fisica vol. 1

FISICA Vol. 1CUARTA EDIC IÓN

(T e rc e ra e n e sp a ñ o l)

ROBERT RESNICKProfessor ofPhysics

Rensselaer Polytechnic Institute

DAV ID HALL IDAYProfessor ofPhysics, Emeritus

University o f Pittsburgh

KENNETH S. KRANEProfessor ofPhysics

Oregon State University

U N IV E R S ID A D D E L A R E P U B L IC A

F A C U L T A D D E I N G E N I E R Í A

OPTO. DE QGCUK,* EMTA0¡0N V BI BLI OTECA

fiiSUOTECA CENTRAL

ing. Edo. García do Zü f ilpa

M O N T E V ID E O - U R U G U A Y

No. de Entrada 0 5 43 5 3,

l s u . c z

DÉC IMA SEGUNDA R E IM PRES IÓ N

MÉX ICO , 2001

C OM PA Ñ ÍA E D ITO R IA L C O N T IN EN TA L

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Título original de la obra:PHYSICS, Vol. I, 4 th. ed.ISBN 0-471-80458-4

Traducción autorizada por:Copyright ©1992, by John Wiley & Sons. Inc.

Física Vol. 1Derechos reservados respecto a la edición en español:© 1992, 1993, Robert Resnick, David Halliday,Kemneth S. Krane/ John Wiley & Sons. Inc.

© 1993, Compañía Editorial Continental. S.A. de C.V.© 2000, GRUPO PATRIA CULTURAL, S.A. DE C.V. bajo el sello de Compañía Editorial Continental Renacimiento 180, Col. San Juan Tlihuaca,Delegación Azcapotzalco, C.P. 02400, México, D.F.

Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Registro num. 43

ISBN 968-26-1230-6 (tercera edición)(ISBN 968-26-0617-3 segunda edición)ISBN 968-26-0663-2 (obra completa)

Queda prohibida la reproducción o transmisión total o parcial del contenido de la presente obra en cualesquiera formas, sean electrónicas o mecánicas, sin el consentimiento previo y por escrito del editor.

Impreso en México Printed in México

Tercera edición: 1993Décima primera reimpresión: 2000 Décima segunda reimpresión: 2001

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PREFACIO AL

VOLUMEN 1

La prim era edición de Física para estudiantes de Ciencias e Ingeniería apareció en 1960; la edición m ás reciente (la tercera), llam ada sim plem ente Física, fue publicada en 1977. En esta cuarta edición (1992) cabe destacar la presencia de un nuevo coautor.

El texto ha sido actualizado para incluir los nuevos desarrollos en física y en su pedagogía. Basados en nues tra lectura de la literatura sobre estos temas, en los com en tarios de num erosos lectores de las ediciones anteriores, y en la asesoría de un grupo de colaboradores que traba jaron con gran dedicación en la revisión del manuscrito de esta edición, hem os hecho varios cambios.

1. La energía se trata de una m anera coherente a lo largo de todo el texto, com enzando con el teorema de trabajo- energía y continuando con la termodinámica. Por ejem plo, calculam os el trabajo, de m anera que no deje lugar a dudas, como aquél efectuado sobre un sistema, usando entonces la m ism a convención de signos para el trabajo tanto en m ecánica como en termodinámica. La atención de estos detalles ayuda al estudiante a discernir los con ceptos comunes que intervienen en las diferentes áreas de la física.

2. La relatividad especial, que fue tratada como un tema suplem entario en la edición anterior, se halla inte grada a este texto. Se dedican dos capítulos a este tema: uno (en el V olum en 1) estudia las ondas m ecánicas y el otro (en el V olum en 2) estudia las ondas electrom agné ticas. Los tem as relacionados con la relatividad especial (por ejem plo, m ovim iento relativo, m arcos de referencia, cantidad de m ovim iento y energía) se tratan en el texto en los capítulos sobre cinem ática, m ecánica, y electro m agnetism o. Este enfoque refleja nuestro punto de vista de que la relatividad especial debería ser tratada como

parte de la física clásica. Sin em bargo, para aquellos instructores que desean proponer la relatividad especial para el final del curso, el m aterial se ha preparado en secciones aparte que pueden om itirse sin m ayor proble ma en la prim era lectura.

