CONTENIDO
Una invitación a la física 1
1 Introducción y vectores 5
1.1 Estándares de longitud, masa y tiempo 5
1.2 Densidad y masa atómica 8
1.3 Análisis dimensional 9
1.4 Conversión de unidades 11
1.5 Cálculos de órdenes de magnitud 12
1.6 Cifras significativas 13
1.7 Sistemas de coordenadas 15
1.8 Vectores y escalares 16
1.9 Algunas propiedades de los vectores 18
1.10 Componentes de un vector y vectores unitarios 20
1.11 Modelado, representaciones alternativas y estrategia para la resolución de problemas 25
Resumen 30
Contexto 1 Misión a Marte 38
2 Movimiento en una dimensión 40
2.1 Velocidad promedio 41
2.2 Velocidad instantánea 44
2.3 Modelos analíticos: partícula con velocidad constante 49
2.4 Aceleración 51
2.5 Diagramas de movimiento 54
2.6 Partícula con aceleración constante 56
2.7 Caída libre de objetos 60
2.8 Relación con el contexto. Aceleración de despegue 65
Resumen 66
3 Movimiento en dos dimensiones 75
3.1 Los vectores posición, velocidad y aceleración 75
3.2 Movimiento en dos dimensiones con aceleración constante 78
3.3 Movimiento de un proyectil 80
3.4 Partícula con movimiento circular uniforme 87
3.5 Aceleraciones tangencial y radial 90
3.6 Velocidad relativa 91
3.7 Relación con el contexto. Órbitas circulares 94
Resumen 96
4 Las leyes del movimiento 106
4.1 Concepto de fuerza 106
4.2 La primera ley de Newton 108
4.3 Masa inercial 110
4.4 La segunda ley de Newton: la partícula sometida a una fuerza neta 111
4.5 El peso y la fuerza gravitacional 114
4.6 La tercera ley de Newton 116
4.7 Aplicaciones de las leyes de Newton 119
4.8 Relación con el contexto. Control de la nave en el espacio vacío 127
Resumen 129
5 Otras aplicaciones de las leyes de Newton 139
5.1 Fuerzas de rozamiento 139
5.2 La segunda ley de Newton aplicada a una partícula con movimiento circular uniforme 147
5.3 Movimiento circular no uniforme 154
5.4 Movimiento en presencia de fuerzas de resistencia dependientes de la velocidad 156
5.5 Métodos numéricos en la dinámica de partículas* 159
5.6 Las fuerzas fundamentales de la Naturaleza 162
5.7 El campo gravitacional 165
5.8 Relación con el contexto. El efecto de la gravedad en la nave espacial 166
Resumen 167
6 Energía y transferencia de energía 177
6.1 Sistemas y medio ambiente 178
6.2 Trabajo realizado por una fuerza constante 178
6.3 Producto escalar de dos vectores 182
6.4 Trabajo realizado por una fuerza variable 184
6.5 Energía cinética y el teorema de trabajo-energía cinética 188
6.6 El sistema no aislado 191
6.7 Situaciones que implican rozamiento cinético 196
6.8 Potencia 198
6.9 Relación con el contexto. Envío de una sonda hacia el Sol 200
Resumen 202
7 Energía potencial 210
7.1 Energía potencial de un sistema 210
7.2 El sistema aislado 213
7.3 Fuerzas conservativas y no conservativas 217
7.4 Fuerzas conservativas y energía potencial 223
7.5 El sistema no aislado en estado estacionario 224
7.6 Energía potencial para las fuerzas gravitacional y eléctrica 226
7.7 Diagramas de energía y equilibrio estable 229
7.8 Relación con el contexto. Rapidez de escape del Sol 231
Resumen 232
8 Cantidad de movimiento y colisiones 243
8.1 Momentum lineal y su conservación 243
8.2 Impulso y cantidad de movimiento 248
8.3 Colisiones 251
8.4 Colisiones en dos dimensiones 257
8.5 El centro de masas 260
8.6 Movimiento de un sistema de partículas 264
8.7 Relación con el contexto. Propulsión de un cohete 267
Resumen 269
9 Relatividad 279
9.1 El principio de la relatividad newtoniana 280
9.2 El experimento de Michelson-Morley 282
9.3 Principio de la relatividad de Einstein 283
9.4 Consecuencias de la relatividad especial 284
9.5 Las ecuaciones de transformación de Lorentz 293
9.6 Cantidad de movimiento relativista y forma relativista de las leyes de Newton 296
9.7 Energía relativista 297
9.8 Masa y energía 300
9.9 Relatividad general 301
9.10 Relación con el contexto. De Marte a las estrellas 304
Resumen 305
10 Movimiento de rotación 312
10.1 Rapidez angular y aceleración angular 313
10.2 Cinemática rotacional: cuerpo rígido con aceleración angular constante 317
10.3 Relaciones entre cantidades angulares y de traslación 319
10.4 Energía cinética de rotación 321
10.5 Momento de torsión y producto vectorial 325
10.6 El cuerpo rígido en equilibrio 329
10.7 Momento de torsión neto sobre un cuerpo rígido 332
10.8 Momentum angular 337
10.9 Conservación del momentum angular 340
