FÍSICA para ciencias e ingeniería

Incluye Referencias Bibliográficas

parte 1

Mecánica 1

Física y medición 2 1

Movimiento en una dimensión 23 2

Vectores 58 3

4 Movimiento en dos dimensiones 76

5 Las leyes del movimiento 110

6 Movimiento circular y otras aplicaciones de las leyes de Newton

7 Trabajo y energía cinética 182

8 Energía potencial y conservación de la energía

214

9 Momento lineal y choques 251

10 Rotación de un objeto rígido alrededor de un eje fijo

292

11 Movimiento de rodamiento y momentum angular

327

12 Equilibrio estático y elasticidad 361

13 Movimiento oscilatorio 389

14 Ley de la gravedad

423

15 Mecánica de fluidos 458

parte 2

Ondas mecánicas 489

16 Movimiento ondulatorio 490

17 Ondas sonoras 519

18 Superposición y ondas estacionarias

545

parte 3

Termodinámica

579

19 Temperatura

580

20 Calor y la primera ley de la termodinámica

602

21 La teoría cinética de los gases 640

22 Máquinas térmicas, entropia y la segunda ley de la termodinámica

Apéndices A.1

Respuestas a problemas de número impar

A.41

Indice 1.1

parte 1 Mecánica 1

1 Física y medición 2

1.1 Patrones de longitud, masa y tiempo 3

1.2 Los bloques constitutivos de la materia 8

1.3 Densidad 9

1.4 Análisis dimensional 10

1.5 Conversión de unidades 12

1.6 Estimaciones y cálculos del orden de magnitud 13

1.7 Cifras significativas 15

Movimiento en una dimensión 23 2

2.1 Desplazamiento, velocidad y rapidez 24

2.2 Velocidad y rapidez instantáneas 27

2.3 Aceleración 30

2.4 Diagramas de movimiento 34

2.5 Movimiento unidimensional con aceleración constante 35

2.6 Objetos que caen libremente 39

2.7 (Opcional) Ecuaciones cinemáticas derivadas del cálculo 43

Etapas ROAA para resolver problemas 47

3 Vectores 58

3.1 Sistemas de coordenadas 59

3.2 Cantidades vectoriales y escalares 60

3.3 Algunas propiedades de los vectores 61

3.4 Componentes de un vector y vectores unitarios 64

4 Movimiento en dos dimensiones 76

4.1 Los vectores desplazamiento, velocidad y aceleración

77

4.2 Movimiento bidimensional con aceleración constante 79

4.3 Movimiento de proyectiles 82

4.4 Movimiento circular uniforme 91

4.5 Aceleraciones tangencial y radial

92

4.6 Velocidad y aceleración relativas

95

5 Las leyes del movimiento

110

5.1 El concepto de fuerza 111

5.2 Primera ley de Newton y marcos inerciales 114

5.3 Masa 116

5.4 Segunda ley de Newton 116

5.5 La fuerza de gravedad y el peso 119

5.6 Tercera ley de Newton 120

5.7 Algunas aplicaciones de las leyes de Newton

123

5.8 Fuerzas de fricción 131

6 Movimiento circular y otras aplicaciones de las leyes de Newton

151

6.1 Segunda ley de Newton aplicada al movimiento circular uniforme 152

6.2 Movimiento circular no uniforme 158

6.3 (Opcional) Movimiento en marcos de referencia acelerados

160

6.4 (Opcional) Movimiento en presencia de fuerzas resistivas

163

6.5 (Opcional) Modelado numérico en dinámicas de partículas 169

7 Trabajo y energía cinética

182

7.1 Trabajo realizado por una fuerza constante

183

186 7.2 El producto escalar de dos vectores

7.3 Trabajo realizado por una fuerza variable

188

7.4 Energía cinética y el teorema del trabajo y la energía cinética 194

