FISICA WILSON BUFFA LOU SEXTA EDICION SOLUCIONARIO: Descubre el libro de física de Wilson, Buffa y L

2. SEXTA EDICINFSICA 3. SEXTA EDICINFSICAJerry D. WilsonLanderUniversity Greenwood, SC Anthony J. Buffa California PolytechnicState UniversitySan Luis Obispo, CABo Lou Ferris StateUniversityBig Rapids, MI TRADUCCIN Ma. de Lourdes Amador AraujoTraductora profesional REVISIN TCNICA Alberto Lima SnchezPreparatoria de la Universidad La Salle 4. Datos de catalogacinbibliogrficaWILSON, JERRY; ANTHONY J. BUFA; BO LOUFsica. SextaedicinPEARSON EDUCACIN, Mxico, 2007 ISBN: 978-970-26-0851-6Formato:21 27 cmPginas: 912Authorized translation from the English Languageedition, entitled College Physics, Sixth Edition by Jerry D.Wilson, Anthony J. Buffa andBo Lou, published by Pearson EducationInc., publishing as PRENTICE HALL INC., Copyright 2007. All rightsreserved.ISBN 0-13-149579-8Versin en espaol de la obra tituladaCollege Physics, Sexta edicin, de Jerry D. Wilson, Anthony J. Buffay Bo Lou, publicadaoriginalmente en ingls por Pearson EducationInc., publicada como PRENTICE HALL INC., Copyright 2007. Todoslosderechos reservados.Esta edicin en espaol es la nicaautorizada.Edicin en espaolEditor: Enrique Quintanar Duartee-mail:[email protected] de desarrollo: FelipeHernndez CarrascoSupervisor de produccin: Enrique TrejoHernndezEdicin en inglsSenior Editor: Erik Fahlgren ManagingEditor, Art Management: Abigail BassAssociate Editor: ChristianBottingArt Editor: Eric DayEditor in Chief, Science: Dan KaveneyArtStudio: ArtWorksExecutive Managing Editor: Kathleen SchiaparelliImage Coordinator: Cathy MazzuccaAssistant Managing Editor: BethSweetenMgr Rights & Permissions: Zina ArabiaManufacturingBuyer: Alan FischerPhoto Researchers: Alexandra Truitt & JerryMarshallManufacturing Manager: Alexis Heydt-Long Research Manager:Beth BrenzelDirector of Creative Services: Paul Belfanti Interiorand Cover Design: Tamara NewnamCreative Director: Juan LpezCoverImage: Greg Epperson/Index Stock ImageryArt Director: HeatherScottManaging Editor, Science Media: Nicole JacksonDirector ofMarketing, Science: Patrick LynchMedia Production Editors: WilliamWells, Dana DunnMedia Editor: Michael J. RichardsEditorialAssistant: Jessica BertaSenior Managing Editor, Art Production andManagement: Production Assistant: Nancy Bauer PatriciaBurnsProduction Supervision/Composition: Prepare, Inc.Manager,Production Technologies: Matthew HaasSEXTA EDICIN, 2007D.R. 2007por Pearson Educacin de Mxico, S.A. de C.V. Atlacomulco Nm. 500, 5Piso Col. Industrial Atoto 53519, Naucalpan de Jurez, Edo. deMxicoCmara Nacional de la Industria Editorial Mexicana. Reg. Nm.1031.Prentice Hall es una marca registrada de Pearson Educacin deMxico, S.A. de C.V.Reservados todos los derechos. Ni la totalidadni parte de esta publicacin pueden reproducirse, registrarse otransmitirse, por un sistemade recuperacin de informacin, enninguna forma ni por ningn medio, sea electrnico, mecnico,fotoqumico, magntico oelectroptico, por fotocopia, grabacin ocualquier otro, sin permiso previo por escrito del editor.Elprstamo, alquiler o cualquier otra forma de cesin de uso de esteejemplar requerir tambin la autorizacin del editor o desusrepresentantes.ISBN 10: 970-26-0851-1ISBN 13:978-970-26-0851-6Impreso en Mxico. Printed in Mexico.1 2 3 4 5 6 78 9 0 - 10 09 08 5. acerca de los autoresJerry D. Wilson naci enOhio y es profesor emrito de fsica y ex director de la Divisin deCien-cias Fsicas y Biolgicas de Lander University en Greenwood,Carolina del Sur. Recibi el grado delicenciado en ciencias de laUniversidad de Ohio, el grado de maestro en ciencias del UnionColle-ge y, en 1970, el grado de doctor en fsica de la Universidadde Ohio. Obtuvo el grado de maestroen ciencias mientras trabajabacomo fsico especialista en el comportamiento de materiales. Cuandoestudiaba el doctorado, el profesor Wilson inici su carrera docenteimpartiendo cursosde fsica. Durante ese tiempo, fue coautor de untexto de fsica, del que actualmente circula la und-cima edicin. Encombinacin con su carrera docente, el profesor Wilson ha continuadocon su la-bor de escribir libros, y es autor o coautor de seistextos. Aunque actualmente se ha retirado comoprofesor de tiempocompleto, contina escribiendo libros y artculos. Actualmenteescribe la colum-na titulada The Curiosity Corner, que se publicasemanalmente en peridicos locales y que tambinse encuentradisponible en Internet.Anthony J. Buffa recibi el grado delicenciado en ciencias fsicas del RensselaerPolytechnic Instituteen Troy, Nueva York, y el grado de doctor en fsica de laUni-versidad de Illinois, en Urbana-Champaign. En 1970, el profesorBuffa se incorporal cuerpo docente de California Polytechnic StateUniversity, en San Luis Obispo. Seretir recientemente y ahora esmaestro de medio tiempo en Cal Poly, como profe-sor emrito defsica. Ha realizado trabajos de investigacin en fsica nuclear endi-ferentes laboratorios de aceleradores de partculas, incluido elLAMPF en Los Ala-mos National Laboratory. Trabaj como investigadorasociado en el departamentode radioanaltica durante 16 aos. Elprincipal inters del profesor Buffa sigue siendo la docencia. En elCal Poly ha impartido cursos que van des-de la introduccin a lafsica hasta la mecnica cuntica; tambin desarroll y supervisnumerosos experimentos delaboratorio e imparti cursos de fsica alos profesores de primaria y secundaria en los talleres organizadospor la Na-tional Science Foundation (NSF). Combinando la fsica consu inters por el arte y la arquitectura, el doctor Buffa rea-lizatrabajo artstico y hace sus propios dibujos, que utiliza parareforzar la efectividad de su labor en la enseanzade la fsica.Adems de continuar en la docencia, durante su retiro parcial, l ysu esposa tratan de viajar ms y espe-ran disfrutar de sus nietosdurante mucho tiempo. Bo Lou es profesor de fsica en Ferris StateUniversity en Michigan. Sus responsabilidades primor- diales comodocente son impartir cursos de introduccin a la fsica y delaboratorio en el nivel de licenciatura. El profesor Lou enfatizala importancia de la comprensin conceptual de las leyes y losprincipios bsicos de la fsica y de sus aplicaciones prcticas almundo real. Tambin es un de- fensor entusiasta del uso de latecnologa en la enseanza y el aprendizaje.El profesor Lou recibilos grados de licenciado y de maestro en ciencias en ingenieraptica de la Universidad de Zhejiang, en China, en 1982 y 1985,respectivamente, y el grado de doctor en fsica en el campo demateria condensada de la Universidad Emory en 1989.El doctor Lou,su esposa Lingfei y su hija Alina residen actualmente en BigRapids, Michigan. La familia Lou disfruta de los viajes, lanaturaleza y el tenis.vii 6. contenido abreviadoPrefacioXIX17Corriente elctrica y resistencia568 18 Circuitos elctricos bsicos591Parte Uno: Mecnica19 Magnetismo6231Medicin y resolucin deproblemas1 20 Induccin y ondas electromagnticas6562Cinemtica:descripcin del movimiento 32 21 Circuitos de corrientealterna6863Movimiento en dos dimensiones 674Fuerza y movimiento 103Parte Cinco: ptica5Trabajo y energa 140 22 Reflexin y refraccin dela luz 7056Cantidad de movimiento lineal 23 Espejos y lentes 729 ychoques 177 24 ptica fsica: la naturaleza ondulatoria7 Movimientocircular y gravitacional 216 de la luz 7608 Movimiento rotacional yequilibrio25625 La visin y los instrumentos pticos 7929 Slidos yfluidos 297 ApndicesParte Dos: TermodinmicaI Repaso de matemticas(con ejemplos) para10 Temperatura y teora cintica 338Fsica A-111Calor 367II Teora cintica de los gasesA-512 Termodnamica 397 IIIDatos planetariosA-6 IV Lista alfabtica de elementos qumicosA-7Parte Tres: Oscilaciones y movimientoV Propiedades de istoposseleccionados A-7ondulatorioRespuestas a los ejercicios derefuerzoA-1013 Vibraciones y ondas433Respuestas a los ejercicioscon nmero impar A-1714 Sonido 467 ndice I-1Parte Cuatro:Electricidad ymagnetismo15 Cargas, fuerzas y campos elctricos50516Potencial elctrico, energa y capacitancia 536viii 7.ContenidoPrefacio XIX4 FUERZA Y MOVIMIENTO1034.1 Los conceptos defuerza y fuerza neta 1041 Medicin y resolucin4.2 Inercia y laprimera ley de Newtonde problemas 1del movimiento 105A fondo:1.1Por qu estudiar fsica? 2 4.3 Segunda ley de Newton del movimiento1061.1 Por qu y cmo medimos 2A fondo: 4.1 Gravedades (g) de fuerzay efectos1.2 Unidades SI de longitud, masa y tiempo 3sobre elcuerpo humano 108A fondo: 1.2 Qu es el tiempo? 6 4.4 Tercera ley deNewton del movimiento 1121.3 Ms acerca del sistema mtrico 7A fondo:4.2 Navegando contra el viento: virada 1151.4 Anlisis de unidades10 4.5 Ms acerca de las leyes de Newton: diagramas1.5 Conversin deunidades 12 de cuerpo libre y equilibrio traslacional 116A fondo:1.3 Es importante la conversin APRENDER DIBUJANDO: Fuerzas sobre unobjeto en unde unidades? 16 plano inclinado y diagramas1.6 Cifrassignificativas 17de cuerpo libre 1161.7 Resolucin de problemas204.6 Friccin 121Repaso del captulo 24Ejercicios 25 Repaso delcaptulo 130 Ejercicios 1315TRABAJO Y ENERGA 1405.1 Trabajoefectuado por una fuerza constante 141APRENDER DIBUJANDO: Trabajo:rea bajo la curva de F contra x 142APRENDER DIBUJANDO: Cmodeterminar el signo del trabajo 1435.2 Trabajo efectuado por unafuerza variable 1455.3 El teorema trabajo-energa: energa cintica1485.4 Energa potencial 1525.5 Conservacin de la energa 1552CINEMTICA: DESCRIPCIN A fondo: 5.1 La potencia de la gente: el usode laDEL MOVIMIENTO 32 energa del cuerpo 1562.1 Distancia yrapidez: cantidades escalares 33APRENDER DIBUJANDO: Intercambio deenerga: una2.2 Desplazamiento unidimensional y velocidad: pelotaque cae 161cantidades vectoriales 35 5.6 Potencia 164APRENDERDIBUJANDO: Coordenadas cartesianas A fondo: 5.2 Conversin de energahbrida 164 y desplazamiento Repaso del captulo 168Ejercicios 169unidimensional 352.3 Aceleracin 406Cantidad de movimientolinealAPRENDER DIBUJANDO: Signos de la velocidad y choques 177 y laaceleracin 422.4 Ecuaciones de cinemtica6.1 Cantidad de movimientolineal 178(aceleracin constante) 456.2 Impulso 1822.5 Cada libre49A fondo: 2.1 Galileo Galilei y la Torre Inclinadade Pisa 51Repasodel captulo 56 Ejercicios 573 MOVIMIENTO EN DOS DIMENSIONES673.1Componentes del movimiento 683.2 Suma y resta de vectores73APRENDER DIBUJANDO: Diagrame y sume 803.3 Movimiento deproyectiles 813.4 Velocidad relativa 90Repaso del captulo 94Ejercicios 95 ix 8. x Contenido6.3 Conservacin de la cantidad demovimiento 9 SLIDOS Y FLUIDOS297lineal 1859.1 Slidos y mdulos deelasticidad 298A fondo: 6.1 Las bolsas de aire del automvil 9.2Fluidos: presin y el principio de Pascal 302y las bolsas de aire enMarte 186 A fondo: 9.1 La osteoporosis y la densidad mineral6.4Choques elsticos e inelsticos 191 sea (DMO) 3046.5 Centro de masa198A fondo: 9.2 Un efecto atmosfrico: