presente que en un lugar especfico, como la superficie de latierra, el peso est relacionado con la masa, pero no son lo mismo. Puesto que el peso de unobjeto que tiene cierta masa vara dependiendo del lugar donde est, resulta muchoms til tomar la masa como cantidad base, como en el SI. Las cantidades base debe-ran mantenerse constantes independientemente de dnde se midan, en condicionesnormales o estndar. La distincin entre masa y peso se explicar ms a fondo en uncaptulo posterior. Hasta entonces, nos ocuparemos bsicamente de la masa.

TiempoEl tiempo es un concepto difcil de definir. Una definicin comn es que el tiempo esel flujo continuo de sucesos hacia adelante. Este enunciado no es tanto una definicinsino una observacin de que nunca se ha sabido que el tiempo vaya hacia atrs, como sucedera cuando vemos una pelcula en que el proyector funciona en reversa.A veces se dice que el tiempo es una cuarta dimensin que acompaa a las tres di-mensiones del espacio (x, y, z, t), de tal manera que si algo existe en el espacio, tambin existe en el tiempo. En cualquier caso, podemos usar sucesos para tomar mediciones del tiempo. Los sucesos son anlogos a las marcas en un metro que se utilizan para medir longitudes. (Vase A fondo 1.2 sobre qu es el tiempo?)

La unidad SI del tiempo es el segundo (s). Originalmente se us el reloj so-lar para definir el segundo. Un da solar es el intervalo de tiempo que transcurre entre dos cruces sucesivos de la misma lnea de longitud (meridiano) efectuados porel Sol. Se fij un segundo como 1/86 400 de este da solar aparente (1 da 24 h 1440 min 86 400 s). Sin embargo, el trayecto elptico que sigue la Tierra en torno al Sol hace que vare la duracin de los das solares aparentes.

Para tener un estndar ms preciso, se calcul un da solar promedio a partir dela duracin de los das solares aparentes durante un ao solar. En 1956, el segundo se remiti a ese da solar medio. Sin embargo, el da solar medio no es exactamente el mismo en todos los periodos anuales, a causa de las variaciones menores en los movimientos terrestres y a la lenta disminucin de su tasa de rotacin originada porla friccin de las mareas. Por ello, los cientficos siguieron buscando algo mejor.

En 1967, un estndar atmico se adopt una mejor referencia. El segundo se defi-ni en trminos de la frecuencia de radiacin del tomo de cesio 133. Este reloj at-mico usaba un haz de tomos de cesio para mantener el estndar de tiempo, con unavariacin de aproximadamente un segundo cada 300 aos. En 1999 se adopt otro reloj atmico de cesio 133, el reloj atmico de fuente que, como su nombre indica, sebasa en la frecuencia de radiacin de una fuente de tomos de cesio, en vez de un haz ( figura 1.3). La variacin de este reloj es de menos de un segundo cada 20 mi-llones de aos!*

* Se est desarrollando un reloj an ms preciso: el reloj atmico totalmente ptico, as llama-do porque utiliza tecnologa lser y mide el intervalo de tiempo ms corto jams registrado, que es 0.000 01. El nuevo reloj no utiliza tomos de cesio, sino un solo ion enfriado de mercurio lquido vinculado a un oscilador lser. La frecuencia del ion de mercurio es 100 000 veces ms alta que la de los tomos de cesio, de ah lo corto y preciso del intervalo de tiempo.

FIGURA 1.2 El estndar de masadel SI: el kilogramo a) El kilogramose defini originalmente en trminosde un volumen especfico de agua,un cubo de 0.10 m por lado, con lo que se asoci el estndar de masa con el estndar de longitud. b) Ahora el kilogramo estndar sedefine con un cilindro metlico. El prototipo internacional del kilogramo se conserva en la OficinaFrancesa de Pesos y Medidas. Se le fabric en la dcada de 1880con una aleacin de 90% platino y 10% iridio. Se han producido copias para usarse como prototiposnacionales de 1 kg, uno de los cuales es el estndar de masa de Estados Unidos, que se guarda en el Instituto Nacional de Normas y Tecnologa (NIST) en Gaitherburg, MD.

A FONDO


1 s = 9 192 631 770 oscilaciones Detector deradiacin a)

Una oscilacin de frecuencia

b)

Cesio 133

1.2 Qu es el tiempo?

Durante siglos, la pregunta qu es el tiempo? ha generado de-bates, y las respuestas a menudo han tenido un carcter filo-sfico. Pero la definicin del tiempo todava resulta evasiva en cierto grado. Si a usted se le pidiera definir el tiempo o explicarlo, qu dira? Las definiciones generales parecen untanto vagas. Por lo comn, decimos:

El tiempo es el flujo continuo y hacia delante de los su-cesos.

Otras ideas en torno al tiempo incluyen las siguientes.Platn, el filsofo griego observaba:

El Sol, la Luna y los planetas fueron creados para de-finir y preservar los nmeros del tiempo.

San Agustn tambin ponderaba el tiempo:

Qu es el tiempo? Si nadie pregunta, lo s; si quiero ex-plicarlo a quien pregunta, no lo s.

Marco Aurelio, el filsofo y emperador romano, escribi:

El tiempo es una especie de ro de los hechos que suceden,y su corriente es fuerte.

El Sombrerero Loco, el personaje de Alicia en el pas de las mara-villas, de Lewis Carroll, crea saber lo que era el tiempo:

Si t conocieras el Tiempo tan bien como yo, no hablaras dedesperdiciarlo Ahora, si tan slo estuvieras en buenos tr-minos con l, hara casi cualquier cosa que t quisieras con

el reloj. Por ejemplo, supn que fueran las nueve de la ma-ana, la hora de comenzar las clases; slo tendras que susu-rrar una indicacin al Tiempo, y all ira el rel

Fisica Wilson Buffa Lou

Documents

Transcript of Fisica Wilson Buffa Lou