Física conceptual / Paul G. Hewitt.

Álbum fotográfico de Física conceptual xiv
Para el estudiante xvi Para el instructor xvii
Agradecimientos xxi
1 Acerca de la ciencia 2
1.1 Mediciones científicas 3
Cómo Eratóstenes midió el tamaño de la Tierra 3
Tamaño de la Luna 4
Distancia a la Luna 5
Distancia al Sol 6
Tamaño del Sol 7
Matemáticas: el lenguaje de la ciencia 8
1.2 Métodos científicos 8
La actitud cientí¬fica 8
1.3 Ciencia, arte y religión 12
PSEUDOCIENCIA 13
1.4 Ciencia y tecnología 14
VALORACIÓN DEL RIESGO 14
1.5 Física: la ciencia básica 15
1.6 En perspectiva 16
PARTE UNO Mecánica 19
2 Primera ley de Newton de movimiento: inercia 20
2.1 Aristóteles en movimiento 21
Copérnico y la Tierra en movimiento 22
ARISTÓTELES (384-322 a. C.) 23
2.2 Los experimentos de Galileo 23
La torre inclinada 23 Planos inclinados 23
GALILEO GALILEI (1564-1642) 24
2.3 Primera ley de Newton de movimiento 26
ENSAYO PERSONAL 27
2.4 Fuerza neta y vectores 28
Vectores de fuerza 29
2.5 La regla del equilibrio 30
PRACTICANDO LA FÍSICA 31
2.6 Fuerza de sostén 32
2.7 Equilibrio de cosas en movimiento 32
2.8 La Tierra en movimiento 33
3 Movimiento lineal 39
3.1 El movimiento es relativo 40
3.2 Rapidez 41
Rapidez instantánea 41
Rapidez promedio 41
3.3 Velocidad 42
Velocidad constante 43
Velocidad variable 43
3.4 Aceleración 43
Aceleración sobre los planos inclinados de Galileo 45
3.5 Caída libre 46
Qué tan rápido 46
Qué tan lejos 48 TIEMPO “DE VUELO” 50
Qué tan rápido cambia el “qué tan rápido” 50
3.6 Vectores de velocidad 51
4 Segunda ley de Newton de movimiento 57
4.1 La fuerza causa aceleración 58
4.2 Fricción 59
4.3 Masa y peso 61
La masa resiste la aceleración 63
4.4 Segunda ley de Newton de movimiento 63
4.5 Cuando la aceleración es g: caída libre 64
4.6 Cuando la aceleración es menor que g: caída no libre 65
5 Tercera ley de Newton de movimiento 74
5.1 Fuerzas e interacciones 75
5.2 Tercera ley de Newton de movimiento 76
Defi¬ne tu sistema 77
5.3 Acción y reacción sobre masas diferentes 79
PRACTICANDO LA FÍSICA: GUERRA DE JALAR LA SOGA 81
5.4 Vectores y la tercera ley 82
5.5 Resumen de las tres leyes de Newton 85
6 Cantidad de movimiento 90
6.1 Cantidad de movimiento 91
6.2 Impulso 92
6.3 El impulso cambia la cantidad de movimiento 93
Caso 1: Aumento de la cantidad de movimiento 93
Caso 2: Disminución de la cantidad de movimiento durante un tiempo prolongado 94
Caso 3: Disminución de la cantidad de movimiento durante un tiempo breve 94
6.4 Rebote 96
6.5 Conservación de la cantidad de movimiento 97
LEYES DE CONSERVACIÓN 98
6.6 Colisiones 99
6.7 Colisiones más complicadas 102
7 Energía 109
7.1 Trabajo 110
Potencia 112
Energía mecánica 113
7.2 Energía potencial 113
7.3 Energía cinética 114
7.4 Teorema trabajo-energía 115
7.5 Conservación de la energía 117
ENERGÍA Y TECNOLOGÍA 118
FÍSICA EN EL CIRCO 119
Energía reciclada 119
7.6 Máquinas 120
7.7 E ciencia 121
7.8 Fuentes de energía 123
CIENCIA BASURA 125
8 Movimiento rotacional 132
8.1 Movimiento circular 133
RUEDAS EN LOS FERROCARRILES 135
