Física general

407 Pages·2011·8.4 MB·Spanish

CONTENIDO i
F
ÍSICA GENERAL
Décima edición
Frederick J. Bueche
University of Dayton
Eugene Hecht
Adelphi University
Traducción
Ing. José Hernán Pérez Castellanos
Instituto Politécnico Nacional
Revisión técnica
Ana Elizabeth García Hernández
Cinvestav-Instituto Politécnico Nacional
México • Bogotá • Buenos Aires • Caracas • Guatemala • Lisboa • Madrid • Nueva York
San Juan • Santiago • Auckland • Londres • Milán • Montreal • Nueva Delhi • San Francisco
Singapur • St.Louis • Sydney • Toronto
ii FÍSICAGENERAL
Publisher de la división escolar: Jorge Rodríguez Hernández
Director editorial: Ricardo Martín Del Campo
Editor sponsor: Luis Amador Valdez Vázquez
Supervisora de producción: Jacqueline Brieño Álvarez
Diagramación: TROCAS
Física general
Décima edición
Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, por cualquier medio,
sin la autorización escrita del editor.
DERECHOS RESERVADOS © 2007, respecto a la primera edición por:
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ISBN-13: 978-970-10-6161-9
ISBN-10: 970-10-6161-6
Translated from the 10th edition of COLLEGE PHYSICS
Copyright © MMVI by The McGraw-Hill Companies, Inc. All rights reserved.
Previous editions © 1997, 1989, 1979, 1961, 1946, 1942, 1940, 1939, and 1936.
ISBN: 0-07-144814-4
1234567890 09865432107
Impreso en México Printed in Mexico
CONTENIDO iii
EUGENE HECHT es integrante de tiempo completo del Departamento de
Física de la Adelphi University en Nueva York, y siente una enorme satis-
facción al enseñar; hace poco tiempo, los estudiantes lo eligieron Profesor
del año. Ha escrito nueve libros, entre ellos Optics, 4ª. edición, publicado
por Addison Wesley, que ha sido el texto más importante en su campo, en
todo el mundo, durante casi tres décadas. El profesor Hecht también escri-
bióSchaum’s Outline of Optics y otras dos obras destacadas, Physics: Alg/
Trig, 3ª. edición, y Physics: Calculus, 2ª. edición, ambas publicadas por Bro-
oks/Cole. Estos modernos e innovadores textos de introducción se emplean
en Estados Unidos y otros países. Como integrante del consejo editorial ha
ayudado a diseñar y crear la Encyclopedia of Modern Optic, publicada por
Elsevier (2005). Su libro acerca del ceramista estadounidense G. E. Ohr,
The Mad Potter of Biloxi, publicado por Abbeville, ganó el premio Libro de
arte del año 1989. El profesor Hecht ha ofrecido conferencias sobre arte y
física en museos, galerías, y universidades en todo el mundo. En la actuali-
dad es parte del consejo del nuevo museo de arte George E. Ohr, diseñado
por Frank Gehry, y es coautor del catálogo y curador asociado de la expo-
sición inaugural. En años recientes el profesor Hecht ha publicado varios
documentos sobre la teoría especial de la relatividad, la historia de las ideas,
y aspectos fundamentales de la física. Dedica casi todo su tiempo a estudiar
física, escribir sobre arte y practicar para obtener una cinta negra en cuarto
grado en Tae kwan do.
FREDERICK J. BUECHE (fi nado) en años recientes fue nombrado Pro-
fesor distinguido en gran escala, en la University of Dayton, y obtuvo su
doctorado en física en la Cornell University. Publicó casi 100 documentos
de investigación relacionados con la física de los polímeros altos. Además,
fue el autor de un texto para estudiantes titulados sobre física macromole-
cular. Sin embargo, su principal esfuerzo fue en la enseñanza de la física. En
1965 publicó su texto de física general, Principles of Physics, el cual ahora
está en su quinta edición y se utiliza en muchos lugares. El doctor Bueche
fue el autor de otros cinco textos de introducción a la física y numerosos
libros de trabajo y guías de estudio.
iv FÍSICAGENERAL
C
ONTENIDO
Capítulo 1 RAPIDEZ, DESPLAZAMIENTO Y VELOCIDAD:
INTRODUCCIÓN A LOS VECTORES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Una cantidad escalar. Distancia. La rapidez promedio. Rapidez instantánea. Una cantidad
vectorial. El desplazamiento. La velocidad. La velocidad instantánea. La suma de vectores.