3. Entre los cambios en el ordenam iento de los tem as de la tercera edición se incluye el cam bio en el orden de apa rición de los capítulos 2 y 3, de m odo que la cinemática unidim ensional precede ahora a los vectores; la consoli dación de todo el m aterial sobre el m om ento angular en el capítulo 13 (donde se incluyen la cinem ática y la dinámica de rotación, lo que hace que nuestra exposición del m ovim iento de rotación sea m ás cercanam ente para lelo a la del movim iento de traslación); y un reordena m iento y reconstrucción sustancial de los capítulos sobre term odinámica, haciendo hincapié en sus aspectos esta dísticos, y dando al tem a un tono m ás “m oderno” .

4. En respuesta a las peticiones de los usuarios, se han añadido al V olum en 1 varios tem as clásicos nuevos; és tos incluyen el análisis dimensional, fuerzas de arras tre, elasticidad, tensión superficial, viscosidad, y acústica musical.

5. Las aplicaciones m odernas se han repartido “salpica das”, a lo largo del texto: por ejem plo, la cuantización de la energía y el m om ento angular, la desintegración del núcleo y de las partículas elem entales, teoría del caos, relatividad general, y estadística cuántica. Éstas no pre tenden dar aquí un tratam iento a fondo de la física m oder na (lo cual se hace así en los ocho capítulos adicionales de la versión ampliada del V olum en 2), sino indicar al estudiante cuáles son las fronteras de la física clásica y las relaciones entre ésta y la física moderna.

6. Hemos aumentado de m anera sustancial el núm ero de problem as al final de cada capítulo, en com paración con la edición previa del Volum en 1; hay ahora 1519 proble mas, frente a los 958 anteriores, lo que constituye un aumento del 59%. El núm ero de preguntas al final de cada

capítulo ha sido igualmente aum entado de 614 a 821 (34%). Por otra parte, hemos tratado de m antener la calidad, y diversidad de los problem as que han conform a do el sello de garantía de las ediciones anteriores de este texto.

vi Prefacio al volumen I

7. El núm ero de ejem plos resueltos en el Volumen 1 se ha aum entado de 135 a 183 (36%). El aumento real del número de ejem plos resueltos (ahora llamados problem as muestra) es m ás grande, porque la edición anterior pre sentaba ocasionalm ente los temas nuevos por medio de ejemplos resueltos. Esta edición elimina esa práctica; el nuevo m aterial se presenta sólo en la exposición del texto, y los problem as m uestra sirven sólo como ejercicios en su aplicación.

8. Las técnicas de com putación se presentan m ediante varios ejem plos resueltos y una variedad de proyectos de computación al final del capítulo. Se ofrecen algunos listados de program as en un apéndice para animar al estudiante a adaptar esos m étodos a otras aplicaciones.

9. Hem os aum entado y actualizado las referencias a artículos en la literatura que aparecen como notas al pie de página a lo largo del texto. Ciertas referencias (a menudo de artículos que aparecen en conocidas revistas de divulgación tales como Scientific American) tienen la intención de am pliar los conocim ientos del estudiante a través de aplicaciones interesantes de un tema. En otros casos, que a m enudo im plican asuntos de importancia pedagógica sobre los cuales deseamos llamar la atención del estudiante y del instructor, hacem os referencia a ar tículos de revistas tales como el American Journal o f Physics o el Physics Teacher.