posible dolor6.6 Propulsin achorro y cohetes 204 de odo 311Repaso del captulo 207 Ejercicios207A fondo: 9.3 Medicin de la presin arterial 3129.3 Flotabilidad yel principio de Arqumedes 3137 MOVIMIENTO CIRCULAR 9.4 Dinmica defluidos y ecuacin de Bernoulli 319Y GRAVITACIONAL 216*9.5 Tensinsuperficial, viscosidad y ley7.1 Medicin angular 217de Poiseuille3247.2 Rapidez y velocidad angulares 219 A fondo: 9.4 Los pulmonesy el primer alientoAPRENDER DIBUJANDO: La aproximacin de ngulo delbeb 325 pequeo 219Repaso del captulo 329 Ejercicios 3307.3Movimiento circular uniforme y aceleracincentrpeta 22310Temperatura y teora cintica 338A fondo: 7.1 La centrfuga:separacin10.1 Temperatura y calor 339de componentes de la sangre22510.2 Las escalas de temperatura Celsius7.4 Aceleracin angular228 y Fahrenheit 3407.5 Ley de la gravitacin de Newton 231A fondo:10.1 Temperatura del cuerpo humano 343A fondo: 7.2 Exploracinespacial: ayuda10.3 Leyes de los gases, temperatura absolutade lagravedad 238 y la escala de temperatura Kelvin 3437.6 Leyes deKepler y satlites terrestres 238A fondo: 10.2 Sangre calientecontra sangre fra 344A fondo: 7.3 Ingravidez: efectos sobre elcuerpo10.4 Expansin trmica 350humano 245APRENDER DIBUJANDO:Expansin trmica de rea 351Repaso del captulo 247Ejercicios 248 10.5La teora cintica de los gases 354A fondo: 10.3 Difusin fisiolgicaen procesos8 MOVIMIENTO ROTACIONALvitales 357Y EQUILIBRIO 256 *10.6Teora cintica, gases diatmicos8.1 Cuerpos rgidos, traslaciones yrotaciones 257 y teorema de equiparticin 3578.2 Momento de fuerza,equilibrio y estabilidad 259 Repaso del captulo 360 Ejercicios3618.3 Dinmica rotacional 270A fondo: 8.1 Estabilidad en accin27111 calor3678.4 Trabajo rotacional y energa cintica 27711.1Definicin y unidades de calor 3688.5 Cantidad de movimiento angular28011.2 Calor especfico y calorimetra 370A fondo: 8.2 Resbalar orodar hasta parar? Frenos11.3 Cambios de fase y calor latente374antibloqueo 281APRENDER DIBUJANDO: De hielo fro a vaporRepasodel captulo 287Ejercicios 288caliente 37711.4 Transferencia decalor 379A fondo: 11.1 Regulacin fisiolgica de latemperaturacorporal 380A fondo: 11.2 Fsica, la industria de laconstrucciny la conservacin de la energa 384A fondo: 11.3 El efectoinvernadero 388Repaso del captulo 390Ejercicios 391 9.Contenidoxi12 Termodinmica 39714.6 Instrumentos musicales ycaractersticas12.1 Sistemas, estados y procesosdel sonido 491termodinmicos 398Repaso del captulo 496 Ejercicios 49812.2 Primeraley de la termodinmica 39912.3 Procesos termodinmicos para un gasideal 403APRENDER DIBUJANDO: Apoyarse en isotermas 40915 Cargas,fuerzas y campos12.4 Segunda ley de la termodinmicaelctricos 505 yentropa 410 15.1Carga elctrica 506A fondo: 12.1 Vida, orden y lasegunda ley 41415.2Carga electrosttica 50812.5 Mquinas de calor ybombas trmicas 41415.3Fuerza elctrica 512APRENDER DIBUJANDO:Representacin del trabajo15.4Campo elctrico 517 en ciclos trmicos415APRENDER DIBUJANDO: Uso del principio de superpo-A fondo: 12.2La termodinmica y el cuerposicin para determinarhumano 420ladireccin del campo12.6 Ciclo de Carnot y mquinas de calorelctrico518 ideales 422 APRENDER DIBUJANDO: Trazado de lneaselctricasRepaso del captulo 425 Ejercicios 426de fuerza 521 Afondo: 15.1 Relmpagos y pararrayos 52313 VIBRACIONES Y ONDAS433Afondo: 15.2 Campos elctricos en las fuerzas13.1 Movimiento armnicosimple 434 policiacas y en la naturaleza: armasAPRENDER DIBUJANDO:Oscilacin en un pozo parablicoparalizantes y peces elctricos 524 depotencia 437 15.5 Conductores y campos elctricos 52613.2 Ecuacionesde movimiento 439 *15.6 Ley de Gauss para campos elctricos:13.3Movimiento ondulatorio 446 un enfoque cualitativo 52813.4Propiedades de las ondas 449Repaso del captulo 529 Ejercicios 530Afondo: 13.1 Terremotos, ondas ssmicas y sismologa 45013.5 Ondasestacionarias y resonancia 454 16 POTENCIAL ELCTRICO, ENERGAAfondo: 13.2 Resonancias deseables e indeseables 458Y CAPACITANCIA536 16.1 Energa potencial elctrica y diferenciaRepaso del captulo459 Ejercicios 460de potencial elctrico 537 APRENDER DIBUJANDO: Ves independiente del puntode referencia 538 16.2 Superficiesequipotenciales y el campoelctrico 543 APRENDER DIBUJANDO: Relacingrfica entre lneasde campo elctrico yequipotenciales 547 16.3Capacitancia 549 A fondo: 16.1 Potencial elctrico y transmisindeseales nerviosas 552 16.4 Dielctricos 552 16.5 Condensadores enserie y en paralelo 557 Repaso del captulo 561Ejercicios 56214Sonido 46714.1 Ondas sonoras 468 17 Corriente elctrica yresistencia568A fondo: 14.1 El ultrasonido en la medicina 47014.2La rapidez del sonido 471 17.1 Bateras y corriente directa 56914.3Intensidad del sonido y nivel de intensidad APRENDER DIBUJANDO:Dibujo de circuitos 571 del sonido 47417.2 Corriente y velocidad dederiva 571A fondo: 14.2 La fisiologa y la fsica del odo 17.3Resistencia y ley de Ohm 573y de la audicin 475 A fondo: 17.1 Labiogeneracin de alto voltaje 57514.4 Fenmenos acsticos 481 A fondo:17.2 Anlisis de impedancia bioelctrica14.5 El efecto Doppler484(AIB) 578A fondo: 14.3 Aplicaciones Doppler:17.4 Potenciaelctrica 580clulas sanguneas y gotas de lluvia 490 Repaso delcaptulo 585 Ejercicios 586 10. xii Contenido18 Circuitos elctricosbsicos 591 20 Induccin y ondas18.1 Combinaciones de resistencias enserie, electromagnticas 656 en paralelo y en serie-paralelo 59220.1Fem inducida: ley de Faraday y ley de Lenz 65718.2 Circuitos demltiples mallas20.2 Generadores elctricos y contra fem 663 y reglasde Kirchhoff 599A fondo: 20.1 La induccin electromagntica enelAPRENDER DIBUJANDO: Diagramas de Kirchhoff: unatrabajo: linternasy antiterrorismo 664 interpretacin grfica del teorema A fondo: 20.2Induccin electromagntica en accin: de la malla de Kirchhoff602pasatiempos y transportacin 66618.3 Circuitos RC 604 20.3Transformadores y transmisin de energa 66818.4 Ampermetros yvoltmetros 607 20.4 Ondas electromagnticas 672A fondo: 18.1Aplicaciones de los circuitos RCRepaso del captulo 679Ejercicios679a la cardiologa 60818.5 Circuitos domsticos y seguridad elctrica611 21 Circuitos de corrienteA fondo: 18.2 Electricidad y seguridadpersonal 614 alterna 686Repaso del captulo 615Ejercicios61621.1Resistencia en un circuito de ca 68721.2Reactanciacapacitiva 68921.3Reactancia inductiva 69121.4Impedancia: circuitoRLC 69321.5Resonancia en circuitos 697A fondo: 21.1 Circuitososciladores: emisores de radiacin electromagntica 699Repaso delcaptulo 700 Ejercicios 70122 Reflexin y refraccin de la luz 70522.1Frentes de onda y rayos 70622.2 Reflexin 70722.3 Refraccin708APRENDER DIBUJANDO: Trazado de los rayosreflejados 708A fondo:22.1 Una noche oscura y lluviosa 709A fondo: 22.2 Las lentesperfectas y el ndicenegativo de refraccin 71522.4 Reflexin internatotal y fibras pticas 717A fondo: 22.3 Aplicaciones mdicas de lasfibraspticas 72019 Magnetismo 623 22.5 Dispersin 72119.1 Imanes,polos magnticos y direccin A fondo: 22.4 El arco iris 722 del campomagntico 624Repaso del captulo 723 Ejercicios 72419.2 Intensidaddel campo magntico y fuerza magntica 62619.3 Aplicaciones:partculas cargadas en campos magnticos 62919.4 Fuerzas magnticassobre conductores con corriente elctrica 63219.5 Aplicaciones:conductores con corriente en campos magnticos 63519.6Electromagnetismo: la fuente de los campos magnticos 63719.7Materiales magnticos 641A fondo: 19.1 La fuerza magntica en lamedicinadel futuro 642 *19.8 Geomagnetismo: el campo magnticoterrestre 644A fondo:19.2 El magnetismo en la naturaleza 645Repasodel captulo 647Ejercicios 648 11. Contenidoxiii23 Espejos ylentes729APRENDER DIBUJANDO: Tres polarizadores (vase el23.1Espejos planos 730 Ejemplo integrado 24.6) 77823.2 Espejos esfricos732 *24.5 Dispersin atmosfrica de la luz 782A fondo: 23.1 Todo sehace con espejos 733A fondo: 24.2 Las pantallas de cristallquidoAPRENDER DIBUJANDO: Diagramas de rayos y la luz polarizada783para un espejo (vase A fondo: 24.3 Biopsia ptica 785el ejemplo23.2) 734Repaso del captulo 785Ejercicios 78623.3 Lentes740APRENDER DIBUJANDO: Diagrama de rayos para lentes 25 La visin ylos instrumentos(vase el ejemplo 23.5) 743 pticos 792A fondo: 23.2Lentes de Fresnel 74823.4 La ecuacin del fabricante de lentes 75025.1 El ojo humano 793 *23.5 Aberraciones de las lentes 752 Afondo:25.1 Correccin de la crnea y ciruga 79725.2 Microscopios799Repaso del captulo 753 Ejercicios 75425.3 Telescopios 80325.4Difraccin y resolucin 807A fondo: 25.2 Telescopios para radiacinnovisible 808 *25.5 Color 810Repaso del captulo 813 Ejercicios814APNDICE I Repaso de matemticas (con ejemplos) para FsicaA-1APNDICE II Teora cintica de los gases A-5APNDICE III Datosplanetarios A-6APNDICE IV Lista alfabtica de elementos qumicos24ptica fsica: la naturaleza(la tabla peridica aparece al ondulatoriade la luz 760 final del libro) A-724.1 El experimento de Young dela dobleAPNDICE V Propiedades de istopos rendija 761 seleccionadosA-724.2 Interferencia en pelculas delgadas 764Respuestas a losejercicios de refuerzo R-10A fondo: 24.1 Lentes no reflectantes768Respuestas a los ejercicios con nmero24.3 Difraccin 768 imparR-1724.4 Polarizacin 775 ndice I-1 12. APRENDERDIBUJANDOCoordenadas cartesianas y desplazamiento Uso del principiode superposicin paraunidimensional 35 determinar la direccin delcampo elctrico 518Signos de la velocidad y la aceleracin 42 Trazadode lneas elctricas de fuerza 521Diagrame y sume 80 V esindependiente del punto de referencia 538Fuerzas sobre un objeto enun plano inclinadoRelacin grfica entre lneas de campo elctricoydiagramas de cuerpo libre 116 y equipotenciales 547Trabajo: reabajo la curva de F contra x 142Dibujo de circuitos 571Cmodeterminar el signo del trabajo 143 Diagramas de Kirchhoff: unainterpretacin grficaIntercambio de energa: una pelota que cae161del teorema de la malla de Kirchhoff 602Aproximacin de ngulopequeo 219 Trazado de los rayos reflejados 708Expansin trmica derea 351Diagrama de rayos para espejos (vase elDe hielo fro a vaporcaliente 377ejemplo 23.2) 734Apoyarse en isotermas 409Diagrama derayos para lentes (vase el EjemploRepresentacin del trabajo enciclos trmicos 415 integrado 24.6) 778Oscilacin en un pozoparablico de potencia 437 Tres polarizadores (vase el Ejemplointegrado 24.6) 778Aplicaciones [Las secciones A fondo aparecen ennegritas; (bio) indica una aplicacin biomdica]Captulo 1 Captulo5Por qu estudiar fsica? 2La potencia de la gente: el uso de laenerga del cuerpo 156Sistema de capilares (bio) 11Conversin deenerga hbrida 164Es importante la conversin de unidades? 