El método de punta a cola (o del polígono). Método del paralelogramo. Sustracción
o resta de vectores. Las funciones trigonométricas. Una componente de un vector.
Método de componentes para sumar vectores. Los vectores unitarios.
Capítulo 2 MOVIMIENTO UNIFORMEMENTE ACELERADO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
La aceleración. El movimiento uniformemente rectilineo. La dirección es importante.
La interpretación gráfi ca. Aceleración debida a la gravedad. Componentes de la
velocidad. Los problemas de proyectiles.
Capítulo 3 LEYES DE NEWTON. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
La masa. El kilogramo patrón (estándar). Fuerza. La fuerza resultante. El newton.
Primera ley de Newton. Segunda ley de Newton. Tercera ley de Newton. Ley de la
gravitación universal. El peso. Relación entre masa y peso. Fuerza de tensión.
Fuerza de fricción. Fuerza normal. Coefi ciente de fricción cinética. Coefi ciente de
fricción estática. Análisis dimensional. Operaciones matemáticas con unidades.
Capítulo 4 EQUILIBRIO BAJO LA ACCIÓN DE FUERZAS CONCURRENTES. . . . . . . . . . . 45
Las fuerzas concurrentes. Un objeto está en equilibrio. La primera condición de
equilibrio. Método de resolución de problemas (fuerzas concurrentes). El peso de un
objeto. La fuerza de tensión. Fuerza de fricción. La fuerza normal. Poleas.
Capítulo 5 EQUILIBRIO DE UN CUERPO RÍGIDO BAJO LA ACCIÓN
DE FUERZAS COPLANARES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
La torca (o momento de torsión). Las dos condiciones para el equilibrio. El centro de
gravedad. La posición de los ejes es arbitraria.
Capítulo 6 TRABAJO, ENERGÍA Y POTENCIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
El trabajo. La unidad de trabajo. La energía. La energía cinética. La energía
gravitacional. Teorema del trabajo-energía. Conservación de la energía.
Potencia. El kilowatt-hora.
Capítulo 7 MÁQUINAS SIMPLES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
Una Máquina. El principio de trabajo. Ventaja mecánica. La efi ciencia.
CONTENIDO v
Capítulo 8 IMPULSO Y CANTIDAD DE MOVIMIENTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
La cantidad de movimiento lineal. El impulso. Un impulso causa un cambio en la
cantidad de movimiento. Conservación de la cantidad de movimiento lineal.
En colisiones (choques) y explosiones. Una colisión perfectamente elástica.
Coefi ciente de restitución. El centro de masa.
Capítulo 9 MOVIMIENTO ANGULAR EN UN PLANO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
El desplazamiento angular. La rapidez angular. La aceleración angular. Las ecuaciones
para el movimiento angular uniformemente acelerado. Relaciones entre cantidades
angulares y tangenciales. Aceleración centrípeta. La fuerza centrípeta.
Capítulo 10 ROTACIÓN DE UN CUERPO RÍGIDO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
La torca (o momento de torsión). El momento de inercia. Torca y aceleración angular.
Energía cinética de rotación. Rotación y traslación combinadas. El trabajo. La potencia.
La cantidad de movimiento angular. El impulso angular. Teorema de los ejes paralelos.
Analogía entre cantidades lineales y angulares.
Capítulo 11 MOVIMIENTO ARMÓNICO SIMPLE Y RESORTES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
El periodo. La frecuencia. La gráfi ca de un movimiento vibratorio. El desplazamiento.
Una fuerza restauradora. Un sistema hookeano. Movimiento armónico simple (MAS).
La energía potencial elástica. El intercambio de energía. La rapidez de un MAS.
La aceleración en un MAS. Círculo de referencia. Periodo en el MAS. Aceleración en
términos de T. El péndulo simple.
Capítulo 12 DENSIDAD; ELASTICIDAD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
La densidad. Densidad relativa (Gravedad específi ca). Elasticidad. Esfuerzo.
Deformación. Límite elástico. Módulo de Young. El módulo volumétrico.
El módulo de corte (o cortante).
Capítulo 13 FLUIDOS EN REPOSO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
La presión promedio. La presión atmosférica estándar. La presión hidrostática.
Principio de Pascal. Principio de Arquímedes.
Capítulo 14 FLUIDOS EN MOVIMIENTO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
Flujo o descarga de un fl uido. Ecuación de continuidad. La tasa de corte. La viscosidad.
Ley de Poiseuille. El trabajo efectuado por un pistón. El trabajo efectuado por una
presión. Ecuación de Bernoulli. Teorema de Torricelli. El número de Reynolds.