8.2 Inercia rotacional 136
8.3 Momento de torsión 139
8.4 Centro de masa y centro de gravedad 140
Ubicación del centro de gravedad 142
Estabilidad 143
8.5 Fuerza centrípeta 145
PRACTICANDO LA FÍSICA: BALANCEO DE CUBETA CON AGUA 146
8.6 Fuerza centrífuga 147
Fuerza centrífuga en un marco de referencia en rotación 147
Gravedad simulada 148
8.7 Cantidad de movimiento angular 150
8.8 Conservación de la cantidad de movimiento angular 151
9 Gravedad 160
9.1 La ley de gravitación universal 161
9.2 La constante de gravitación universal, G 163
9.3 Gravedad y distancia: la ley del inverso al cuadrado 164
9.4 Peso e ingravidez 166
9.5 Mareas oceánicas 167
Mareas en la tierra y la atmósfera 170
Abultamientos de marea en la Luna 170
9.6 Campos gravitacionales 170
Campo gravitacional en el interior de un planeta 171
Teoría de gravitación de Einstein 173
9.7 Agujeros negros 174
9.8 Gravitación universal 175
10 Movimiento de proyectiles y satélites 182
10.1 Movimiento de proyectiles 183
Proyectiles lanzados horizontalmente 184
Proyectiles lanzados en un ángulo 186
PRACTICANDO LA FÍSICA: CUENTAS COLGANTES PRÁCTICAS 187
NUEVA VISITA AL “TIEMPO DE VUELO” 190
10.2 Proyectiles con movimiento rápido: satélites 190
10.3 Órbitas satelitales circulares 192
10.4 Órbitas elípticas 194
MONITORIZACIÓN MUNDIAL VÍA SATÉLITE 195
10.5 Leyes de movimiento planetario de Kepler 196
CÓMO ENCONTRAR TU CAMINO 197
10.6 Conservación de energía y movimiento de satélites 197
10.7 Rapidez de escape 198
PARTE DOS Propiedades de la materia 207
11 La naturaleza atómica de la materia 208
11.1 La hipótesis atómica 209
LA CAÍDA DE ALICIA 210
11.2 Características de los átomos 210
11.3 Imágenes atómicas 212
11.4 Estructura atómica 213
Los elementos 214
11.5 La tabla periódica de los elementos 215
Tamaños relativos de los átomos 215
11.6 Isótopos 218
11.7 Compuestos y mezclas 219
11.8 Moléculas 220
11.9 Antimateria 221
Materia oscura 222
12 Sólidos 226
12.1 Estructura cristalina 227
EL PODER DE LOS CRISTALES 229
12.2 Densidad 229
12.3 Elasticidad 230
12.4 Tensión y compresión 232
PRACTICANDO LA FÍSICA: FUERZA DE LAS VARAS 233
12.5 Arcos 234
FABRICACIÓN ADITIVA O IMPRESIÓN 3D 235
12.6 Escalamiento 236
13 Líquidos 244
13.1 Presión 245
13.2 Presión de un líquido 246
13.3 Flotabilidad 249
13.4 Principio de Arquímedes 250
13.5 ¿Qué hace que un objeto se hunda o fl¬ote? 251
13.6 Flotación 253
MONTAÑAS FLOTANTES 254
13.7 Principio de Pascal 255
13.8 Tensión superficial 257
13.9 Capilaridad 258
14 Gases 264
14.1 La atmósfera 265
14.2 Presión atmosférica 266
El barómetro 268
14.3 Ley de Boyle 270
14.4 Flotabilidad del aire 271
14.5 El principio de Bernoulli 272
Aplicaciones del principio de Bernoulli 274
PRACTICANDO LA FÍSICA 275
14.6 Plasma 276
Plasma en el mundo cotidiano 276
Electricidad plasmática 277
PARTE TRES Calor 283
15 Temperatura, calor y expansión 284
15.1 Temperatura 285
15.2 Calor 287
Medición del calor 289
15.3 Capacidad calorífica específica 289
15.4 La alta capacidad calorífica específica del agua 290