16 Motoresy potencia 166Extraccin de sangre (bio) 23Levantamiento de pesas(bio) 169Cuntos glbulos rojos hay en la sangre? (bio) 24 Captulo6Longitud de los capilares (bio) 14, 27 Cmo atrapar una bola rpida184Sistema circulatorio (bio) 27 Fuerza de impulso y lesionescorporales (bio) 184Ritmo cardiaco (bio) 28 Un follow-through enlos deportes 185Glbulos rojos (bio) 28 La bolsa de aire delautomvil y las bolsas de aireEtiquetas de productos e informacinnutricional (bio) 30en Marte 186Glbulos blancos y plaquetas (bio)30 Centro de masa en un atleta de salto de altura 204Cabello humano(bio) 30 Propulsin a chorro (bio) 204Captulo 2 Retroceso de unrifle 205Cada libre en la Luna 50Empuje de un cohete 205GalileoGalilei y la Torre Inclinada de Pisa 51Empuje en reversa de losaviones a reaccin 206Tiempo de reaccin (bio) 53Golpe de karate209Cada libre en Marte 56Propulsin de lanchas mediante ventilador210La Torre Taipei 101 65 Aves que atrapan peces (bio) 212Captulo 3Flamingos sobre una extremidad (bio) 214Resistencia del aire yalcance 88Captulo 7El salto ms largo (bio) 88Medicin de ladistancia angular 218Reabastecimiento de combustible en el aire91El carrusel y la rapidez rotacional 221Captulo 4 Rapidez de unacentrfuga 224Gravedades (g) de fuerza y efectos sobre el cuerpohumanoLa centrfuga: separacin de componentes (bio) 108de la sangre(bio) 225Navegando contra el viento: virada 115 Manejando en uncamino curvo 227Traccin de las piernas (bio) 119Discos compactos(CD) y aceleracin angular 229De puntillas (bio) 120 Coccin uniformeen un horno de microondas 230Friccin (neumticos de los automvilesde carrera) 122rbita de satlites geosincrnicos 234Resistencia delaire 128 Exploracin espacial: ayuda de la gravedad 238Paracaidismoy velocidad terminal 129rbitas satelitales 242Aerofrenado129Ingravidez (gravedad cero) e ingravidez aparente 244Fuerza deabatimiento y automviles de carrera 137 Ingravidez: efectos sobreel cuerpo humano (bio) 245Neumticos para automviles de carrera y depasajeros 137Colonias espaciales y gravedad artificial 246Descensopor una pendiente 138 Lanzamiento hacia fuera al tomar una curva250xiv 13. Contenido xvCaminos peraltados 250 Sangre calientecontra sangre fra (bio) 344Caminatas espaciales 253 Brechas deexpansin 352 Por qu los lagos se congelan primero en la superficie353Captulo 8 La smosis y los riones (bio) 357Momento de fuerzamuscular (bio) 260 Difusin fisiolgica en procesos vitales (bio)357Mi espalda adolorida (bio) 261 Temperaturas ms alta y ms bajaregistradas 361No hay momento de fuerza neto: la cruz de hierro(bio) 266 Enfriamiento en cirugas a corazn abierto (bio) 361Basesrodantes bajas y centro de gravedad de los automviles Capacidadpulmonar (bio) 362 de carreras 268 Difusin gaseosa y la bombaatmica 365El desafo del centro de gravedad (bio) 268Estabilizacinde la Torre Inclinada de Pisa 269 Captulo 11Estabilidad en accin271A bajar ese pastel de cumpleaos (bio) 369Momento de fuerza de unyo-yo 276Calor especfico y quemaduras en la boca (bio) 371Resbalaro rodar hasta parar? Frenos antibloqueo 281Cocinando en el picoPike 378Cantidad de movimiento angular en clavadistas ypatinadoresMantener los rganos listos para un trasplante (bio) 378(bio) 283 Regulacin fisiolgica de la temperaturaTornados yhuracanes 283corporal (bio) 380Lanzamiento en espiral de un baln deftbol americano 285 Ollas con fondo de cobre 381Giroscopio 285Aislamiento trmico: prevencin de la prdida de calor 382Precesin deleje de la Tierra 285 Fsica, la industria de la construccin y laconservacinRotores de helicpteros 286 de la energa 384Dolor deespalda (bio) 288 Ciclos de conveccin atmosfrica para el da y lanoche 384Gimnasia y balance (bio) 288 Valores R 384Fuerza muscular(bio) 289Conveccin forzada en refrigeradores, en sistemasTraccinRussell (bio) 290de calefaccin y enfriamiento, y en el cuerpo (bio)385Terapia fsica de rodilla (bio) 290Aislante de espuma de polmero385Equilibristas en una cuerda floja 291Termografa (bio) 387Rizosen una montaa rusa 294El efecto invernadero (bio) 388Gato que secae (bio) 295Paneles solares 389 Proteccin de los rboles frutalesduranteCaptulo 9las heladas (bio) 389Extensin de un hueso (fmur)(bio) 300Vestimenta para el desierto 389La osteoporosis y ladensidad mineral sea (DMO) (bio) 304 Botellas termo 389Frenos,amortiguadores, elevadores y gatos hidrulicos 307 Diseo solarpasivo 390Manmetros, medidores de presin de neumticos Colectoressolares para calefaccin 395y barmetros 309Un efecto atmosfrico: unposible dolor de odo (bio) 311Captulo 12Medicin de la presinarterial (bio) 312Equilibrio de energa: ejercitarse usando la fsica(bio) 401Infusin intravenosa: ayuda de la gravedad (bio) 312 Cmo noreciclar una lata de aerosol 406Vejigas natatorias de los peces ovejigas de gas (bio) 317 Exhalacin: soplo fro o caliente? (bio)407Punta del iceberg 318Mquinas de movimiento perpetuo 410Flujosanguneo: colesterol y placa (bio) 321Vida, orden y la segunda ley(bio) 414Rapidez de la sangre en la aorta (bio) 321 Eficienciatrmica de las mquinas 416Chimeneas y el principio de Bernoulli322Motores de combustin interna y el ciclo de Otto 417Sustentacinde aviones 322La termodinmica y el cuerpo humano (bio) 420Un chorrode agua 324Refrigeradores como bombas trmicas 421Los pulmones y elprimer aliento del beb (bio) 325Acondicionamiento de aire/bomba decalor: un sistemaAceites de motor y viscosidad 327 ambidextro422Ley de Poiseuille: una transfusin sangunea (bio) 328 Captulo13Una cama de clavos (bio) 331 Amortiguamiento: bsculas domsticas,amortiguadoresForma de las torres de agua 331y proteccin contraterremotos 446Bebedero para mascotas 332 Olas marinas 449Marca dePlimsoll de cargado seguro 334Terremotos, ondas ssmicas y sismologa450Mquina de movimiento perpetuo 334 Interferencia destructiva:auriculares de los pilotos 452Dirigibles 334 Instrumentos musicalesde cuerda 455Automviles de carrera Indy y el tnel Venturi 335Afinacin de una guitarra 457Rapidez del flujo sanguneo (bio)335Resonancias deseables e indeseables 458Flujo sanguneo en laarteria pulmonar (bio) 336 Empuje de un columpio en resonancia459Transfusin sangunea (bio) 337Frecuencias de radio 464Extraccinde sangre (bio) 337 Captulo 14Captulo 10Audicin infrasnica yultrasnica en animales (bio) 468Termmetros y termostatos 340Sonar469Temperatura del cuerpo humano (bio) 343El ultrasonido en lamedicina (bio) 470 14. xviContenidoSirenas de niebla de bajafrecuencia 474 Clavijas polarizadas 614La fisiologa y la fsica delodo y de la audicin (bio) 475Diversas aplicaciones de circuitos ala medicinaProteja sus odos (bio) 480 y a la seguridad enejercicios (bio) 622Pulsos e instrumentos de cuerda 484 Captulo19Radar de trfico 488 Trenes de levitacin magntica 623Estampidosnico 489 Tubos de rayos catdicos, osciloscopios, pantallas ymonitoresChasquido de un ltigo 489de TV 629Aplicaciones Doppler:clulas sanguneas y gotas de lluvia Operacin de un espectrmetro demasas 629(bio) 490 Propulsin de submarinos mediantemagnetohidrodin-rganos de tubo 492mica 631Instrumentos de viento yde metal 493 Operacin de motores de cd 636El ultrasonido en eldiagnstico mdico (bio) 499 La bscula electrnica 636El ultrasonido ylos delfines (bio) 499 Electroimanes y materiales magnticos642Rapidez del sonido en tejidos humanos (bio) 499 La fuerzamagntica en la medicina del futuro (bio) 642Tamao del tmpano (bio)499 El campo magntico de la Tierra y el geomagnetismo 644Frecuenciafundamental del canal auditivo (bio) 503 El magnetismo en lanaturaleza (bio) 645El helio y el efecto de la voz del pato Donald503 Navegacin con brjulas 646Captulo 15Las auroras 647Uso de lossemiconductores 508 El efecto Hall en ingeniera de estadosslidosAplicacin de la carga electrosttica 512 (ejercicio 16)649Relmpagos y pararrayos 523Piones cargados y el tratamientocontra el cncer (ejercicio 31)Campos elctricos en las fuerzaspoliciacas y en la naturaleza(bio) 650 (bio) 524 Operacin detimbres y campanillas (ejercicio 41) 651Seguridad en las tormentaselctricas (ejercicio 70) (bio) 533 Captulo 20Campos elctricos en unmonitor de computadora 535 Corrientes inducidas y riesgos enequipos 661Captulo 16Generadores elctricos 663Creacin de los rayosX 540La induccin electromagntica en el trabajo: linternasLa molculade la agua: la molcula de vida (bio) 542 y antiterrorismo664Voltajes comunes (tabla 16.1) 546Generacin de ca a partir lascadas de agua 665Desfibriladores cardiacos (bio) 551Induccinelectromagntica en accin: pasatiemposPotencial elctrico ytransmisin de seales nerviosas 552y transportacin 666Diseo deteclados de computadora 556Motores de cd 667Operacin de monitoresde computadora (ejercicio 29) 563 Transformadores 669Transmisin deseales nerviosas (ejercicios 106 y 107) (bio)Corrientes parsitas enel frenado de tranvas rpidos 671 567 Transmisin de energa elctrica672 Presin de radiacin y exploracin del espacio 675Captulo 17Ondasde potencia y ruido elctrico 675Operacin de una batera 569 Ondas deradio y TV 676Bateras de automviles en operacin 570 Microondas677Riesgos elctricos en una casa 574 Radiacin IR: lmparas de calory el efecto invernaderoLa biogeneracin de alto voltaje (bio)575(bio) 677Anlisis de impedancia bioelctrica (AIB) 578La luzvisible y el ojo humano (bio) 677Un termmetro elctrico 579Luz UV,capa de ozono, quemaduras de sol y cncerAplicaciones de lasuperconductividad 579 de piel (bio) 677Requerimientos de potenciade electrodomsticos 581Luz UV y anteojos de vidrio fotogris (bio)677Reparacin de electrodomsticos 582Rayos X, cinescopios detelevisin, aplicaciones mdicasCosto de la energa elctrica 583 ytomografa computarizada (bio) 678Eficiencia de energa y recursosnaturales 583 Funcionamiento de los telfonos antiguos (ejercicio11) 680Diversas aplicaciones de electrodomsticos en ejercicios 590Hornos de microondas (ejercicio 84) 684Captulo 18Captulo21Guirnaldas de luces de los rboles de Navidad 596Sistema elctricoingls frente al estadounidense 689Flash fotogrfico 606Circuitososciladores: emisores de radiacinOperacin de circuitos en cmarasfotogrficas (con flash) 606electromagntica 699Diseo de unampermetro 607 Circuitos de resonancia y sintonizacin de radio699Aplicaciones de los circuitos RC a la cardiologa (bio)608Radiodifusin en bandas AM y FM 699Diseo de un voltmetro 610Diseode un multmetro 610Captulo 22Cableado de circuitos domsticos 611Cmo vemos los objetos 706Fusibles y disyuntores 612 Reflexin difusay observacin de objetos iluminados 707Seguridad elctrica y tierra(bio) 613 Una noche oscura y lluviosa 709Electricidad y seguridadpersonal (bio) 614El ojo humano: refraccin y longitud de onda (bio)713 15. Contenido xviiEspejismos 714Rejillas de difraccin 772Laslentes perfectas y el ndice negativo de refraccin 715 Difraccin endiscos compactos y DVD 773Refraccin y percepcin de profundidad716Espectrmetros 773Efectos atmosfricos 716Difraccin de rayos X774Brillantez y corte de los diamantes 718 PolaroidMR Y dicrosmo776Aplicaciones mdicas de las fibras pticas (bio) 720Anteojospolarizados y reduccin del resplandor (bio) 779Redes pticas einformacin 720 Reduccin del resplandor 780Endoscopios ycardioscopios (bio) 720 Cristales birrefringentes 781Prismas devidrio 721 Actividad ptica y tensin 781El arco iris 722Laspantallas de cristal lquido y la luz polarizada 783El cielo azul783Captulo 23 Atardeceres y amaneceres rojos 784Recubrimiento deespejos 730Marte, el planeta rojo 784Espejos planos 730Biopsiaptica (bio) 785Espejos esfricos 732 Interferencia de TV 786Espejosdivergentes en tiendas 732Todo se hace con espejos 733Captulo25Aberracin esfrica de espejos 740El ojo humano (bio) 793Lentesconvergentes 740 Cmaras simples 793Lentes divergentes 740Miopa ylentes de correccin (bio) 795Lentes de Fresnel 748 Hipermetropa ylentes de correccin (bio) 795Combinacin de lentes 748 Correccin dela crnea y ciruga (bio) 797Potencia de lentes y optometra (bio) 751Bifocales (bio) 796Aberraciones de lentes 752Astigmatismo y lentesde correccin (bio) 798Espejo retrovisor para da y noche 754La lentede aumento (bio) 799Escritura hacia atrs en vehculos de emergencia754El microscopio compuesto (bio) 801Espejos dobles para manejo755Telescopios de refraccin 803Geometra del microscopio compuesto758 Binoculares prismticos 804Autocolimacin 759Telescopios dereflexin 805El telescopio espacial Hubble 807Captulo 24 Telescopiospara radiacin no visible 808Medicin de longitud de onda de la luz762Resolucin del ojo y del telescopio (bio) 809Interferencia depelculas de aceite y jabn 765Observacin de la Gran Muralla Chinadesde el espacio? 