Física,conceptos y aplicacionesSéptima edición revisada

SE P T IM A E D I C I O N R E V ISA D A

Física,

conceptos y

aplicacionesSé p t im a e d ic ió n revisada

Paul E. TippensP ro fe so r E m é rito

S o u th e rn P o ly te c h n ic S ta te U n iv e rs i ty

T ra du c c ió n

A n g e l C a rlo s G o n z á le z R u iz

U n iv e rs id a d N a c io n a l A u tó n om a d e M éx ic o

R ev is ió n té c n ic a

A n a E liz a b e th G a rc ía H e rn á n d e z

C in v e s ta v - In s ti tu to P o li té c n ic o N a c io n a l

M e

G r a w

H i l l

M É X IC O • B O G O T Á • B U E N O S A IR E S • C A R A C A S • G U A T E M A L A • L IS B O A • M A D R I D N U E V A Y O R K • S A N J U A N • S A N T I A G O A U C K L A N D • L O N D R E S • M I L Á N

M O N T R E A L • N U E V A D E L H I • S A N F R A N C IS C O • S IN G A P U R • ST. L O U IS • S ID N E Y • T O R O N T O

Publisher: J a v ie r N e y ra B ra v o

Director editorial: R ic a rd o M a r tín d e l C a m p o M o ra

Editor sponsor: L u is A m a d o r V a ld e z V á z q u e z

Física, Conceptos y aplicaciones

S é p tim a e d ic ió n re v is a d a

P ro h ib id a la r e p ro d u c c ió n to ta l o p a rc ia l d e e s ta o b ra ,

p o r c u a lq u ie r m e d io , s in la a u to r iz a c ió n e s c r i ta d e l ed ito r.

¡ Educación

D E R E C H O S R E S E R V A D O S © 2 01 1 r e s p e c to a la s é p t im a e d ic ió n r e v is a d a e n e s p a ñ o l p o r:

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Im p re s o e n P e rú . Printed in Perú

Im p re s o e n E m p re s a E d ito ra E l C o m e rc io S .A . Printed by Empresa Editora El Comercio S.A.

The McGrQW-Hill Companies

Acerca del autor

Paul E. Tippens h a e s c r ito d o s l ib ro s d e te x to d e g ra n é x ito p a ra M c G ra w -H ill C o m p a n ie s ,

a s í c o m o e l m a te r ia l c o m p le m e n ta r io c o r re sp o n d ie n te . S u lib ro m á s re c o n o c id o , Física, con­

ceptos y aplicaciones, g a n ó e l P re m io M cG u ffe y , p re s tig io s o y a n tig u o g a la rd ó n o to rg a d o a lo s

l ib ro s d e te x to c u y a e x c e le n c ia se h a d e m o s tra d o a lo la rg o d e lo s añ o s . P o r a ñ a d id u ra , e s a u to r

d e Física técnica básica, s e g u n d a ed ic ió n . E s o s l ib ro s se h a n tra d u c id o a l e sp a ñ o l, f ra n c é s ,

c h in o y ja p o n é s . E n tre o tro s t ra b a jo s d e l a u to r se c u e n ta n c u a tro v o lú m e n e s d e tu to r ia le s co m -

p u ta r iz a d o s y n u m e ro s o s d o c u m e n to s p u b lic a d o s e n e d ic io n e s d e s ta c a d a s . E l d o c to r T ip p e n s

e s m ie m b ro a c tiv o d e la T ex t a n d A c a d e m ic A u th o rs A s s o c ia tio n ( t a a ) y u n f irm e d e fe n s o r

d e la ta re a d e b r in d a r in fo rm a c ió n , a s e s o r ía y tra b a jo e n re d p a ra lo s c re a d o re s d e p ro p ie d a d

in te le c tu a l. F u n g ió d u ra n te u n p a r d e añ o s c o m o V P /p re s id e n te e le c to d e la t a a , a so c ia c ió n q u e

se c o n s id e ra c o m o u n a in s titu c ió n m u y im p o r ta n te p a ra d a r v o z a lo s a u to re s c o n o b je to d e a s e ­

g u ra r sus d e re c h o s d e p ro p ie d a d in te le c tu a l. T ie n e u n d o c to ra d o e n a d m in is tra c ió n e d u c a tiv a