Capítulo 15 DILATACION TÉRMICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
La temperatura. Dilatación lineal de un sólido. Dilatación superfi cial.
Dilatación volumétrica.
Capítulo 16 GASES IDEALES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
Un gas ideal (o perfecto). Un mol de una sustancia. Ley del gas ideal. Los casos
especiales. El cero absoluto. Las condiciones estándar o temperatura y presión estándares
(TPE). Ley de Dalton de las presiones parciales. Los problemas sobre la ley de los gases.
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Capítulo 17 TEORÍA CINÉTICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
La teoría cinética. El número de Avogadro. La masa de una molécula. La energía
cinética promedio traslacional. La raíz cuadrática media. La temperatura absoluta.
La presión. La trayectoria libre media (TLM).
Capítulo 18 CALORIMETRÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
Energía térmica. Calor. El calor específi co. El calor ganado (o perdido). El calor de
fusión. El calor de vaporización. El calor de sublimación. Los problemas de
calorimetría. La humedad absoluta. La humedad relativa. Punto de rocío.
Capítulo 19 TRANSFERENCIA DE ENERGÍA CALORÍFICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
La energía calorífi ca se puede transferir. La conducción. La resistencia térmica.
La convección. La radiación.
Capítulo 20 PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
Calor. La energía interna. El trabajo efectuado por un sistema. La primera ley de la
termodinámica. Un proceso isobárico. Un proceso isovolumétrico. Un proceso
isotérmico. Un proceso adiabático. El calor específi co de los gases. Razón de calor
específi co. El trabajo está relacionado con el área. La efi ciencia de una máquina térmica.
Capítulo 21 ENTROPÍA Y LA SEGUNDA LEY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
La segunda ley de la termodinámica. La entropía. La entropía es una medida
del desorden. El estado más probable.
Capítulo 22 MOVIMIENTO ONDULATORIO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
Una onda que se propaga. Terminología ondulatoria. Las vibraciones en fase.
La rapidez de una onda transversal. Ondas estacionarias. Condiciones para la
resonancia. Las ondas longitudinales (o de compresión).
Capítulo 23 SONIDO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
Las ondas sonoras. Ecuación para calcular la rapidez del sonido. La rapidez del sonido
en el aire. La intensidad. La intensidad acústica. El nivel de intensidad (o volumen
sonoro). Pulsaciones (o latidos). Efecto Doppler. Efectos de interferencia.
Capítulo 24 LEY DE COULOMB Y CAMPOS ELÉCTRICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
Ley de Coulomb. La carga está cuantizada. Conservación de la carga. El concepto de
carga de prueba. Un campo eléctrico. La intensidad del campo eléctrico.
Campo eléctrico debido a una carga puntual. Principio de superposición.
Capítulo 25 POTENCIAL ELÉCTRICO Y CAPACITANCIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
La diferencia de potencial. Potencial absoluto. Energía potencial eléctrica. Relación
entreV y E. Electrón volt, una unidad de energía. Un capacitor. Capacitor de placas
paralelas. Capacitores en paralelo y en serie. Energía almacenada en un capacitor.
CONTENIDO vii
Capítulo 26 CORRIENTE, RESISTENCIA Y LEY DE OHM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
Una corriente. Una batería. La resistencia. Ley de Ohm. Medición de la resistencia
por medio de amperímetro y voltímetro. La diferencia de potencial de las terminales.
Resistividad. La resistencia varía con la temperatura. Cambios de potencial.
Capítulo 27 POTENCIA ELÉCTRICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
El trabajo eléctrico. La potencia eléctrica. La pérdida de potencia de un resistor.
En un resistor, el calor generado. Conversiones útiles.
Capítulo 28 RESISTENCIA EQUIVALENTE; CIRCUITOS SIMPLES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
Resistores en serie. Resistores en paralelo.
Capítulo 29 LEYES DE KIRCHHOFF. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
Regla de nodos (o nudos) de Kirchhoff. Regla de mallas (o circuito cerrado) de
Kirchhoff. El conjunto de ecuaciones obtenidas.
Capítulo 30 FUERZAS EN CAMPOS MAGNÉTICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
Un campo magnético. Las líneas de campo magnético. Un imán. Los polos
magnéticos. Una carga que se mueve a través de un campo magnético. La dirección
de la fuerza. La magnitud de la fuerza. El campo magnético en un punto.
Fuerza sobre una corriente en un campo magnético. Torca sobre una bobina plana.