810Plumas de pavo real (bio) 766 Lentes deinmersin en aceite 810Planos pticos 767Visin del color (bio)811Anillos de Newton 767 Pintura y mezcla de pigmentos (bio)812Difraccin del agua alrededor de barreras naturales 768 Filtrosfotogrficos 812Lentes no reflectantes 768Ojos rojos en fotografascon flash (bio) 814Difraccin alrededor de una hoja de afeitar 769Los nmeros f de las cmaras 818Difraccin y recepcin de radio 770 16.PrefacioCreemos que hay dos metas bsicas en un curso de introduccina la fsica: 1. ayudar acomprender los conceptos bsicos y 2.habilitar a los estudiantes a utilizar esos concep-tos en laresolucin de una variedad de problemas.Estas metas estn vinculadas.Queremos que los estudiantes apliquen su com-prensin conceptualconforme resuelven problemas. Por desgracia, los estudiantesamenudo comienzan el proceso de resolucin de problemas buscando unaecuacin.Existe la tentacin de hacer embonar los nmeros en lasecuaciones antes de visualizarla situacin o de considerar losconceptos fsicos que podran utilizarse para resolver elproblema.Adems, los estudiantes pocas veces revisan su respuesta numricaparaver si concuerda con su comprensin de un concepto fsicorelevante.Creemos y los usuarios estn de acuerdo que las fortalezasde este libro detexto son las siguientes:Base conceptual. Ayudar alos estudiantes a comprender los principios fsicos casiin-variablemente fortalece sus habilidades para resolver problemas.Hemos organizadolas explicaciones e incorporado herramientaspedaggicas para asegurar que la com-prensin de los conceptosconduzca al desarrollo de habilidades prcticas.Cobertura concisa.Para mantener un enfoque agudo en lo esencial, hemos evitado te-masde inters marginal. No deducimos relaciones cuando no arrojan luzsobre el prin-cipio en cuestin. Por lo general, es ms importanteque los estudiantes en este cursocomprendan lo que una relacinsignifica y cmo puede utilizarse para comprenderlas tcnicasmatemticas o analticas empleadas en obtenerla.Aplicaciones. Fsicaes un texto que se reconoce por la fuerte mezcla de aplicacionesre-lacionadas con la medicina, la ciencia, la tecnologa y la vidadiaria de las que se hablatanto en el cuerpo central del texto comoen los recuadros A fondo. Al mismo tiempo quela sexta edicincontina incluyendo una amplia gama de aplicaciones, tambinhemosaumentado el nmero de aplicaciones biolgicas y biomdicas, enatencin al alto por-centaje de estudiantes de medicina y de camposrelacionados con la salud que tomaneste curso. Una lista completade aplicaciones, con referencias de pgina, se encuentraen laspginas X a XIII.La sexta edicinMientras trabajamos para reducir elnmero total depginas en esta edicin, hemos agregado materialparafomentar una mayor comprensin de los estudiantes ypara hacer dela fsica una materia ms relevante, inte-resante y memorable paraellos.Hechos de fsica. Cada captulo comienza con varioshechos defsica (entre cuatro y seis) acerca de descu-brimientos o fenmenoscotidianos aplicables al temacentral.Resumen visual. El resumen alfinal de cada captu-lo incluye representaciones visuales de losconceptosclave, que sirven como recordatorio para los estudian-tesconforme repasan. xix 17. xx PrefacioIntegracin de Physlet Physics.Physlets sonaplicaciones basadas en Java, que ilustran conceptosdefsica a travs de la animacin. Physlet Physics es un li-bro y unCD-ROM de amplia aceptacin que contienenms de 800 Physlets en tresdiferentes formatos: Ilustra-ciones Physlet, Exploraciones Physlety ProblemasPhyslet. En la sexta edicin de Fsica, los PhysletsdePhyslet Physics se denotan con un icono para que los es-tudiantessepan cundo una explicacin y una anima-cin alternativa estndisponibles para apoyar lacomprensin. El CD-ROM de Physlet Physicsse incluyeal adquirir el nuevo libro de texto.Aplicacionesbiolgicas. No slo aumentamos elnmero, sino que tambin ampliamos elalcance de lasaplicaciones biolgicas y biomdicas. Ejemplos denue-vas aplicaciones biolgicas incluyen el uso de la energacorporalcomo fuente de potencia, la osteoporosis y ladensidad mineral sea,y la fuerza magntica en la me-dicina del futuro. Hemos enriquecidolas siguientes caractersticaspedaggicas en la sextaedicin:Aprendizaje mediante dibujos. La visualizacin esuno de lospasos ms importantes en la resolucin deproblemas. En muchos casos,si los estudiantes elaboranun boceto de un problema, son capaces deresolverlo. Laseccin Aprender dibujando ayuda a los estudiantesdemanera especfica a hacer cierto tipo de bocetos ygrficas que lesdarn una comprensin clave en una va-riedad de situaciones defsica.Procedimiento sugerido de resolucin de pro-blemas. Elapartado 1.7 brinda un esquema de trabajopara pensar acerca de laresolucin de problemas. Estaseccin incluye lo siguiente: Unapanormica de las estrategias de resolucin deproblemas Unprocedimiento de seis pasos que es suficiente-mente general comopara aplicarse a la mayora delos problemas en fsica, pero que seutiliza fcil-mente en situaciones especficas Ejemplos que ilustrancon detalle el proceso de re-solucin de problemas y que muestrancmo seaplica en la prctica el procedimiento generalEstrategias deresolucin de problemas y suge-rencias. El tratamiento inicial de laresolucin de pro-blemas se sigue a travs del libro con abundanciadesugerencias, consejos, advertencias, atajos y tcnicastiles pararesolver tipos especficos de problemas. Es-tas estrategias ysugerencias ayudan a los estudiantes aaplicar principios generalesa contexto especficos, ascomo a evadir los escollos y malosentendidos ms co-munes.Ejemplos conceptuales. Estos ejemplos pidena losestudiantes que piensen acerca de una situacin fsica yqueresuelvan conceptualmente una pregunta o que eli-jan la prediccincorrecta a partir de un conjunto de re- 18. Prefacio xxisultadosposibles, sobre la base de una comprensin de principios relevantes.La expli-cacin que sigue (Razonamiento y respuesta) explica conclaridad cmo identificarla respuesta correcta, as como por qu lasdems respuestas eran incorrectas.Ejemplos trabajados. Tratamos dehacer los ejemplos del texto tan claros y detalla-dos como fueraposible. El objetivo no es tan slo mostrar a los estudiantes quecua-ciones utilizar, sino tambin explicar la estrategia empleada yel papel de cada paso enel plan general. Se anima a los estudiantesa que aprendan el porqu de cada pasojunto con el cmo. Nuestra metaes brindar un modelo que sirva a los estudiantespara resolverproblemas. Cada ejemplo trabajado incluye lo siguiente:Razonamiento que centra a los estudiantes en el pensamiento yanlisis crticos que deben realizar antes de comenzar a utilizar lasecuaciones. Dado y Encuentre constituyen la primera parte de cadaSolucin para recordar a los alumnos la importancia de identificarlo que se conoce y lo que necesita resol- verse. Ejercicios derefuerzo al final de cada ejemplo conceptual y de cada ejemplotraba- jado refuerzan la importancia de la comprensin conceptual yofrecen prctica adicional. (Las respuestas a los ejercicios derefuerzo se presentan al final del libro.)Ejemplos integrados. Parareforzar an ms la conexin entre comprensin con-ceptual y resolucincuantitativa de problemas, hemos desarrollado ejemplos integra-dospara cada captulo. Estos ejemplos se trabajan a travs de unasituacin fsica deforma tanto cualitativa como cuantitativa. Laparte cualitativa se resuelve seleccionan-do conceptualmente larespuesta correcta a partir de un conjunto de posibles respues-tas.La parte cuantitativa supone una solucin matemtica relacionada conla parteconceptual, demostrando cmo la comprensin conceptual y losclculos numricosvan de la mano.Ejercicios al final de cada captulo.Cada apartado del material final de los cap-tulos comienza conpreguntas de opcin mltiple (OM) para permitir a losestudiantesautoevaluarse rpidamente sobre el tema en cuestin. Luegose presentan preguntas con-ceptuales de respuesta corta (PC) queprueban la comprensin conceptual de los estu-diantes y les pidenrazonar los principios. Los problemas cuantitativos redondeanlosejercicios en cada apartado. Fsica incluye respuestas cortas atodos los ejercicios de nme-ro impar (cuantitativos y conceptuales)al final del libro, de manera que los estudiantespueden verificarsu comprensin.Ejercicios apareados. Para animar a los estudiantes aque trabajen los problemaspor s mismos, la mayora de las seccionesincluyen por lo menos un conjunto de ejer-cicios apareados que serelacionan con situaciones similares. El primer problema de unparse resuelve en Student Study Guide and Solutions Manuals; elsegundo problema,que explora una situacin similar a la que sepresent en el primero, slo tiene una res-puesta al final dellibro.Ejercicios integrados. Al igual que los ejemplos integradosen el captulo, los ejer-cicios integrados (EI) piden a losestudiantes resolver un problema cuantitativamente,as como unarespuesta a una pregunta conceptual relacionada con el ejercicio.Al res-ponder ambas partes, los estudiantes pueden ver si surespuesta numrica concuerdacon su comprensin conceptual.Ejerciciosadicionales. Para asegurarse de que los estudiantes son capaces desin-tetizar conceptos, cada captulo concluye con un apartado deejercicios adicionales ex-trados de todas las secciones del captuloy en ocasiones tambin de los principiosbsicos de captulosanteriores.Instructor Resource Center on CD-ROM (0-13-149712-X).Este conjunto deCD-ROM, nuevo en esta edicin, ofrece prcticamentetodo recurso electrnico que us-ted necesitar en clase. Adems de quepodr navegar libremente por los CD para en-contrar los recursos quedesea, el software le permitir realizar la bsqueda medianteuncatlogo de recursos. Los CD-ROM estn organizados por captulo eincluyen todaslas ilustraciones y tablas de la sexta edicin dellibro en formatos JPEG y PowerPoint.Los IRC/CD tambin contienen elgenerador de pruebas TestGenerator, una poderosaplataforma dual yun software que se puede trabajar en red para crear pruebas quevandesde breves cuestionarios hasta largos exmenes. Las preguntasdel Test Item File de lasexta edicin incluyen versionesaleatorizadas, de manera que los profesores tienen 19. xxiiPrefaciola posibilidad de utilizar el Question Editor paramodificar las preguntas o crear nuevas.Los IRC/CD tambin contienenla versin para el profesor de Physlet Physics, esquemasde exposicinpara cada captulo en PowerPoint, ConceptTest con preguntas parahacerclick en PowerPoint, archivos de Microsoft Word por captulo detodas las ecuacio-nes numeradas, los 11 videos de demostracinPhysics You Can See y versiones en Mi-crosoft Word y PDF de TestItem File, Instructors Solutions Manual, Instructors ResourceManualy los ejercicios al final de los captulos de la sexta edicin deFsica.Companion Website con seguimiento delavance( )Este sitio Web brinda a losestudiantes y profesores novedosos materiales online parautilizarsecon la sexta edicin de Fsica. El Companion Website con seguimientodelavance incluye lo siguiente: Integracin de Just-in-Time Teaching(JiTT) Warm-Ups, Puzzle, & Applications, dise- ados por GregorNovak y Andrew Gavrin (Indiana University-Purdue Univer- sity,Indianapolis): preguntas de calentamiento (warm-up) y preguntas derespuesta corta basadas en importantes conceptos presentados en loscaptulos del libro. Los puzzles o acertijos son preguntas mscomplicadas que a menudo requie- ren integrar ms de un concepto.As, los profesores pueden asignar preguntas de calentamiento comocuestionario de lectura antes de la exposicin en clase sobre esetema, y las preguntas acertijo como tareas de refuerzo despus de laclase. Los mdulos de Applications responden la pregunta para qusirve la fsica?, al vincular los conceptos de fsica a los fenmenosdel mundo real y a los avances en ciencia y tecnologa. Cada mdulode aplicacin contiene preguntas de respuesta corta y preguntas tipoensayo. Practice Questions: un mdulo de entre 20 y 30 preguntas deopcin 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 (Joliet Junior College), estos ejerciciosconceptuales jerarquizados requieren que los estu- diantes asignenun nmero para calificar diversas situaciones o las posibles va-riantes de una situacin. Problemas Physlet Physics: Physlets sonaplicaciones basadas en Java que ilustran conceptos de fsicamediante la animacin. Physlet Physics incluye un libro de am- pliacirculacin y un CD-ROM que contiene ms de 800 Physlets. Losproblemas Physlet son versiones interactivas del tipo de ejerciciosque comnmente se asig- nan como tarea para la casa. Problemasjerarquizados de Physlet Physics estn dis- ponibles para que losestudiantes se autoevalen. Para tener acceso a ellos, losestudiantes utilizan su copia de Physlet Physics en CD-ROM, que seincluye junto con el presente libro. MCAT Study Guide, por KaplanTest Prep and Admissions: esta gua ofrece a los es- tudiantes 10pruebas sobre temas y conceptos comprendidos en el examenMCAT.Blackboard. Blackboard es una plataforma de software extensa yflexible que ofreceun sistema de administracin del curso, portalesinstitucionales personalizados, co-munidades online y una avanzadaarquitectura que permite la integracin de mltiplessistemasadministrativos con base en la Web. Entre sus caractersticas estnlas si-guientes: Seguimiento del progreso, administracin de clasesy de alumnos, libro de califi- caciones, comunicacin, tareas yherramientas de reporte. Programas de exmenes que ayudan a losprofesores a disear versiones electr- nicas de exmenes y pruebassobre el contenido de la sexta edicin de Fsica, a ca- lificarautomticamente y a llevar un control de los resultados. Todas laspruebas pueden incluirse en el libro de calificaciones para unafcil administracin del curso. Herramientas de comunicacin comoclase virtual (salas de chat, pizarra, transpa- rencias),documentos compartidos y tableros de avisos.CourseCompass, manejadopor Blackboard. Con el ms elevado nivel de servi-cio, apoyo ycapacitacin disponible en la actualidad, CourseCompass combinarecursosonline probados y de alta calidad para la sexta edicin deFsica, con herramientas electr-nicas de administracin de cursosfciles de usar. CourseCompass est diseado para sa- 20. Prefacioxxiiitisfacer las necesidades individuales de los profesores, quepodrn crear un curso onlinesin contar con habilidades tcnicas ocapacitacin especiales. Entre sus caractersticas seencuentran lassiguientes: Gran flexibilidad: los profesores pueden adaptar loscontenidos de Prentice Hall para alcanzar sus propias metas deenseanza, 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 lasexta edicin de Fsica estn disponibles a los profesores con un soloclic en el mouse. Un sistema con apoyo total que libera a losindividuos y a las instituciones de gra- vosas cargas como atacarproblemas y dar mantenimiento.WebCt. WebCt ofrece un poderosoconjunto de herramientas que permite a los pro-fesores disearprogramas educativos prcticos con base en la Web; se trata derecur-sos ideales para enriquecer un curso o para disear unoenteramente online. Lasherramientas del WebCt, integradas con elcontenido de la sexta edicin de Fsica, dapor resultado un sistemade enseanza y aprendizaje verstil y enriquecedor. Entresuscaractersticas se encuentran las siguientes: Monitoreo de pginasy de progreso, administracin de clase y de los alumnos,libro decalificaciones, comunicacin, calendario y herramientas de reporte.Herramientas de comunicacin que incluyen salas de chat, tableros deavisos,e-mail privado y pizarra. Herramientas de evaluacin queayudan a disear y administrar exmenes online,a calificarlosautomticamente y a llevar control de los resultados.WebAssign( ). El servicio de entrega de tareasWeb-Assign le dar la libertad de disear tareas a partir de una basede datos de ejerciciostomados de la sexta edicin de Fsica, o deescribir y personalizar sus propios ejerci-cios. Usted tendr totalcontrol sobre las tareas asignadas a sus alumnos, incluyendofechasde entrega, contenido, retroalimentacin y formatos de preguntas.Entre sus ca-ractersticas destacan las siguientes: Crea, administray revisa tareas 24 horas y siete das a la semana. Entrega, recoge,califica y registra tareas de forma instantnea. Ofrece msejercicios de prctica, cuestionarios, tareas, actividades delaboratorioy exmenes. Asigna aleatoriamente valores numricos ofrases para crear preguntas nicas. Evala el desempeo de los alumnospara mantenerse al tanto de su progreso in-dividual. Clasificafrmulas algebraicas de acuerdo con su dificultad matemtica. Captala atencin de sus alumnos que estn a distancia. 21. xxiv PrefacioReconocimientos Los miembros de AZTEC Billy Younger, MichaelLoPresto, David Curott y Daniel Lottis, as como los excelentesrevisores Michael Ottinger y Mark Sprague merecen algo ms que unagradecimiento especial por su incansable, puntual y muy concienzu-da revisin de este libro.Docenas de otros colegas, que se listan msadelante, nos ayudaron a encontrar los mtodos para lograr que estasexta edicin fuera una mejor herramienta de aprendiza- je para losestudiantes. Estamos en deuda con ellos por sus atentas sugerenciasy crti- cas constructivas, las cuales beneficiaron ampliamente eltexto.Estamos muy agradecidos con la editorial y con el equipo deproduccin de Prenti- ce Hall, entre quienes mencionamos a ErickFahlgren, Editor Sponsor; Heather Scott, Di- rector de Arte;Christian Botting, Editor Asociado; y Jessica Berta, AsistenteEditorial. En particular los autores quieren destacar la excelentelabor de Simone Lukashov, Editor de Produccin: sus amable,profesional y alegre supervisin hizo que el proceso para publi- careste libro fuera eficiente y hasta placentero. Adems, agradecemos aKaren Karlin, Editora de Desarrollo de Prentice Hall, por suvaliosa ayuda en la parte editorial.Asimismo, yo (Tonny Buffa) denueva cuenta extiendo mis agradecimientos a mis coautores, JerryWilson y Bo Lou, por su entusiasta participacin y su enfoque profe-sional para trabajar en esta edicin. Como siempre, varios de miscolegas en Caly Poly nos brindaron su tiempo y sus fructferosanlisis. Entre ellos, menciono a los profeso- res Joseph Boone,Ronald Brown y Theodore Foster. Mi familia mis esposa Connie, y mishijas Jeanne y Julie fueron, como siempre, una fuerza de apoyocontinua y grati- ficante. Tambin agradezco el apoyo de mi padre,Anthony Buffa y de mi ta Dorothy Abbott. Por ltimo debo unreconocimiento a mis alumnos por contribuir con sus ex- celentesideas en los ltimos aos.Finalmente nos gustara motivar a todos losusuarios este libro estudiantes y profesores a que nos transmitancualesquiera sugerencias que tengan para mejorar- lo. En verdadesperamos recibirlas.Jerry D. [email protected] J.Buffa [email protected] [email protected] de la DebraL. BurrisTerrence Maher Terry ScottOklahoma City CommunityCollegeAlamance Community College University of Northernsextaedicin:ColoradoJason DonavKevin McKoneDavid Aaron University ofPuget SoundCopiah Lincoln Community College Rahim SetoodehSouthDakota State UniversityRobert M. DrosdKenneth L. MenningenMilwaukee Area Technical CollegeE. Daniel Akpanumoh PortlandCommunity College University of Wisconsin, Stevens Point MartinShinglerHouston Community College,Southwest Bruce EmersonMichaelMikhaiel Lakeland Community CollegeCentral Oregon Community CollegePassaic County Community CollegeIfran Azeem MarkSpragueEmbry-Riddle Aeronautical Milton W. Ferguson Ramesh C.MisraEast Carolina State UniversityUniversityNorfolk StateUniversity Minnesota State University,Steven M. StinnettRaymond D.BengePhillip GilmourMankatoMcNeese State UniversityTarrant CountyCollegeTri-County Technical College Sandra MoffetJohnUnderwoodFrederick Bingham Allen GrommetLinn Benton CommunityCollegeAustin Community CollegeUniversity of North Carolina, EastArkansas Community CollegeMichael Ottinger Tristan T.UtschigWilmington Missouri Western State CollegeBrian HinderliterLewis-Clark State CollegeTimothy C. BlackNorth Dakota StateUniversityJames Palmer Steven P. WellsUniversity of NorthCarolina,Ben Yu-Kuang HuUniversity of Toledo Louisiana TechnicalUniversityWilmingtonUniversity of AkronKent J. PriceMary BolewareChristopher WhiteJones County