p o r la U n iv e rs id a d d e A u b u m y u n a m a e s tr ía e n f ís ic a p o r la U n iv e rs id a d d e G e o rg ia . A d e m á s ,

h a te rm in a d o v a r io s c u rs o s b re v e s e n al m e n o s o tra s c u a tro u n iv e rs id a d e s re c o n o c id a s . E n la

a c tu a lid a d , e s p ro fe s o r e m é r ito d e la U n iv e rs id a d P o li té c n ic a E s ta ta l d e l S u r e n M a r ie ta , G e o r ­

g ia , d o n d e h a d a d o c la se s d e f ís ic a p a ra b a c h ille ra to d u ra n te 30 añ o s .

Agradecimientos

U n te x to c lá s ic o c o m o e l q u e a h o ra t ie n e e l le c to r e n su s m a n o s e s u n a o b ra e n m e jo ra

p e rm a n e n te . L a le c tu ra c r í t ic a y la re v is ió n d e l au to r, d e lo s e d ito re s y d e p ro fe s o re s y e s tu d ia n te s

c o n tr ib u y e n a m e jo ra r lo , a e n r iq u e c e r lo . A s í, e l lib ro se c o n v ie r te e n u n a s u e r te d e m e d io p o r

e l q u e lo s le c to re s m a n tie n e n u n d iá lo g o c o n s ta n te c o n e l a u to r , lo q u e i r re m e d ia b le m e n te

d e s e m b o c a e n n u e v a s e d ic io n e s o e n e d ic io n e s re v is a d a s , c o m o la p re s e n te .

E n e s te s e n tid o , e l p ro f e s o r V íc to r M a n u e l J im é n e z R o m e ro , d e l Colegio Rossland,

m e re c e u n re c o n o c im ie n to e s p e c ia l p o r la m e tic u lo s a y p a c ie n te r e v is ió n q u e h iz o d e e s ta

o b ra . S u s id e a s , o b s e rv a c io n e s y s u g e re n c ia s r e s u lta ro n m u y v a lio s a s e n e l m o m e n to d e e d i ta r

e s ta s é p t im a e d ic ió n re v is a d a .

A s im ism o , se e x t ie n d e u n a g ra d e c im ie n to a lo s p ro fe s o re s s ig u ie n te s , q u ie n e s c o n su s

id e a s y c o m e n ta r io s h a n c o n tr ib u id o a e n r iq u e c e r e l lib ro .

A lfo n so A lfa ro P e ñ a CECyT 7 1PN

A lfo n so E sp in o sa N av a rro Colegio Michelet

Á n g e l P e ñ a C h ap a rro CECyT 7 IPN

A v e la rd o C ru z Colegio Westminster

F e rn a n d o V arela CECyT 3 IPN

F ra n c isco J. S u á re z A lv a rad o CECyT 15 IPN

G ab rie l de A n d a L ó p ez CECyT 7 IPN

G ab rie l R am íre z G u z m á n Colegio de

Bachilleres de Quintana Roo, plantel 2

G am a lie l T eja G u tié rrez CECyT 7 IPN

H o m ero G a rc ía M artín ez ITESM campus

Santa Fe

H u g o R am o s Á n g e le s CECyT 3 IPN

Isa ac H e rn án d ez A rd ie ta UVM Coacalco

Ism ae l M u ñ o z ITESM campus Hidalgo

Is ra e l Á v ila G a rc ía UVM Coacalco

J a v ie r R an g e l P áez Universidad de

Guadalajara

Je sú s H o m ero C ru z R ey es CECyT 7 IPN

Je sú s M an u e l H e ras M artín ez CECyT 7 IPN

Jo sé L u is N o rie g a C o re lla CECyT 7 IPN

L eo n e l In fan te Colegio Hebreo Monte Sinaí

y Hebreo Tarbut

L eo n e l R a m írez R am írez La Salle Benjamín

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L y zze tte T ib u rc io Colegio Washington

M an u e l C ru z N a v a CECyT 7 IPN

M arc o A n to n io C árd e n as A y a la UVM Tlalpan

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M arco s F. A m aro M erin o CECyT 7 IPN