10. Las ilustraciones han sido completam ente renovadas y su número en el V olum en 1 se ha aumentado en casi un factor de 2, es decir de 463 a 899

11. M uchas de las deducciones, pruebas, y argum entos de la edición anterior se han perfeccionado, y toda hipó tesis o aproxim ación ha sido aclarada. Asimismo hemos m ejorado el rigor del texto sin elevar necesariamente su nivel. N uestro empeño es indicar al estudiante el límite de validez de un argum ento en particular y animarlo a que considere preguntas tales como: ¿coresponde siempre un resultado en particular o sólo a veces? ¿Qué pasa a medida que nos acercam os al límite cuántico o al lím ite relativista?

Aun cuando hemos hecho cierto esfuerzo para elim inar material de la edición anterior, las adiciones m en cionadas antes hacen que el texto aumente de tamaño. Deberá subrayarse que muy pocos instructores (si los hay) querrán seguir todo el texto de principio a fin. Hemos trabajado para desarrollar un texto que ofrezca una introducción rigurosa y completa a la física, pero el ins tructor puede seguir m uchos caminos alternativos a lo largo del libro. El instructor que desee tratar algunos temas con m ayor profundidad (el enfoque de “lo menos es m ás”, como suele decirse) podrá elegir entre estos caminos de los que hablamos. Algunas secciones han sido

explícitamente m arcadas como “opcionales” (se hallan impresas en un cuerpo de tipografía m ás pequeño), para indicar que pueden om itirse sin pérdida de la continuidad. Dependiendo del diseño del curso, pueden omitirse tam bién o tratarse en form a m ás superficial otras secciones e incluso capítulos enteros. La guía del instructor, disponible en un volum en adicional, ofrece sugerencias para resum ir o abreviar la extensión del texto. En tales circuns tancias, el estudiante curioso que desee un estudio más profundo puede encontrar estím ulo por su parte al abordar esos temas om itidos, con lo que podrá adquirir una visión m ás amplia de la materia. Así, el instructor tiene a la mano una amplia elección para cubrir determ inado grupo redu cido de temas en un curso. Para el instructor que desee una cobertura m ás completa, que le sirva para cursos para estudiantes con especialización en física, para estudiantes destacados, o para cursos de m ás de un año de duración, este texto provee el m aterial adicional suficiente para una experiencia retadora y de alcance amplio. Esperam os que el texto sea considerado como una verdadera guía para adentrarse en la física; son m uchos los caminos que pue den tomarse, panorám icos unos y directos otros, y no hay por qué recorrerlos todos en el prim er viaje. El viajero más avezado puede sentirse anim ado a recurrir a esa guía para explorar zonas por las que no pasó en viajes anteriores.

El texto está disponible en volúm enes por separado: el Volum en 1 (capítulos 1 al 26) com prende la cinemática, la mecánica, y la term odinámica, y el V olum en 2 (capítu los 27 al 48) abarca el electrom agnetism o y la óptica. Se dispone de una versión aumentada del V olum en 2 (capítulos 27 al 56) con ocho capítulos adicionales que presen tan una introducción a la física cuántica y alguna de sus aplicaciones.

Un libro de texto contiene m uchas m ás contribuciones a la ilustración de un tema que las hechas por los autores únicamente. Hem os tenido la fortuna de contar con la ayuda de Edw ard D erringh (W entworth Institute o f Te chnology) para preparar los conjuntos de problem as y de J. R ichard Christm an (U.S. Coast Guard Academy) para preparar la Guía del Instructor y los proyectos de compu tación. Nos hemos beneficiado de la gran dedicación que han puesto en sus comentarios y críticas capítulo tras capítulo el siguiente grupo de revisores:

Robert P. Baum an (University o f Alabama)Trum an D. Black (University o f Texas, Arlington) Edm ond Brown (Rensselaer Polytechnic Institute)J. R ichard Christm an (U.S. Coast Guard Academy) Sum ner Davis (University o f California, Berkeley) Roger Freedm an (University o f California, Santa Barbara)James B. G erhart (University o f W ashington)Richard Thom pson (University o f Southern California) David W allach (Pennsylvania State University)Roald K. W angsness (University o f Arizona)

I

Prefacio a l volumen 1 V¡i

Estam os profundam ente agradecidos y obligados hacia todos ellos por sus sustanciales contribuciones a este proyecto.