Junior College Porter JohnsonMorehead State UniversityIllinois Institute of TechnologyIllinoisInstitute of Technology Salvatore J. RodanoArt Braundmeier AnthonyZableSouthern Illinois University, Andrew W. Kerr Harford CommunityCollegePortland Community CollegeEdwardsvilleUniversity ofFindlayJohn B. Ross John ZelinskyMichael L. BroylesJim KetterIndiana University-PurdueCommunity College of BaltimoreCollinCounty Community College Linn-Benton Community CollegeUniversity,Indianapolis County, Essex 22. PrefacioxxvRevisores de James R.Crawford Randall Jones Gary Motta Southwest Texas StateUniversityLoyola University Lassen Collegeediciones anterioresWilliam Dabby Omar Ahmad KarimJ. Ronald MowreyWilliam AchorEdisonCommunity CollegeHarrisburg Area Community College University ofNorthWestern Maryland College Purna Das CarolinaWilmington GerhardMullerAlice Hawthorne AllenPurdue University University of RhodeIsland S. D. KavianiVirginia Tech J. P. DavidsonEl Camino CollegeK. W. NicholsonArthur Alt University of KansasCentral AlabamaCommunity Victor KehCollege of Great Falls College Donald DayITTTechnical InstituteNorwalk,Zaven AltounianMontgomeryCollegeCaliforniaErin OConnorMcGill UniversityAllan Hancock CollegeRichard Delaney John KennyFrederick Anderson College ofAeronauticsBradley UniversityAnthony PituccoUniversity ofVermontGlendale Community College James Ellingson JamesKettlerCharles BaconCollege of DuPage Ohio University, EasternCampus William PollardFerris State College Valdosta StateUniversity Donald ElliottDana KlinckAli Badakhshan Carroll CollegeHillsborough Community CollegeR. Daryl PedigoUniversity of NorthernIowaAustin Community College Arnold FeldmanChantana LaneAnandBatraUniversity of HawaiiT. A. K. Pillai University ofTennesseeChattanoogaHoward UniversityUniversity of WisconsinLaCrosse John Flaherty Phillip LaroeMichael Berger Yuba CollegeDardenPowers Carroll CollegeIndiana University Baylor University Rober J.FoleyRubin LaudanWilliam Berres University of WisconsinStout DonaldS. Presel Oregon State UniversityWayne State University Universityof Lewis FordBruce A. LaytonJames Borgardt MassachusettsDartmouthTexas A&M UniversityMississippi Gulf Coast CommunityJuniataCollegeE. W. Prohofsky Donald Foster CollegeHugo Borja PurdueUniversity Wichita State UniversityR. Gary LaytonMacomb CommunityCollege Dan R. Quisenberry Donald R. Franceschetti Northern ArizonaUniversityBennet Brabson Mercer University Memphis StateUniversityKevin LeeIndiana University W. Steve Quon FrankGaevUniversity of NebraskaJeffrey BraunVentura CollegeUniversity ofEvansville ITT Technical InstituteFt. Paul Lee LauderdaleDavidRafaelle California State University,Michael Browne GlendaleCommunity Rex Gandy NorthridgeUniversity of IdahoCollege AuburnUniversity Federic LiebrandDavid Bushnell George Rainey Walla WallaCollegeNorthern Illinois University Simon GeorgeCalifornia StatePolytechnic California StateLong Beach Mark LindsayUniversityLyleCampbell University of LouisvilleOklahoma Christian UniversityBarryGilbert Michael Ram Rhode Island CollegeBryan LongSUNYBuffaloJamesCarroll Columbia State CommunityEastern Michigan State RichardGrahm William Riley CollegeUniversity Ricks College Ohio StateUniversity Michael LoPrestoAaron Chesir Tom J. Gray WilliamRolnickLucent TechnologiesHenry Ford Community College Universityof NebraskaWayne State UniversityLowell Christensen Dan MacIsaacDouglas Al Harrington Robert RossAmerican River College NorthernArizona University Northeastern State University University ofDetroitMercyPhilip A. ChuteRobert March Gary Hastings CraigRottmanUniversity of WisconsinEau Claire University of WisconsinGeorgia State UniversityNorth Dakota State UniversityRobert CoakleyTrecia Markes Xiaochun He Gerald RoyceUniversity of Southern MaineUniversity of NebraskaKearney Georgia State UniversityMaryWashington CollegeLawrence Coleman Aaron McAlexander Roy Rubins J.Erik Hendrickson Central Piedmont CommunityUniversity ofCaliforniaDavis University of Texas, Arlington University ofWisconsinEau ClaireCollegeLattie F. CollinsSid RudolphEastTennessee State UniversityAl Hilgendorf William McCorkleUniversityof Utah University of WisconsinStout West Liberty StateUniversitySergio Conetti Om RustgiUniversity of Virginia,Joseph M.Hoffman John D. McCullenBuffalo StateCollegeCharlottesvilleFrostburg State UniversityUniversity ofArizona Anne SchmiedekampJames Cook Andy HollermanMichael McGiePennsylvania StateMiddle Tennessee State UniversityUniversity ofLouisiana, Layfayette California State UniversityChicoUniversityOgontzDavid M. CordesJacob W. HuangPaul Morris CindySchwarzBelleville Area Community CollegeTowson University AbileneChristian UniversityVassar College 23. xxviPrefacioRaySearsChristopher SirolaGabriel UmerahJohn C. WellsUniversity ofNorth TexasTri-County Technical CollegeFlorida Community TennesseeTechnical UniversityMark Semon GeneSkluzacekCollegeJacksonvilleArthur WigginsBates CollegeSt.Petersburg CollegeLorin Vant-Hull Oakland Community CollegeBartlettSheinberg Soren P. Sorensen University of Houston KevinWilliamsHouston Community College University of TennesseeKnoxvillePieter B. VisscherITT Technical InstituteEarth CityJerryShiUniversity of Alabama Ross SpencerLinda WinklerPasadena CityCollege Brigham Young UniversityKarl Vogler Appalachian StateUniversityPeter Shull Dennis W. SucheckiNorthern KentuckyUniversityJeffery WraggOklahoma State University San Diego MesaCollegeJohn Walkup College of CharlestonThomas SillsWilbur WrightCollegeFrederick J. Thomas California Polytechnic StateRob WylieSinclair Community CollegeUniversityCarl Albert StateUniversityLarry SilvaAppalachian State University JacquelineThornton Arthur J. WardJohn Zelinsky St. Petersburg Junior CollegeNashville State Technical Institute Southern IllinoisUniversityMichael SimonHousatonic Community Technical AnthonyTrippeLarry Weinstein Dean ZollmanCollegeITT Technical InstituteSanDiego Old Dominion University Kansas State University 24. 1CAPTULOMedicin y resolucin de problemas 1.1Por qu y cmomedimos21.2Unidades SI de longi-tud, masa y tiempo 3 1.3Ms acercadelsistema mtrico7 1.4Anlisis de unidades 10 1.5Conversindeunidades 12 1.6Cifras significativas17 1.7Resolucin deproblemas20HECHOS DE FSICA La tradicin cuenta que en el siglo XII, el reyEnrique I de Inglaterra decret que la yarda debera ser la distanciadesde la punta de su real nariz a su dedo pulgar teniendo el brazoextendido. (Si el brazo del rey Enrique hu- biera sido 3.37pulgadas ms largo, la yarda y el metro tendran la misma longitud.)La abreviatura para la libra, lb, proviene de la palabra latinalibra, que era una unidad romana de peso aproximadamente igual auna libra actual. La palabra equivalente en Es primero y 10? Esnecesario medir, como en muchas otras cuestiones de nuestra vida.Las mediciones de longitud nos dicen qu distancia hay entre dosciudades, qu estatura tienes y, como en esta imagen, si se lleg ono al primero y 10. Las mediciones de tiempo nos dicen cunto faltaingls pound viene del latn pondero, que significa pesar. Libratambin es un signopara que termine la clase, cundo inicia elsemestre o el trimestre y qu edad del zodiaco y se simboliza conuna balanzatienes. Los frmacos que tomamos cuando estamos enfermosse dan en dosis (que se utiliza para pesar).medidas. Muchas vidasdependen de diversas mediciones realizadas por mdi- ThomasJefferson sugiri que la longitud de cos, tcnicos especialistas yfarmacuticos para el diagnstico y tratamiento de un pndulo con unperiodo de un segundo enfermedades. se utilizara como la medidaestndar de lon- Las mediciones nos permiten calcular cantidades yresolver problemas. Las gitud.unidades tambin intervienen en laresolucin de problemas. Por ejemplo, al de- terminar el volumen deuna caja rectangular, si mide sus dimensiones en pulga- Esverdadero el antiguo refrn Una pinta es una libra en todo el mundo?Todo depen- das, el volumen tendra unidades de pulg3 (pulgadascbicas); si se mide en de de qu se est hablando. El refrn esunacentmetros, entonces seran cm3 (centmetros cbicos). Lasmediciones y la reso- buena aproximacin para el agua y otros lucinde problemas forman parte de nuestras vidas. Desempean un papelesen- lquidos similares. El agua pesa 8.3 libras cialmenteimportante en nuestros intentos por describir y entender el mundopor galn, de manera que la octava parte de fsico, como veremos eneste captulo. Pero primero veamos por qu se debe es- esa cantidad,o una pinta, pesa 1.04 libras.tudiar la fsica (A fondo 1.1). Pi (),la razn entre la circunferencia de un crculo y su dimetro, essiempre el mis- mo nmero sin importar el crculo del que se esthablando. Pi es un nmero irracional; esto es, no puede escribirsecomo la razn entre dos nmeros enteros y es un decimal infinito, queno sigue un patrn de repeticin. Las computadoras han calculado enmi- les de millones de dgitos. De acuerdo con el Libro Guinness delos Rcords (2004), se ha calculado en 1 241 100 000 000 luga- resdecimales. 1 25. 2 CAPTULO 1 Medicin y resolucin de problemasAFONDO 1.1 POR QU ESTUDIAR FSICA?La pregunta por qu estudiar fsica?viene a la mente de mu- Es ms probable que usted quiera ser unespecialista en tec-chos alumnos durante sus estudiosuniversitarios. La verdad esnologa o en ciencias biolgicas (mdico,terapeuta fsico, mdicoque probablemente existen tantas respuestascomo estudiantes, veterinario, especialista en tecnologaindustrial, etc.). En esteal igual que sucede con otras materias.Sin embargo, las pre- caso, la fsica le brindar un marco decomprensin de los prin-guntas podran agruparse en varias categorasgenerales, quecipios relacionados con su trabajo. Aunque lasaplicaciones deson las siguientes. las leyes de la fsica tal vez nosean evidentes de forma inmedia- Tal vez usted no pretendaconvertirse en un fsico, pero ta, comprenderlas ser una valiosaherramienta en su carrera. Sipara los especialistas en esta materiala respuesta es obvia. Lausted se convierte en un profesional de lamedicina, por ejem-introduccin a la fsica provee los fundamentos desu carrera.plo, se ver en la necesidad de evaluar resultados de IRM(imge-La meta fundamental de la fsica es comprender de dnde pro-nesde resonancia magntica), un procedimiento habitual en laviene eluniverso, cmo ha evolucionado y cmo lo sigue ha- actualidad. Lesorprendera saber que las IRM se basan en unciendo, as como lasreglas (o leyes) que rigen los fenmenos fenmeno fsico llamadoresonancia magntica nuclear, que des-que observamos. Estosestudiantes utilizarn su conocimientocubrieron los fsicos y que anse utiliza para medir las pro-de la fsica de forma continua durantesus carreras. Como unpiedades nucleares y del estado slido?ejemplode la investigacin en fsica, considere la invencin