Download - Física, conceptos y aplicaciones
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
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P ro lo n g a c ió n P a s e o d e la R e fo rm a 101 5 T o rre A
P is o 17, C o lo n ia D e s a r ro l lo S a n ta F e ,
D e le g a c ió n A lv a ro O b re g ó n
C .P 0 1 3 7 6 , M é x ic o , D . F.
M ie m b ro d e la C á m a ra N a c io n a l d e la In d u s tr ia E d ito r ia l M e x ic a n a , R e g . N ú m . 7 3 6
ISBN : 978-607-15-0471-5
( IS B N : 9 7 0 -1 0 -6 2 6 0 -4 e d ic ió n a n te r io r)
T ra n s la te d f r o m th e 7 th e d i t io n o f
P H Y S IC S . C o p y r ig h t © M M V II b y T h e M c G ra w -H ill C o m p a n ie s , In c . A ll r ig h ts re s e rv e d .
P re v io u s e d i t io n s © 2 0 0 1 , 19 9 1 . 1 9 8 5 , 19 78 , a n d 1973 .
IS B N -1 3 : 9 7 8 -0 - 0 7 - 3 0 1 2 6 7 -X
2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 0 9 8 7 6 5 4 3 2 0 1
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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
Franklin
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
M arco s A n g u lo T am ay o CECyT 7 IPN
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