Dam os las gracias al personal de John W iley & Sons por su notable cooperación y apoyo, entre quienes se cuentan C liff M ills, editor de física; Cathy Donovan, asis tente del program a editorial; Cathy Faduska, gerente de m ercadotecnia; John Balbalis, ilustrador; Deborah Her- bert, supervisora editorial; Karin Kincheloe, diseñadora; Lucille Buonocore, supervisora de producción; Jennifer A tkins, investigadora de fotografía; Christina Della Bar- tolom ea, copieditora. El proceso de m ecanografía del

m anuscrito de esta edición fue m agníficam ente ejecutado por Christina Godfrey.

Septiembre 1991 RO BERT RESNICKRensselaer Polytechnic Institute Troy, Nueva York 12180-3590

DA VID HALLIDAY Seattle, Washington

KENNETH S. KRANE Oregon State University Corvallis, Oregon 97331

UNIVERSIDAD DE LA RBFÜBirCJI'

F A C U L T A D DE IN G E N IE R IA

D K P / i B T / \ M K N T O D E

O O C U M & W T A C I O N Y B 7B L l O T » C \ »

M O f íT K v 'I D S í ) . T JR T T G U A y

CONTENIDO

C A P IT U LO 1 M ED IC IO N E S 1

1-1 Las Cantidades Físicas, Patrones y Unidades 1

1-2 El Sistema Internacional de Unidades 2

1-3 Patrón de Tiempo 3

1-4 Patrón de Longitud 5

1-5 Patrón de M asa 7

1-6 Precisión y Cifras Significativas 8

1-7 A nálisis D im ensional 10

Preguntas y Problem as 11

C A P IT U LO 2M O V IM IE N TO U N ID IM EN S IO N A L 17

2-1 Cinemática de la Partícula 17

2-2 Descripciones del M ovim iento 17

2-3 Velocidad Promedio 20

2-4 Velocidad Instantánea 21

2-5 M ovim iento Acelerado 23

2-6 M ovim iento con Aceleración Constante 25

2-7 Cuerpos en Caída Libre 28

2-8 Galileo y la Caída Libre (Opcional) 29

2-9 M edición de la Aceleración en Caída Libre

(Opcional) 30


C A P ÍT U LO 3V E C TO R E S 41

3-1 V ectores y Escalares 41

3-2 Suma de Vectores: M étodo Gráfico 42

3-3 Com ponentes de Vectores 43

3-4 Suma de Vectores: M étodo de las Com ponentes 46

3-5 M ultiplicación de Vectores 48

3-6 Las Leyes Vectoriales en la Física (Opcional) 50


C A P IT U LO 4M O V IM IE N TO B ID IM E N S IO Ñ A L Y T R ID IM E N S IO N A L 59

4-1 Posición, Velocidad, y Aceleración 59

4-2 M ovim iento con Aceleración Constante 61

4-3 M ovim iento de Proyectiles 63

4-4 M ovim iento Circular U niform e 67

4-5 Vectores de Velocidad y de Aceleración

en el M ovim iento Circular (Opcional) 69

4-6 M ovim iento Relativo 71

Preguntas y Problemas 74

C A P ÍT U LO 5 F U E R Z A Y L A S L E Y E SD E N EW TO N 87

5-1 M ecánica Clásica 87

5-2 Prim era Ley de Newton 88

5-3 Fuerza 905-4 M asa 905-5 Segunda Ley de Newton 92

5-6 Tercera Ley de Newton 945-7 Unidades de Fuerza 96

5-8 Peso y M asa 975-9 M edición de Fuerzas 99

5-10 A plicaciones de las Leyes de Newton 1005-11 M ás A plicaciones de las Leyes de Newton 103