Capítulo 31 FUENTES DE CAMPOS MAGNÉTICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
Los campos magnéticos se producen. La dirección del campo magnético.
Los materiales ferromagnéticos. El momento magnético. Campo magnético
producido por un elemento de corriente.
Capítulo 32 FEM INDUCIDA; FLUJO MAGNÉTICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
Efectos magnéticos en la materia. Líneas de campo magnético. El fl ujo magnético.
Una FEM inducida. Ley de Faraday para la FEM inducida. Ley de Lenz. FEM
generada por movimiento.
Capítulo 33 GENERADORES Y MOTORES ELÉCTRICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
Los generadores eléctricos. Los motores eléctricos.
Capítulo 34 INDUCTANCIA; CONSTANTES DE TIEMPO R-C Y R-L . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
Autoinductancia. Inductancia mutua. Energía almacenada en un inductor.
Constante de tiempo R-C. Constante de tiempo R-L. Las funciones exponenciales.
Capítulo 35 CORRIENTE ALTERNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
La FEM generada por una bobina que gira. Los medidores. El calor generado o la
potencia perdida. Formas de la ley de Ohm. Fase. La impedancia. Fasores.
La resonancia. Pérdida de potencia. Un transformador.
viii FÍSICAGENERAL
Capítulo 36 REFLEXIÓN DE LA LUZ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
Naturaleza de la luz. Ley de refl exión. Los espejos planos. Espejos esféricos. Trazo
de rayos. La ecuación de los espejos. El tamaño de imagen.
Capítulo 37 REFRACCIÓN DE LA LUZ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
La rapidez de la luz. Índice de refracción. Refracción. Ley de Snell.
Ángulo crítico para la refl exión interna total. Un prisma.
Capítulo 38 LENTES DELGADOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
Tipos de lentes. Trazo de rayos. Relación objeto-imagen. Ecuación del fabricante
de lentes. La potencia de un lente. Lentes en contacto.
Capítulo 39 INSTRUMENTOS ÓPTICOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
Combinación de lentes delgados. El ojo. Amplifi cación angular.
Un vidrio amplifi cador (lupa). Un microscopio. Un telescopio.
Capítulo 40 INTERFERENCIA Y DIFRACCIÓN DE LA LUZ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
Una onda de propagación. Las ondas coherentes. La fase relativa. Los efectos de la
interferencia. La difracción. Difracción Fraunhofer de una sola rendija. Límite de
resolución. Ecuación de la rejilla de difracción. La difracción de rayos X. Longitud
de camino óptico.
Capítulo 41 RELATIVIDAD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
Un sistema de referencia. La teoría especial de la relatividad. El momento lineal
relativista. Rapidez límite. Energía relativista. Dilatación del tiempo. Simultaneidad.
Contracción de la longitud. Fórmula para sumar velocidades.
Capítulo 42 FÍSICA CUÁNTICA Y MECÁNICA ONDULATORIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
Cuantos de radiación. Efecto eléctrico. La Cantidad o movimiento de un fotón. Efecto
Compton. Longitud de onda de Broglie. Resonancia de las ondas de De Broglie.
Las energías cuantizadas.
Capítulo 43 EL ÁTOMO DE HIDRÓGENO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
El átomo de hidrógeno. Órbitas electrónicas. Los diagramas de los niveles de energía.
Emisión de luz. Las líneas espectrales. Origen de las series espectrales. Absorción de luz.
Capítulo 44 ÁTOMOS MULTIELECTRONES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
En un átomo neutro. Los números cuánticos. El principio de exclusión de Pauli.
Capítulo 45 NÚCLEOS Y RADIACTIVIDAD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
El núcleo. Carga nuclear y número atómico. Unidad de masa atómica. Número de
masa. Isótopos. Energías de enlace. Radiactividad. Ecuaciones nucleares.
CONTENIDO ix
Capítulo 46 FÍSICA NUCLEAR APLICADA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
Las energías nucleares de enlace. Reacción de fi sión. Reacción de fusión. La dosis de
radiación. Potencial de daño por radiación. La dosis de radiación efectiva. Aceleradores
de alta energía. La cantidad de movimiento (momento) lineal de una partícula.
Apéndice A Cifras signifi cativas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
Apéndice B Trigonometría que se requiere para física universitaria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
Apéndice C Exponentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
Apéndice D Logaritmos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
Apéndice E Prefi jos para los múltiplos de las unidades del SI. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386
Apéndice F Factores para conversiones a unidades del SI. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387
Apéndice G Constantes físicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
Apéndice H Tabla de los elementos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389
Índice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391