15.5 Expansión térmica 291
Expansión del agua 293
VIDA EN LOS EXTREMOS 295
16 Transferencia de calor 302
16.1 Conducción 303
16.2 Convección 304
PRACTICANDO LA FÍSICA 307
16.3 Radiación 307
Emisión de energía radiante 308
Absorción de energía radiante 309
Reflexión de energía radiante 310
Enfriamiento en la noche mediante radiación 310
16.4 Ley de Newton de enfriamiento 311
16.5 El efecto invernadero 312
16.6 Cambio climático 313
16.7 Energía solar 314
PRACTICANDO LA FÍSICA 315
16.8 Cómo controlar la transferencia de calor 315
17 Cambio de fase 320
17.1 Fases de la materia 321
17.2 Evaporación 321
17.3 Condensación 323
Condensación en la atmósfera 324
La niebla y las nubes 325
17.4 Ebullición 325
Géiseres 326
La ebullición es un proceso de enfriamiento 326
Ebullición y congelación al mismo tiempo 327
17.5 Fusión y congelación 327
Rehielo 328
17.6 Energía y cambios de fase 328
PRACTICANDO LA FÍSICA 332
18 Termodinámica 336
18.1 Termodinámica 337
18.2 El cero absoluto 337
Energía interna 339
18.3 La primera ley de la termodinámica 339
18.4 Procesos adiabáticos 341
18.5 La meteorología y la primera ley 341
18.6 La segunda ley de la termodinámica 344
Máquinas térmicas 344
¡ESCENIFICACIÓN DE LA TERMODINÁMICA! 346
18.7 La energía tiende a dispersarse 347
18.8 Entropía 349
PARTE CUATRO Sonido 355
19 Vibraciones y ondas 356
19.1 Buenas vibraciones 357
Vibración de un péndulo 358
19.2 Descripción de ondas 358
19.3 Movimiento ondulatorio 360
PRACTICANDO LA FÍSICA 361
Ondas transversales 361
Ondas longitudinales 361
19.4 Rapidez de ondas 362
19.5 Interferencia de ondas 363
Ondas estacionarias 364
19.6 Efecto Doppler 365
19.7 Ondas de proa 367
19.8 Ondas de choque 367
20 Sonido 374
20.1 La naturaleza del sonido 375
Origen del sonido 375
Medios que transmiten el sonido 376
20.2 El sonido en el aire 376
BOCINA 378
Rapidez del sonido en el aire 378
PRACTICANDO LA FÍSICA 379
Energía en ondas sonoras 379
20.3 Refl¬exión del sonido 379
20.4 Refracción del sonido 380
20.5 Vibraciones forzadas 382
Frecuencia natural 382
20.6 Resonancia 382
20.7 Interferencia 384
20.8 Batimientos 385
TRANSMISIONES DE RADIO 386
21 Sonidos musicales 391
21.1 Ruido y música 392
21.2 Altura 393
21.3 Intensidad del sonido y sonoridad 394
21.4 Calidad 395
21.5 Instrumentos musicales 396
21.6 Análisis de Fourier 397
21.7 De analógico a digital 399
PARTE CINCO Electricidad y magnetismo 405
22 Electrostática 406
22.1 Electricidad 407
Fuerzas eléctricas 408
22.2 Cargas eléctricas 408
22.3 Conservación de la carga 409
TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA Y CHISPAS 410
22.4 Ley de Coulomb 411
22.5 Conductores y aislantes 412
Semiconductores 412
Superconductores 413
22.6 Carga 413
Carga mediante fricción y contacto 413
Carga por inducción 414
22.7 Polarización de la carga 416
22.8 Campo eléctrico 417
HORNO DE MICROONDAS 418
Blindaje eléctrico 419
22.9 Potencial eléctrico 421
Almacenamiento de energía eléctrica 423
Generador Van de Graaff 424
23 Corriente eléctrica 430