7.5 Potencia 199

7.6 (Opcional) La energía y el automóvil

201

7.7 (Opcional) Energía cinética con alta rapidez

204

8 Energía potencial y conservación de la energía 214

8.1 Energía potencial 215

8.2 Fuerzas conservativas y no conservativas

218

8.3 Fuerzas conservativas y energía potencial 219

8.4 Conservación de la energía mecánica

220

8.5 Trabajo realizado por fuerzas no conservativas

224

8.6 Relación entre fuerzas conservativas y energía potencial 231

8.7 (Opcional) Diagramas de energía y el equilibrio de un sistema 232

8.8 Conservación de la energía en general

235

8.9 (Opcional) Equivalencia masa-energía

236

8.10 (Opcional) Cuantización de energía

237

9 Momento lineal y choques

251

9.1 Momentum lineal y su conservación 252

9.2 Impulso y momentum 255

9.3 Colisiones 259

9.4 Colisiones elásticas e inelásticas en una dimensión

260

9.5 Colisiones bidimensionales

266

9.6 El centro de masa 269

9.7 Movimiento de un sistema de partículas

273

9.8 (Opcional) Propulsión de cohetes

277

10 Rotación de un objeto rígido alrededor de un eje fijo 292

10.1 Desplazamiento, velocidad y aceleración angulares 293

10.2 Cinemática rotacional: movimiento rotacional con aceleración angular constante 296

10.3 Cantidades angulares y lineales 297

10.4 Energía rotacional 299

10.5 Cálculo de momentos de inercia 301

10.6 Momento de torsión 306

10.7 Relación entre momento de torsión y aceleración angular 307

10.8 Trabajo, potencia y energía en el movimiento rotacional

312

11 Movimiento de rodamiento y momentum angular 327

11.1 Movimiento de rodamiento de un cuerpo rígido 328

11.2 Producto vectorial y momento de torsión 332

11.3 Momentum angular de una partícula 3.34

11.4 Momentum angular de un objeto rígido en rotación 337

11.5 Conservación del momentum angular 340

11.6 (Opcional) Movimiento de giroscopios y trompos

345

11.7 (Opcional) Momentum angular como una cantidad fundamental 347

12 Equilibrio estático y elasticidad 361

12.1 Condiciones para el equilibrio 362

12.2 Más acerca del centro de gravedad 364

12.3 Ejemplos de objetos rígidos en equilibrio estático 365

12.4 Propiedades elásticas de los sólidos 372

13 Movimiento oscilatorio 389

13.1 Movimiento armónico simple 390

13.2 Nueva visita al sistema bloque-resorte 395

13.3 Energía del oscilador armónico simple 398

13.4 El péndulo 402

13.5 Comparación del movimiento armónico simple con el movimiento circular uniforme 406

13.6 (Opcional) Oscilaciones amortiguadas 408

13.7 (Opcional) Oscilaciones forzadas 410

14 Ley de la gravedad 423

14.1 Ley de gravitación universal de Newton 424

14.2 Medida de la constante gravitacional 426

14.3 Aceleración en caída libre y fuerza gravitacional 427

14.4 Leyes de Kepler 429

14.5 La ley de gravedad y el movimiento de los planetas 430

14.6 El campo gravitacional 435

14.7 Energía potencial gravitacional 436

14.8 Consideraciones de energía en el movimiento planetario y de satélites 439

14.9 (Opcional) La fuerza gravitacional entre un objeto extendido y una partícula 443

14.10 (Opcional) La fuerza gravitacional entre una partícula y una masa esférica 444