M a r ia n a C árd en as R am o s Universidad de

Guadalajara

M ig u e l Á n g e l M arc ia l ENP 7 UNAM

M ig u e l Á n g e l V á zq u ez Ib a rra UVM Lomas

Verdes

M o isés G u stav o M artín ez CECyT 7 IPN

R a fa e l M o ra le s C o n tre ra s CECyT 7 IPN

R aq u e l N ú ñ ez M o ra CECyT 7 IPN

R o d o lfo V ega G a rc ía CECyT 7 IPN

S ilv ia M affe y G a rc ía CECyT 2 IPN

v

Para Jared Andrew Tippens y Elizabeth Marie Tippens

Y para todo el elenco de apoyo: Sarah, Travis y Ryan Tippens

Ser bisnieto es estupendo: plenitud de alegría y sin responsabilidades

Resumen de contenido

J J j j j j l Mecánica

Capítulo 1 Introducción 1

Capítulo 2 Matemáticas técnicas 6

Capítulo 3 Mediciones técnicas

y vectores 34

Capítulo 4 Equilibrio traslacional

y fricción 68

Capítulo 5 Momento de torsión y equilibrio

rotacional 93

Capítulo 6 Ace leración uniforme 111

Capítulo 7 Segunda ley de Newton 137

Capítulo 8 Trabajo, energía y potencia 157

Capítulo 9 Impulso y cantidad de

mov im iento 179

Capítulo 10 Mov im iento circular uniforme

196

Capítulo 11 Rotación de cuerpos rígidos

220

Capítulo 12 Máquinas simples 245

Capítulo 13 Elasticidad 265

Capítulo 14 Movim iento armónico simple

279

Capítulo 15 Fluidos 301

Termodinámica,

ondas mecánicas y

sonido

Capítulo 16 Temperatura y dilatación 329

Capítulo 17 Cantidad de calor 350

Capítulo 18 Transferencia de calor 369

Capítulo 19 Propiedades térmicas de

la materia 383

Capítulo 20 Termodinámica 403

Capítulo 21 Movim iento ondulatorio 426

Capítulo 22 Sonido 441

Electricidad, magnetismo

y óptica

Capítulo 23 La fuerza eléctrica 463

Capítulo 24 El campo eléctrico 478

Capítulo 25 Potencial eléctrico 496

Capítulo 26 Capacitancia 512

Capítulo 27 Corriente y resistencia 532

Capítulo 28 Circuitos de corriente

continua 548

Capítulo 29 Magnetismo y campo

magnético 567

Capítulo 30 Fuerzas y momentos de torsión

en un campo magnético 589

Capítulo 31 Inducción electromagnética

601

Capítulo 32 Circuitos de corriente alterna

622

Capítulo 33 Luz e iluminación 642

Capítulo 34 Reflexión y espejos 661

Capítulo 35 Refracción 678

Capítulo 36 Lentes e instrumentos

ópticos 696

Capítulo 37 Interferencia, difracción

y polarización 714

Capítulo 38

Capítulo 39

Física moderna

La física moderna

y el átomo 731

La física nuclear

y el núcleo 757

vii

Prefacio x ii i

Capítulo 1 Introducción 1

1.1 ¿ Q u é es la f ís ic a ? 2

1.2 ¿Q u é im p o rtan c ia tienen las m atem ática s? 3

1.3 ¿ C ó m o e s tu d ia r f ís ic a ? 3

Capítulo 2 Matemáticas técnicas 6

2 .1 N ú m e ro s c o n s ig n o 7

2 .2 R e p a s o d e á lg e b ra 10

2 .3 E x p o n e n te s y ra d ic a le s (o p ta tiv o ) 12

2 .4 S o lu c ió n a e c u a c io n e s c u a d rá t ic a s 15

2 .5 N o ta c ió n c ie n tíf ic a 16

2 .6 G rá f ic a s 18

2 .7 G e o m e tr ía 19

2 .8 T r ig o n o m e tr ía d e l tr iá n g u lo

r e c tá n g u lo 2 2

Capítulo 3 Mediciones técnicas y