23.1 Flujo de carga y corriente eléctrica 431
23.2 Fuentes de voltaje 432
23.3 Resistencia eléctrica 433
23.4 La ley de Ohm 434
La ley de Ohm y el choque eléctrico 435
23.5 Corriente directa y corriente alterna 437
Conversión de CA a CD 437
23.6 Rapidez y fuente de los electrones en un circuito 438
23.7 Potencia eléctrica 440
23.8 Lámparas 441
23.9 Circuitos eléctricos 441
Circuitos en serie 442
CELDAS DE COMBUSTIBLE 442
Circuitos en paralelo 443
Circuitos en paralelo y sobrecarga 445
Fusibles de seguridad 445
24 Magnetismo 452
24.1 Magnetismo 453
24.2 Polos magnéticos 454
24.3 Campos magnéticos 455
24.4 Dominios magnéticos 456
24.5 Corrientes eléctricas y campos magnéticos 458
PRACTICANDO LA FÍSICA 458
24.6 Electroimanes 459
Electroimanes superconductores 459
24.7 Fuerzas magnéticas 460
Sobre las partículas cargadas en movimiento 460
Sobre los alambres portadores de corriente 460
Medidores eléctricos 461
Motores eléctricos 462
24.8 El campo magnético de la Tierra 462
Rayos cósmicos 464
24.9 Biomagnetismo 465
IRM: IMÁGENES POR RESONANCIA MAGNÉTICA 465
25 Inducción electromagnética 469
25.1 Inducción electromagnética 470
25.2 Ley de Faraday 472
25.3 Generadores y corriente alterna 473
25.4 Producción de potencia 474
Potencia de turbogenerador 474
Potencia MHD 475
25.5 Transformadores 475
25.6 Autoinducción 478
25.7 Transmisión de potencia 479
25.8 Inducción de campo 479
PARTE SEIS Luz 485
26 Propiedades de la luz 486
26.1 Ondas electromagnéticas 488
26.2 Velocidad de una onda electromagnética 488
26.3 El espectro electromagnético 489
ANTENAS FRACTALES 490
26.4 Materiales transparentes 491
26.5 Materiales opacos 493
Sombras 494
26.6 Viendo la luz: el ojo 496
27 Color 504
27.1 Color en el mundo 505
27.2 Reflexión selectiva 505
27.3 Transmisión selectiva 507
27.4 Mezcla de luces de colores 507
Colores primarios 508
Colores complementarios 509
27.5 Mezcla de pigmentos de colores 509
27.6 Por qué el cielo es azul 511
27.7 Por qué los atardeceres son rojos 512
PRACTICANDO LA FÍSICA 513
27.8 Por qué las nubes son blancas 514
27.9 Por qué el agua es azul verdoso 514
28 Reflexión y refracción 519
28.1 Reflexión 520
Principio del tiempo mínimo 520
28.2 La ley de reflexión 521
Espejos planos 522
Reflexión difusa 523
28.3 Refracción 524
Índice de refracción 526
Espejismos 526
28.4 La causa de la refracción 527
28.5 La dispersión y los arcoíris 529
28.6 Reflexión total interna 531
28.7 Lentes 533
Formación de imágenes por una lente 534
PRACTICANDO LA FÍSICA 535
28.8 Defectos en las lentes 537
29 Ondas de luz 544
29.1 Principio de Huygens 545
29.2 Difracción 547
29.3 Superposición e interferencia 549
29.4 Interferencia en películas delgadas 552
Interferencia en películas delgadas de un solo color 552
Colores de interferencia 553
PRACTICANDO LA FÍSICA 554
29.5 Polarización 555
Visualización tridimensional 557
29.6 Holografía 559
30 Emisión de luz 562
30.1 Emisión de luz 563
30.2 Excitación 564
30.3 Espectros de emisión 566
30.4 Incandescencia 567
30.5 Espectros de absorción 569