15 Mecánica de fluidos 458

15.1 Presión 459

15.2 Variación de la presión con la profundidad

461

15.3 Medidas de presión 464

15.4 Fuerzas de flotación y el principio de Arquímedes

465

15.5 Dinámica de fluidos 469

15.6 Líneas de corriente y la ecuación de continuidad 470

15.7 Ecuación de Bernoulli 471

15.8 (Opcional) Otras aplicaciones de la ecuación de Bernoulli 474

parte 2

Ondas mecánicas

489

16 Movimiento ondulatorio

490

16.1 Variables básicas del movimiento ondulatorio 492

16.2 Dirección del desplazamiento de las partículas

492

16.3 Ondas viajeras unidimensionales 495

16.4 Superposición e interferencia 497

16.5

La rapidez de ondas en las cuerdas

499

16.6 Reflexión y transmisión 502

16.7 Ondas senoidales 503

16.8

Rapidez de transferencia de energía por ondas senoidales en cuerdas 507

16.9 (Opcional) Ecuación lineal de onda 509

17

Ondas sonoras

519

520 17.1 Rapidez de las ondas sonoras

17.2 Ondas sonoras periódicas 522

17.3

Intensidad de las ondas sonoras periódicas

525

17.4

Ondas planas y esféricas 528

17.5 El efecto Doppler 530

18 Superposición y ondas estacionarias

545

18.1 Superposición e interferencia de ondas senoidales

18.2

Ondas estacionarias 550

546

18.3 Ondas estacionarias en una cuerda fija en ambos extremos 553

18.4

Resonancia 557

18.5 Ondas estacionarias en columnas de aire 559

18.6 (Opcional) Ondas estacionarias en barras y placas

563

18.7 Pulsaciones: Interferencia en el tiempo

564

18.8

(Opcional) Patrones de onda senoidales

566

parte 3

Termodinámica

579

19 Temperatura

580

19.1 Temperatura y la ley cero de la termodinámica

581

19.2 Termómetros y la escala Celsius de temperatura 582

19.3

El termómetro de gas a volumen constante y la escala absoluta de temperatura 583

19.4 Expansión térmica de sólidos y líquidos 586

19.5 Descripción macroscópica de un gas ideal 591

20

Calor y la primera ley de la termodinámica 602

20.1 Calor y energía interna 603

20.2 Capacidad calorifica y calor específico

20.3

Calor latente 610

606

20.4

Trabajo y calor en procesos termodinámicos 614

20.5 La primera ley de la termodinámica 617

20.6 Algunas aplicaciones de la primera ley de la termodinámica 619

20.7 Mecanismos de transferencia de energia 623

21 La teoría cinética de los gases 640

21.1 Modeio molecular de un gas ideal 641

21.2 Calor específico molar de un gas ideal 645

21.3 Procesos adiabáticos para un gas ideal 649

21.4 La equipartición de la energía 651

21.5 La ley de distribución de Boltzmann

653

21.6 Distribución de rapidez molecular 657

21.7 (Opcional) Trayectoria libre media 659

22 Máquinas térmicas, entropía y la segunda ley de la termodinámica 669

22.1 Máquinas térmicas y la segunda ley de la termodinámica 670

29.2

Procesos reversibles e irreversibles

674

29.5 La máquina de Carnot 675

22.4 Motores de gasolina y diesel 679

29.5 Bombas de calor y refrigeradores 684

22.6 Entropia 685

29.7

Cambios de entropía en procesos irreversibles 689

22.8 (Opcional) Entropía a escala microscópica 693

Apéndice A Tablas A.1

Tabla Al

Factores de conversión Al

Tabla A2

A4 Simbolos, dimensiones y unidades de cantidades físicas

Tabla AS

Tabla de masas atómicas A

A I escribir esta quinta edición de Fisica para cientificos e ingenieros hemos hecho un esfuerzo mayor para mejorar la claridad de la presentación e incluir nue vas características pedagógicas que apoyen los procesos de enseñanza-apren-dizaje. Con base en la retroalimentación positiva de los usuarios de la cuarta edición y en las sugerencias de los revisores se realizaron refinamientos para cubrir de me-jor manera las necesidades de los estudiantes y profesores. También se perfeccionó el paquete de complementos, el cual ahora incluye un CD-ROM que contiene tuto-riales para el estudiante y software interactivo para la resolución de problemas, asi como apovo en Internet.

El texto está pensado como un curso introductorio de fisica para estudiantes de ciencias o ingeniería. El contenido completo del texto puede cubrirse en un curso de tres semestres, aunque es posible utilizar el material en un tiempo más corto omi-tiendo algunos capítulos y secciones seleccionadas. Sería conveniente que los funda-mentos matemáticos de quienes tomen este curso incluyan un semestre de cálculo. Si eso no fuera factible, el estudiante debería inscribirse en un curso simultáneo de introducción al cálculo.

OBJETIVOS

Este libro introductorio a la fisica tiene dos objetivos principales: proporcionar al es tudiante una presentación clara y lógica de los conceptos y principios básicos de la fisica, y reforzar la comprensión de los conceptos y principios por medio de una ga-ma amplia de interesantes aplicaciones en el mundo real. Con este fin, se pone ma-yor atención en los argumentos físicos más importantes y en la metodologia para la resolución de problemas. Al mismo tiempo, se ha intentado motivar al lector con ejemplos prácticos que muestren el papel de la fisica en disciplinas como la ingenie-ría, la química y la medicina.

CAMBIOS EN LA QUINTA EDICIÓN

Se hicieron numerosos cambios y mejoras al preparar la quinta edición de este tex-to. Algunas de las nuevas características están basadas en nuestras experiencias y en las tendencias actuales de la educación científica. Otros cambios se incorporaron co-mo respuesta a los comentarios y las sugerencias ofrecidos por los usuarios de la cuarta edición, así como por los revisores del manuscrito. La lista siguiente describe los principales cambios en la quinta edición:

Mejoras en las ilustraciones

Los eventos con secuencia en el tiempo se representan con letras encerradas en círculos en las ilustraciones de mecánica seleccionadas. Por ejemplo, la figura 2.1b (véase la página 25) muestra tales letras en los lugares apropiados sobre una gráfica posición-tiempo. Esta construcción ayuda al estudiante a "traducir" el movi miento observado en su representación gráfica.