X Contenido

C A P ÍT U LO 6 , D IN ÁM IC A D E L A PA R T IC U LA

8-7 M asa y Energía (Opcional) 187

1178-8 Cuantización de la Energía (Opcional)

Preguntas y Problem as

189

190

6-1 Leyes de la Fuerza 117

C A P ÍT U LO 96-2 Fuerzas de Fricción 118

6-3 La Dinámica del M ovim iento Circular S IST EM A S D E PA R T ÍC U LA S 203

Uniform e 123

6-4 Ecuaciones del M ovim iento: Fuerzas 9-1 Sistemas de D os Partículas 203

Constantes y N o Constantes 126 9-2 Sistemas de M uchas Partículas 206

6-5 Fuerzas D ependientes del Tiempo: M étodos 9-3 Centro de M asa de Objetos Sólidos 209

A nalíticos 128 9-4 ím petu Lineal de una Partícula 212

6-6 Fuerzas Dependientes del Tiempo: M étodos 9-5 ím petu Lineal de un Sistema de Partículas 213

Num éricos (Opcional) 129 9-6 Conservación del ím petu Lineal 214

6-7 Fuerzas de Arrastre y el M ovim iento de 9-7 Trabajo y Energía en un Sistema de Partículas

Proyectiles 130 (Opcional) 217

6-8 M arcos No Inerciales y Seudofuerzas 9-8 Sistemas de M asa Variable (Opcional) 220

(iOpcional) 133 Preguntas y Problem as 224

6-9 Lim itaciones de las Leyes de Newton

(Opcional)

Preguntas y Problem as

135

137C A P ÍT U LO 10 C O L IS IO N E S 233

C A P ÍT U LO 7 10-1 ¿Qué es una Colisión? 233

T R A BA JO Y E N E R G ÍA 149 10-2 Impulso e ím petu 234

10-3 Conservación e ím petu Durante las Colisiones 236

7-1 Trabajo Efectuado por una Fuerza Constante 149 10-4 Colisiones en una D im ensión 237

7-2 Trabajo Efectuado por una Fuerza Variable: 10-5 Colisiones Bidimensionales 241

Caso U nidimensional 153 10-6 M arco de Referencia del Centro de M asa 244

7-3 Trabajo Efectuado por una Fuerza Variable: 10-7 Procesos de Desintegración Espontánea

Caso Bidim ensional (Opcional) 155 (Opcional) 248

7-4 Energía Cinética y el Teorema Trabajo-Energía 157 Preguntas y Problemas 250

7-5 Potencia 159

7-6 M arcos de Referencia (Opcional) 160 C A P ÍT U LO 117-7 Energía Cinética a A ltas Velocidades C IN EM Á T IC A D E L A R O TA C IÓ N 261

(Opcional) 162

Preguntas y Problem as 163 11-1 M ovim iento de Rotación

11-2 Las Variables de la Rotación

261

262

C A P ÍT U LO 811-3 Rotación con Aceleración Angular Constante 264

17111-4 Cantidades de Rotación com o Vectores 265

268

CO N SER V AC IÓ N D E L A E N ER G ÍA11-5 Relaciones Entre Variables Lineales y

Angulares: Forma Escalar8-1 Fuerzas Conservativas 171 11-6 Relaciones Entre las Variables Lineales y8-2 Energía Potencial 174 Angulares: Forma Vectorial (Opcional) 2698-3 Sistemas Conservativos Unidimensionales 176 Preguntas y Problem as 2718-4 Sistemas Conservativos Unidimensionales:

La Solución Completa 179

C A P ÍT U LO 128-5 Sistemas Conservativos Bidimensionales y

Tridimensionales (Opcional) 182 D IN ÁM IC A D E L A R O TA C IÓ N 277

8-6 Conservación de la Energía en un Sistema

de Partículas 183 12-1 Dinámica de la Rotación: Una V isión General 277

Contenido XI

12-2 Energía Cinética de la Rotación e Inercia 15-9 Oscilaciones Forzadas y Resonancia

de la Rotación 278 (Opcional) 370

12-3 Inercia de Rotación de los Cuerpos Sólidos 281 15-10 Oscilaciones de Dos Cuerpos (Opcional) 371

12-4 Torca que Actúa Sobre una Partícula 283 Preguntas y Problem as 373

12-5 Dinámica de la Rotación de un Cuerpo Rígido 286

12-6 M ovim ientos de Rotación y de Traslación

Com binados 290 C A P ÍT U LO 16

Preguntas y Problem as 296 GRAV ITAC IÓ N 383

16-1 La Gravitación Desde la A ntigüedad Hasta

C A P IT U LO 13 Kepler 383

ÍM P E T U A N G U LA R 305 16-2 N ew ton y la Ley de la Gravitación Universal 385

16-3 La Constante Gravitatoria G 386

13-1 ím petu Angular de una Partícula 305 16-4 La Gravedad Cerca de la Superficie de la

13-2 Sistemas de Partículas 307 Tierra 388

13-3 ím petu Angular y Velocidad Angular 309 16-5 Efecto Gravitatorio de una D istribución

13-4 Conservación del Impetu A ngular 313 Esférica de la M ateria (Opcional) 390

13-5 El Trompo 319 16-6 Energía Potencial Gravitatoria 393

13-6 Cuantización del ím petu Angular (Opcional)i 320 16-7 El Campo G ravitatorio y el Potencial

13-7 Dinámica Rotacional: un Repaso 321 (Opcional) 396

Preguntas y Problem as 321 16-8 Los M ovim ’entos de Planetas y Satélites 397

16-9 Gravitación Universal 402

16-10 La Teoría General de la Relatividad

C A P IT U LO 14 (Opcional) 404EQ U IL IB R IO D E L O S C U ER PO S Preguntas y Problem as 408R IG ID O S 331

14-1 Condiciones de Equilibrio 331 C A P ÍT U LO 17

14-2 Centro de Gravedad 332 E STÁ T IC A D E L O S F L U ID O S 419

14-3 Ejem plos de Equilibrio 334

14-4 Equilibrio Estable, Inestable y N eutro de los 17-1 Fluidos y Sólidos 419

Cuerpos Rígidos en un Campo Gravitatorio 339 17-2 Presión y Densidad 420

14-5 Elasticidad 341 17-3 V ariación de la Presión en un Fluido en

Preguntas y Problem as 344 Reposo 42217-4 Principio de Pascal y Principio de

Arquímedes 426C A P IT U LO 15 17-5 M edición de la Presión 429O SC IL A C IO N E S 353 17-6 Tensión Superficial (Opcional) 431

Preguntas y Problemas 43315-1 Sistemas Oscilatorios 353

15-2 El Oscilador Arm ónico Simple 355

15-3 M ovim iento Arm ónico Simple 356 C A P ÍT U LO 18

15-4 Consideraciones Energéticas en el D IN ÁM IC A D E L O S F L U ID O S 441

M ovim iento A rm ónico Simple 35915-5 A plicaciones del M ovim iento Armónico 18-1 Conceptos Generales del Flujo de los Fluidos 441

Simple 361 18-2 Trayectoria de una Corriente y la Ecuación

15-6 M ovim iento Arm ónico Simple y M ovimiento de Continuidad 442

Circular Uniforme 365 18-3 La Ecuación de Bem oulli 445

15-7 Com binaciones de M ovim ientos Armónicos 367 18-4 A plicaciones de la Ecuación de Bem oulli y

15-8 M ovim iento Armónico Amortiguado de la Ecuación de Continuidad 447

(Opcional) 368 18-5 Campos de Flujo (Opcional) 450

fisica vol. 1

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