30.6 Fluorescencia 570
30.7 Fosforescencia 571
30.8 Lámparas 572
Lámpara incandescente 572
Lámpara fluorescente 572
Lámpara fluorescente compacta 573
Diodo emisor de luz 573
30.9 Láseres 574
31 Cuantos de luz 582
31.1 El nacimiento de la teoría cuántica 583
31.2 Cuantización y la constante de Planck 584
31.3 Efecto fotoeléctrico 585
31.4 Dualidad onda-partícula 588
31.5 Experimento de la doble rendija 588
31.6 Partículas como ondas: difracción de electrones 590
31.7 Principio de incertidumbre 592
31.8 Complementariedad 595
PREDICTIBILIDAD Y CAOS 596
PARTE SIETE Físicas atómica y nuclear 601
32 El átomo y el cuanto 602
32.1 Descubrimiento del núcleo atómico 603
32.2 Descubrimiento del electrón 604
32.3 Espectros atómicos: pistas para la estructura atómica 606
32.4 Modelo de Bohr del átomo 607
32.5 Explicación de los niveles de energía cuantizados: ondas de electrones 608
32.6 Mecánica cuántica 610
32.7 Principio de correspondencia 611
BOSÓN DE HIGGS 612
33 El núcleo atómico y la radiactividad 615
33.1 Los rayos X y la radiactividad 616
33.2 Rayos alfa, beta y gamma 617
33.3 Radiación ambiental 619
Unidades de radiación 619
Dosis de radiación 620
Trazadores radiactivos 621
33.4 El núcleo atómico y la fuerza fuerte 622
33.5 Vida media radiactiva 625
33.6 Detectores de radiación 626
33.7 Transmutación de elementos 628
Transmutación natural 628
Transmutación arti¬ficial 630
33.8 Datación radiométrica 630
IRRADIACIÓN DE ALIMENTOS 632
34 Fisión y fusión nucleares 637
34.1 Fisión nuclear 639
34.2 Reactores de fisión nuclear 641
PLUTONIO 643
34.3 El reactor reproductor 644
34.4 Energía eléctrica mediante fisión 644
34.5 Equivalencia masa-energía 645
FÍSICA EN LA SEGURIDAD AEROPORTUARIA 649
34.6 Fusión nuclear 649
34.7 Cómo controlar la fusión 652
PARTE OCHO Relatividad 657
35 Teoría de la relatividad especial 658
35.1 El movimiento es relativo 659
El experimento de Michelson y Morley 660
35.2 Postulados de la teoría de la relatividad especial 661
35.3 Simultaneidad 662
35.4 El espacio-tiempo y la dilatación del tiempo 663
LECTURA DEL TIEMPO DURANTE UN VIAJE EN TRANVÍA 667
El viaje del gemelo 668
35.5 Suma de velocidades 673
Viaje espacial 674
SALTOS CENTENARIOS 675
35.6 Contracción de la longitud 675
35.7 Cantidad de movimiento relativista 677
35.8 Masa, energía y E=mc² 678
35.9 Principio de correspondencia 680
36 Teoría de la relatividad general 686
36.1 Principio de equivalencia 687
36.2 Doblamiento de la luz por la gravedad 689
36.3 Gravedad y tiempo: corrimiento gravitacional al rojo 691
36.4 Gravedad y espacio: el movimiento de Mercurio 694
36.5 Gravedad, espacio y una nueva geometría 694
36.6 Ondas gravitacionales 696
36.7 Gravitación newtoniana y einsteiniana 697
Epílogo 701
APÉNDICE A Sobre la medición y la conversión de unidades 703
APÉNDICE B Más sobre el movimiento 709
APÉNDICE C Elaboración de gráficas 713
APÉNDICE D Aplicaciones de los vectores 716
APÉNDICE E Crecimiento exponencial y tiempo de duplicación 719
Respuestas a problemas con número impar S-1