Si usted es unestudiante de una especialidad no tcnica, eldel transistor, afinales de la dcada de 1940, que tuvo lugar en requisito de fsicapretende darle una educacin integral; estoun rea especial de lainvestigacin conocida como fsica del es, le ayudar a desarrollar lacapacidad de evaluar la tecnolo-estado slido.ga en el contexto delas necesidades sociales. Por ejemplo, qui- Quizs usted tampocopretenda convertirse en un ingenieroz tenga que votar en relacincon los beneficios fiscales paraespecialista en fsica aplicada.Para ellos, la fsica provee el funda- una fuente de produccin deenerga, y en ese caso usted que-mento de los principios deingeniera utilizados para resolverrra evaluar las ventajas y lasdesventajas de ese proceso. O qui-problemas tecnolgicos (aplicadosy prcticos). Algunos de es-zs usted se sienta tentado a votar porun funcionario que tienetos estudiantes tal vez no utilicen lafsica directamente en sus un slido punto de vista en torno aldesecho del material nu-carreras; pero una buena comprensin de lafsica es fundamen-clear. Sus ideas son cientficamente correctas?Para evaluarlas,tal en la resolucin de los problemas que implicanlos avanceses indispensable tener conocimientos defsica.tecnolgicos. Por ejemplo, despus de que los fsicosinventa-Como podr darse cuenta, no hay una respuesta nica a laronel transistor, los ingenieros desarrollaron diversos usos preguntapor qu estudiar fsica? No obstante, sobresale unpara ste. Dcadas mstarde, los transistores evolucionaronasunto primordial: elconocimiento de las leyes de la fsica ofre-hasta convertirse en losmodernos chips de computadora, que ce un excelente marco para sucarrera y le permitir compren-en realidad son redes elctricas quecontienen millones de ele- der el mundo que le rodea, osimplemente, le ayudar a ser unmentos diminutos de transistores.ciudadano ms consciente. 1.1 Por qu y cmo medimos OBJETIVOS:Distinguir entre unidades estndar y sistemas de unidades. Imagineque alguien le est explicando cmo llegar a su casa. Le servira dealgo que le dijeran: Tome la calle Olmo durante un rato y d vueltaa la derecha en uno de los semforos. Luego siga de frente un buentramo? O le agradara tratar con un banco que le enviara a fin demes un estado de cuenta que indicara: Todava tiene algo de dineroen su cuenta, pero no es mucho?Medir es importante para todosnosotros. Es una de las formas concretas en que enfrentamos elmundo. Este concepto resulta crucial en fsica. La fsica se ocupa dedes- cribir y entender la naturaleza, y la medicin es una de susherramientas fundamentales.Hay formas de describir el mundo fsicoque no implican medir. Por ejemplo, po- dramos hablar del color deuna flor o un vestido. Sin embargo, la percepcin del color essubjetiva: puede variar de una persona a otra. De hecho, muchaspersonas pade- cen daltonismo y no pueden distinguir ciertoscolores. La luz que captamos tambin puede describirse en trminos delongitudes de onda y frecuencias. Diferentes longitu- des de ondaestn asociadas con diferentes colores debido a la respuestafisiolgica de nuestros ojos ante la luz. No obstante, a diferenciade las sensaciones o percepciones del color, las longitudes de ondapueden medirse. Son las mismas para todos. En otras palabras, lasmediciones son objetivas. La fsica intenta describir la naturalezade forma objetiva usando mediciones. 26. 1.2 Unidades SI delongitud, masa y tiempo 3Unidades estndarLas mediciones se expresanen valores unitarios o unidades. Seguramente ustedya sabe que seemplea una gran variedad de unidades para expresar valoresmedidos.Algunas de las primeras unidades de medicin, como el pie, sereferanoriginalmente a partes del cuerpo humano. (Incluso en laactualidad el palmo seutiliza para medir la alzada de los caballos.Un palmo equivale a 4 pulgadas.) Siuna unidad logra aceptacinoficial, decimos que es una unidad estndar. Tradi-cionalmente, unorganismo gubernamental o internacional establece lasunidadesestndar. Un grupo de unidades estndar y sus combinacionesse denomina sistema deunidades. Actualmente se utilizan dossistemas principales de unidades: el sistemamtrico y el sistemaingls. Este ltimo todava se usa ampliamente en Estados Uni-dos;aunque prcticamente ha desaparecido en el resto del mundo, donde sesusti-tuy por el sistema mtrico. Podemos usar diferentes unidadesdel mismo sistema o unidades de sistemasdistintos para describir lamisma cosa. Por ejemplo, expresamos nuestra estatura enpulgadas,pies, centmetros, metros o incluso millas (aunque esta unidad nosera muyconveniente). Siempre es posible convertir de una unidad aotra, y hay ocasiones enque son necesarias tales conversiones. Noobstante, lo mejor, y sin duda lo ms prc-tico, es trabajar de formaconsistente dentro del mismo sistema de unidades, comoveremos msadelante.1.2 Unidades SI de longitud, masa y tiempoOBJETIVOS: a)Describir SI y b) especificar las referencias de las tres principa-les cantidades base en ese sistema.La longitud, la masa y el tiemposon cantidades fsicas fundamentales que describenmuchas cantidadesy fenmenos. De hecho, los temas de la mecnica (el estudiodelmovimiento y las fuerzas) que se cubren en la primera parte deeste libro tan slorequieren estas cantidades fsicas. El sistema deunidades que los cientficos usanpara representar stas y otrascantidades se basa en el sistema mtrico. Histricamente, el sistemamtrico fue consecuencia de propuestas para tenerun sistema msuniforme de pesos y medidas hechas, que se dieron en Franciaduran-te los siglos XVII y XVIII. La versin moderna del sistemamtrico se llama sistema inter-nacional de unidades, que se abreviaoficialmente SI (del francs Systme Internationaldes Units). El SIincluye cantidades base y cantidades derivadas, que se describencon unidadesbase y unidades derivadas, respectivamente. Lasunidades base, como el metro y elkilogramo, se representan conestndares. Las cantidades que se pueden expresaren trminos decombinaciones de unidades base se llaman unidadesderivadas.(Pensemos en cmo solemos medir la longitud de un viaje enkilmetros; y el tiem-po que toma el viaje, en horas. Para expresarla rapidez con que viajamos, usamos launidad derivada de kilmetrospor hora, que representa distancia recorrida por uni-dad de tiempo,o longitud por tiempo.) Uno de los refinamientos del SI fue laadopcin de nuevas referencias estndarpara algunas unidades base,como las de longitud y tiempo.LongitudLa longitud es la cantidadbase que usamos para medir distancias o dimensiones enel espacio.Por lo general decimos que longitud es la distancia entre dospuntos. Sinembargo, esa distancia depender de cmo se recorra elespacio entre los puntos,que podra ser con una trayectoria recta ocurva. La unidad SI de longitud es el metro (m). El metro se definioriginalmente como1/10 000 000 de la distancia entre el Polo Nortey el ecuador a lo largo de un meridia- 27. 4 CAPTULO 1 Medicin yresolucin de problemas Polo Norte 0 Dunquerque Pars LONGITUD:METRO330 Barcelona 7534510 000 000 m 60 04515 301m Ecuador 1 m =distancia que la luz recorre en el vaco en 1/299 792 458 s a) b)FIGURA 1.1 El estndar de longitud del SI: el metro a) El metro sedefini originalmente como 1/10 000 000 de la distancia entre elPolo Norte y el ecuador a lo largo de un meridiano que pasa porPars, del cual se midi una porcin entre Dunquerque y Barcelona. Seconstruy una barra metlica (llamada metro de los archivos) comoestndar. b) El metro se define actualmente en trminos de lavelocidad de la luz. no que pasaba por Pars ( figura 1.1a).* Seestudi una porcin de este meridiano, entre Dunquerque, Francia yBarcelona, Espaa, para establecer la longitud estndar, a la que seasign el nombre metre, del vocablo griego metron, que significa unamedida. (La ortografa espaola es metro.) Un metro mide 39.37pulgadas, poco ms de una yarda.La longitud del metro se conserv enun principio en forma de un estndar fsico: la distancia entre dosmarcas en una barra de metal (hecha de una aleacin deplatino-iridio) que se guard en condiciones controladas yposteriormente se llam metro de los archivos. Sin embargo, no esconveniente tener un estndar de referen- cia que cambia con lascondiciones externas, como la temperatura. En 1983, el metro seredefini en trminos de un estndar ms exacto, una propiedad de laluz que no vara: la longitud del trayecto recorrido por la luz enel vaco durante un inter- valo de 1/299 792 458 de segundo (figura1.1b). En otras palabras, la luz viaja 299 792 458 metros en unsegundo, y la velocidad de la luz en el vaco se define como c 299792 458 m/s (c es el smbolo comn para la velocidad de la luz).Observe que el estndar de longitud hace referencia al tiempo, quese puede medir con gran exactitud. Masa La masa es la cantidad basecon que describimos cantidades de materia. Cuanto ma- yor masatiene un objeto, contendr ms materia. (Veremos ms anlisis de lamasa en los captulos 4 y 7.)La unidad de masa en el SI es elkilogramo (kg), el cual se defini originalmente en trminos de unvolumen especfico de agua; aunque ahora se remite a un estndarmaterial especfico: la masa de un cilindro prototipo deplatino-iridio que se guarda en la Oficina Internacional de Pesos yMedidas en Svres, Francia (N figura 1.2). Esta- dos Unidos tiene unduplicado del cilindro prototipo. El duplicado sirve como referen-cia para estndares secundarios que se emplean en la vida cotidianay en el comercio. Es posible que a final de cuentas el kilogramo sevaya a remitir a algo diferente de un estndar material.* Note queeste libro y la mayora de los fsicos han adoptado la prctica deescribir los nmeros grandes separando grupos de tres dgitos con unespacio fino: por ejemplo, 10 000 000 (no 10,000,000). Esto se hacepara evitar confusiones con la prctica europea de usar la coma comopunto decimal. Por ejemplo, 3.141 en Mxico se escribira 3,141 enEuropa. Los nmeros decimales grandes, como 0.537 84, tambin podransepararse, por consistencia. Suelen usarse espacios en nmeros quetienen ms de cuatro dgitos antes o despus del punto decimal. 