vectores 34

3.1 C a n tid a d e s f ís ic a s 35

3 .2 E l S is te m a In te rn a c io n a l 36

3 .3 M e d ic ió n d e lo n g itu d y t ie m p o 12

3 .4 C if ra s s ig n if ic a tiv a s 3 9

3 .5 In s tru m e n to s d e m e d ic ió n 41

3 .6 C o n v e rs ió n d e u n id a d e s 4 2

3 .7 C a n tid a d e s v e c to r ia le s y e s c a la re s 4 5

3 .8 S u m a o a d ic ió n d e v e c to re s p o r m é to d o s

g rá f ic o s 4 7

3 .9 F u e rz a y v e c to re s 4 9

3 .1 0 L a fu e rz a re s u lta n te 51

3 .11 T r ig o n o m e tr ía y v e c to re s 52

3 .1 2 E l m é to d o d e la s c o m p o n e n te s p a r a la

s u m a o a d ic ió n d e v e c to re s 55

3 .1 3 N o ta c ió n d e v e c to re s u n ita r io s

(o p c io n a l) 16

3 .1 4 R e s ta o s u s tra c c ió n d e v e c to re s 61

Capítulo 4 Equilibrio traslacional y

fricción 68

4 .1 P r im e ra le y d e N e w to n 69

4 .2 S e g u n d a le y d e N e w to n 6 9

4 .3 T e rc e ra le y d e N e w to n 70

4 .4 E q u il ib r io 71

4 .5 D ia g ra m a s d e c u e rp o l ib re 7 2

4 .6 S o lu c ió n d e p ro b le m a s d e e q u il ib r io 75

4 .7 F r ic c ió n 7 9

Capítulo 5 Momento de torsión y

equilibrio rotacional 93

5.1 C o n d ic io n e s d e e q u il ib r io 9 4

5 .2 E l b ra z o d e p a la n c a 95

5 .3 M o m e n to d e to rs ió n 9 6

5 .4 M o m e n to d e to rs ió n r e s u lta n te 9 9

5 .5 E q u il ib r io 100

5 .6 C e n tro d e g ra v e d a d 7 2

Capítulo 6 Aceleración uniforme 111

6.1 R a p id e z y v e lo c id a d 112

6 .2 A c e le ra c ió n 113

6 .3 M o v im ie n to u n ifo rm e m e n te

a c e le ra d o 114

6 .4 O tra s re la c io n e s ú t i le s 116

6 .5 R e s o lu c ió n d e p ro b le m a s d e

a c e le ra c ió n 117

6 .6 C o n v e n c ió n d e s ig n o s e n p ro b le m a s d e

a c e le ra c ió n 119

6 .7 G ra v e d a d y c u e rp o s e n c a íd a l ib re 121

6 .8 M o v im ie n to d e p ro y e c t i le s 126

6 .9 P ro y e c c ió n h o r iz o n ta l 126

6 .1 0 E l p ro b le m a g e n e ra l d e la s

tra y e c to r ia s 129

Capítulo 7 Segunda ley de Newton 137

7 .1 S e g u n d a le y d e N e w to n s o b re el

m o v im ie n to 138

7 .2 R e la c ió n e n tre p e s o y m a s a 140

7 .3 A p lic a c ió n d e la s e g u n d a le y d e N e w to n

a p ro b le m a s d e u n so lo c u e rp o 143

7 .4 T é c n ic a s p a ra r e s o lv e r p ro b le m a s 145

7 .5 R e s o lu c ió n d e p ro b le m a s d e

a c e le ra c ió n 117

7 .6 C o n v e n c ió n d e s ig n o s e n p ro b le m a s d e

a c e le ra c ió n 119

7 .7 G ra v e d a d y c u e rp o s e n c a íd a l ib re 121

7 .8 M o v im ie n to d e p ro y e c t i le s 126

7 .9 P ro y e c c ió n h o r iz o n ta l 126

7 .1 0 E l p ro b le m a g e n e ra l d e la s

tra y e c to r ia s 129

Capítulo 8 Trabajo, energía y

potencia 157

8.1 T ra b a jo 158

8 .2 T ra b a jo re s u lta n te 159

8 .3 E n e rg ía 161

8 .4 T ra b a jo y e n e rg ía c in é t ic a 162

viii