28.1.2 Unidades SI de longitud, masa y tiempo5 Quizs usted haya notadoque en general se usa la frase pesos y medidas en vez de MASA:KILOGRAMOmasas y medidas. En el SI, la masa es una cantidad base;pero en el sistema ingls se pre-fiere usar el peso para describircantidades de masa, por ejemplo, peso en libras en vezde masa enkilogramos. El peso de un objeto es la atraccin gravitacional quela Tierraejerce sobre el objeto. Por ejemplo, cuando nos pesamos enuna bscula, nuestro pesoes una medida de la fuerza gravitacionaldescendente que la Tierra ejerce sobre noso-tros. Podemos usar elpeso como una medida de la masa porque, cerca de lasuperficieterrestre, la masa y el peso son directamenteproporcionales entre s.0.10 m No obstante, tratar el peso como unacantidad base crea algunos problemas. Unaaguacantidad base deberatener el mismo valor en cualquier parte. Esto se cumple paralamasa: un objeto tiene la misma masa, o cantidad de materia, estdonde est. Sin em-bargo, no se cumple para el peso. Por ejemplo, elpeso de un objeto en la Luna es menor 0.10 mque su peso en laTierra. Ello se debe a que la Luna tiene una masa menor que la dela0.10 mTierra y, por ello, la atraccin gravitacional que la Lunaejerce sobre un objeto (es decir,a)el peso del objeto) es menor quela que ejerce la Tierra. Es decir, un objeto con ciertacantidad demasa tiene un peso dado en la Tierra, aunque en la Luna la mismacanti-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 lasuperficie de latierra, el peso est relacionado con la masa, perono son lo mismo. Puesto que el peso de unobjeto que tiene ciertamasa vara dependiendo del lugar donde est, resulta muchoms tiltomar la masa como cantidad base, como en el SI. Las cantidadesbase debe-ran mantenerse constantes independientemente de dnde semidan, en condicionesnormales o estndar. La distincin entre masa ypeso se explicar ms a fondo en uncaptulo posterior. Hasta entonces,nos ocuparemos bsicamente de la masa.TiempoEl tiempo es un conceptodifcil de definir. Una definicin comn es que el tiempo esel flujocontinuo de sucesos hacia adelante. Este enunciado no es tanto unadefinicinsino una observacin de que nunca se ha sabido que eltiempo vaya hacia atrs,como sucedera cuando vemos una pelcula enque el proyector funciona en reversa.A veces se dice que el tiempoes una cuarta dimensin que acompaa a las tres di- b)mensiones delespacio (x, y, z, t), de tal manera que si algo existe en elespacio,tambin existe en el tiempo. En cualquier caso, podemos usarsucesos para tomar FIGURA 1.2 El estndar de masamediciones deltiempo. Los sucesos son anlogos a las marcas en un metro que se delSI: el kilogramo a) El kilogramoutilizan para medir longitudes.(Vase A fondo 1.2 sobre qu es el tiempo?)se defini originalmente entrminos La unidad SI del tiempo es el segundo (s). Originalmente seus el reloj so- de un volumen especfico de agua,lar para definir elsegundo. Un da solar es el intervalo de tiempo que transcurreuncubo de 0.10 m por lado, conentre dos cruces sucesivos de la mismalnea de longitud (meridiano) efectuados por lo que se asoci elestndar deel Sol. Se fij un segundo como 1/86 400 de este da solaraparente (1 da 24 h masa con el estndar de longitud.1440 min 86 400s). Sin embargo, el trayecto elptico que sigue la Tierra en tornob)Ahora el kilogramo estndar seal Sol hace que vare la duracin de losdas solares aparentes.define con un cilindro metlico. Para tener unestndar ms preciso, se calcul un da solar promedio a partir de Elprototipo internacional della duracin de los das solares aparentesdurante un ao solar. En 1956, el segundo kilogramo se conserva enla Oficinase remiti a ese da solar medio. Sin embargo, el da solarmedio no es exactamente Francesa de Pesos y Medidas.el mismo entodos los periodos anuales, a causa de las variaciones menores enlos Se le fabric en la dcada de 1880movimientos terrestres y a lalenta disminucin de su tasa de rotacin originada porcon una aleacinde 90% platinola friccin de las mareas. Por ello, los cientficossiguieron buscando algo mejor. y 10% iridio. Se han producido En1967, un estndar atmico se adopt una mejor referencia. El segundose defi- copias para usarse como prototiposni en trminos de lafrecuencia de radiacin del tomo de cesio 133. Este relojat-nacionales de 1 kg, uno de losmico usaba un haz de tomos decesio para mantener el estndar de tiempo, con unacuales es elestndar de masa devariacin de aproximadamente un segundo cada 300aos. En 1999 se adopt otro Estados Unidos, que se guardarelojatmico de cesio 133, el reloj atmico de fuente que, como su nombreindica, se en el Instituto Nacional debasa en la frecuencia deradiacin de una fuente de tomos de cesio, en vez de un Normas yTecnologa (NIST)haz ( figura 1.3). La variacin de este reloj es demenos de un segundo cada 20 mi- en Gaitherburg, MD.llones de aos!** Se est desarrollando un reloj an ms preciso: el reloj atmicototalmente ptico, as llama-do porque utiliza tecnologa lser y mideel intervalo de tiempo ms corto jams registrado, que es0.000 01. Elnuevo reloj no utiliza tomos de cesio, sino un solo ion enfriado demercurio lquidovinculado a un oscilador lser. La frecuencia del ionde mercurio es 100 000 veces ms alta que lade los tomos de cesio,de ah lo corto y preciso del intervalo de tiempo. 29. 6 CAPTULO 1Medicin y resolucin de problemasA FONDO 1.2 Qu es el tiempo?Durantesiglos, la pregunta qu es el tiempo? ha generado de- el reloj. Porejemplo, supn que fueran las nueve de la ma-bates, y las respuestasa menudo han tenido un carcter filo-ana, la hora de comenzar lasclases; slo tendras que susu-sfico. Pero la definicin del tiempotodava resulta evasivarrar una indicacin al Tiempo, y all ira elreloj en un abriren cierto grado. Si a usted se le pidiera definirel tiempo oy cerrar de ojos; a la una y media, la hora delalmuerzo.explicarlo, qu dira? Las definiciones generales parecenunEl flujo hacia delante del tiempo implica una direccin, yes-tanto vagas. Por lo comn, decimos:to se describe en ocasionescomo la flecha del tiempo. Los aconte-El tiempo es el flujocontinuo y hacia delante de los su-cimientos no suceden como parececuando un proyector de pe-cesos. lculas se pone en marcha haciaatrs. Si se agrega leche fra alOtras ideas en torno al tiempoincluyen las siguientes.caf negro y caliente, se obtiene una mezclade color caf claro que se puede beber; pero no es posible obtenerleche fra y cafPlatn, el filsofo griego observaba: negro y calientea partir de esa misma mezcla de color caf. AsEl Sol, la Luna y losplanetas fueron creados para de- es la flecha irreversible de unproceso fsico (y del tiempo): nun-finir y preservar los nmeros deltiempo.ca se podra revertir el proceso para obtener un ingredientefroSan Agustn tambin ponderaba el tiempo: y otro caliente. Estaflecha del tiempo se describir en el captu-Qu es el tiempo? Sinadie pregunta, lo s; si quiero ex- lo 12 en trminos de entropa,que indica cmo fluir un pro-plicarlo a quien pregunta, no lo s.ceso termodinmico.La pregunta qu es el tiempo? nos ayuda acomprenderMarco Aurelio, el filsofo y emperador romano, escribi: loque significa una cantidad fsica fundamental, como la masa,Eltiempo es una especie de ro de los hechos que suceden, la longitudo el tiempo mismo. Bsicamente, stas son las pro-y su corriente esfuerte.piedades ms simples de lo que pensaramos para describir laElSombrerero Loco, el personaje de Alicia en el pas de las mara-naturaleza. As que la respuesta ms segura es:villas, de LewisCarroll, crea saber lo que era el tiempo:El tiempo es una cantidadfsica fundamental.Si t conocieras el Tiempo tan bien como yo, nohablaras de Esto, en cierto forma, enmascara nuestra ignorancia, yla fsicadesperdiciarlo Ahora, si tan slo estuvieras en buenos tr-contina a partir de ah, utilizando el tiempo para describir yminoscon l, hara casi cualquier cosa que t quisieras con explicar lo queobservamos.Unidades base del SIEl SI tiene siete unidades base parasiete cantidades base, las cuales se supone queson mutuamenteindependientes. Adems del metro, el kilogramo y el segundo para1.longitud, 2. masa y 3. tiempo, las unidades SI incluyen 4.corriente elctrica (carga/segundo) en amperes (A), 5. temperaturaen kelvin (K), 6. cantidad de sustanciaen moles (mol) y 7.intensidad luminosa en candelas (cd). Vase la tabla 1.1. Se creeque las cantidades mencionadas constituyen el nmero mnimo decan-tidades base necesarias para describir cabalmente todo lo quese observa o mide enla naturaleza.Una oscilacin de frecuenciaCesio133 1 s = 9 192 631 770 oscilacionesDetector dea)radiacin FIGURA1.3 El estndar de tiempo en el SI: el segundo El segundose definiuna vez en trminos del da solar promedio. a) Ahora se defineconbase en la frecuencia de la radiacin asociada con unatransicinatmica. b) El reloj atmico de fuente que se muestra aqu,en el NIST,es el estndar de tiempo para Estados Unidos. La variacinde estereloj es de menos de un segundo cada 20 millones de aos.b)30. 1.3 Ms acerca del sistema mtrico 7TABLA 1.1Las siete unidadesbase del SI Nombre de la unidad (abreviatura)Propiedad medida metro(m)longitud kilogramo (kg) masa segundo (s)tiempo ampere (A)corriente elctrica kelvin (K) temperatura mol (mol)cantidad desustancia candela (cd) intensidad luminosa1.3 Ms acerca del sistemamtricoOBJETIVOS: Aprender a usar a) prefijos mtricos y b) unidadesmtricas no es- tndares.El sistema mtrico que incluye las unidadesestndar de longitud, masa y tiempo, aho-ra incorporados en el SI,en otros tiempos se conoca como sistema mks (pormetro-ki-logramo-segundo). Otro sistema mtrico que se ha usado paramanejar cantidadesrelativamente pequeas es el sistema cgs (porcentmetro-gramo-segundo). En EstadosUnidos, el sistema que se sigueusando generalmente es el sistema ingls de ingenie-ra, en el cuallas unidades estndar de longitud, masa y tiempo son pie, slug ysegun-do, respectivamente. Tal vez el lector no haya odo hablar delslug porque, como yadijimos, suele utilizarse la fuerzagravitacional (peso) en lugar de la masa libras envez de slugs paradescribir cantidades de materia. Por ello, el sistema inglstambinse conoce como sistema fps (porfoot[pie]-pound[libra]-second[segundo]). El sistema mtricopredomina en todo el mundo y cada vez se est usando ms enEstadosUnidos. Gracias a su sencillez matemtica, es el sistema de unidadespreferidoen ciencia y tecnologa. Usaremos unidades SI en casi todoeste libro. Todas las cantidadesse pueden expresar en unidades SI.No obstante, algunas unidades de otros sistemas seaceptan para usoslimitados por cuestiones prcticas; por ejemplo, la unidad detiempohora y la unidad de temperatura grado Celsius. En losprimeros captulos usaremos oca-sionalmente unidades inglesas confines comparativos, ya que en varios pases esas uni-dades se siguenusando en actividades cotidianas y en muchas aplicaciones prcticas.El creciente uso del sistema mtrico en todo el mundo implica quedebemos fami-liarizarnos con l. Una de sus mayores ventajas es quese trata de un sistema decimal, esdecir, de base 10. Esto implicaque se obtienen unidades ms grandes o ms pequeasmultiplicando odividiendo, respectivamente, una unidad base por potencias de 10.Enla tabla 1.2 se presenta una lista de algunos mltiplos deunidades mtricas y sus pre-fijos correspondientes. TABLA 1.2Algunosmltiplos y prefijos de unidades mtricas* MltiploPrefijo (yabreviatura)MltiploPrefijo (y abreviatura) 1012 tera- (T)102 centi-(c)

FISICA WILSON BUFFA LOU SEXTA EDICION SOLUCIONARIO

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