10.10 Movimiento de precesión de los giróscopos 343
10.11 Movimiento de rodadura de cuerpos rígidos 344
10.12 Relación con el contexto. Giróscopos en el espacio 347
Resumen 349
11 Gravedad, órbitas planetarias y el átomo de hidrógeno 363
11.1 Ley de la gravitación universal de Newton 364
11.2 Modelos estructurales 369
11.3 Leyes de Kepler 370
11.4 Consideraciones energéticas en el movimiento de planetas y satélites 375
11.5 Espectros atómicos y modelo del hidrógeno de Bohr 381
11.6 Relación con el contexto. Cómo cambiar de una órbita circular a una órbita elíptica 387
Resumen 389
Conclusión del contexto 1 Misión a Marte, un plan de vuelo correcto 397
Contexto 2 Terremotos 402
12 Movimiento oscilatorio 404
12.1 Movimiento de una partícula unida a un muelle 405
12.2 Representación matemática del movimiento armónico simple 406
12.3 Consideraciones de energía en el movimiento armónico simple 413
12.4 El péndulo simple 417
12.5 El péndulo físico 419
12.6 Oscilaciones amortiguadas 421
12.7 Oscilaciones forzadas 422
12.8 Relación con el contexto. Resonancia de estructuras 423
Resumen 425
13 Ondas mecánicas 434
13.1 Propagación de una perturbación 435
13.2 El modelo de onda 439
13.3 Ondas progresivas 441
13.4 Rapidez de las ondas transversales en las cuerdas 445
13.5 Reflexión y transmisión de ondas 448
13.6 Relación de transferencia de energía mediante ondas senoidales en las cuerdas 450
13.7 Ondas sonoras 452
13.8 Efecto Doppler 454
13.9 Relación con el contexto. Ondas sísmicas 459
Resumen 462
14 Superposición y ondas estacionarias 470
14.1 El principio de superposición 471
14.2 Interferencia de ondas 473
14.3 Ondas estacionarias 476
14.4 Ondas estacionarias en cuerdas 479
14.5 Ondas estacionarias en columnas de aire 483
14.6 Pulsaciones: interferencia temporal 486
14.7 Patrones de onda no senoidales 488
14.8 Relación con el contexto. Edificación sobre antinodos 492
Resumen 494
Conclusión del contexto 2 Terremotos, cómo minimizar los riesgos 503
Contexto 3 En busca del Titanic 506
15 Mecánica de fluidos 508
15.1 Presión 509
15.2 Variación de la presión con la profundidad 511
15.3 Medidas de la presión 515
15.4 La fuerza de flotación y el principio de Arquímedes 516
15.5 Dinámica de fluidos 521
15.6 Líneas de flujo y ecuación de continuidad para fluidos 522
15.7 Principio de Bernoulli 524
15.8 Otras aplicaciones de la dinámica de fluidos 527
15.9 Relación con el contexto. Un conato de accidente sin haber salido de Southampton 528
Resumen 530
Conclusión del contexto 3 En busca del Titanic: localización y visita del Titanic 541
Contexto 4 Calentamiento global 546
16 Temperatura y la teoría cinética de los gases 548
16.1 Temperatura y ley cero de la termodinámica 549
16.2 Termómetros y escalas de temperatura 550
16.3 Expansión térmica de sólidos y líquidos 555
16.4 Descripción macroscópica de un gas ideal 562
16.5 Teoría cinética de los gases 564
16.6 Distribución de las magnitudes de rapidez moleculares 570
16.7 Relación con el contexto. Gradiente de temperatura atmosférica 572
Resumen 574
17 Energía en los procesos térmicos: primera ley de la termodinámica 582
17.1 Calor y energía interna 583
17.2 Calor específico 585
17.3 Calor latente y cambios de fase 588
17.4 Trabajo en los procesos termodinámicos 592
17.5 Primera ley de la termodinámica 595
17.6 Algunas aplicaciones de la primera ley de la termodinámica 597
17.7 Calor específico molar de los gases ideales 601
17.8 Procesos adiabáticos en un gas ideal 603
17.9 Calor específico molar y equipartición de la energía 605
17.10 Mecanismos de transferencia de energía en los procesos térmicos 608
17.11 Relación con el contexto. Balance de energía para la Tierra 614
Resumen 616
18 Máquinas térmicas, entropía y segunda ley de la termodinámica 628
18.1 Máquinas térmicas y segunda ley de la termodinámica 629
18.2 Procesos reversibles e irreversibles 632
18.3 La máquina de Carnot 632
18.4 Bombas de calor y refrigeradores 635
18.5 Un enunciado alternativo de la segunda ley 637
18.6 Entropía 638
18.7 La entropía y la segunda ley de la termodinámica 643
18.8 Cambios de entropía en procesos irreversibles 646
18.9 Relación con el contexto. La atmósfera como máquina térmica 648
Resumen 650
Apéndice A Tablas
A.1 Factores de conversión
A.2 Símbolos, dimensiones y unidades de las magnitudes físicas
A.3 Tabla de masas atómicas
Apéndice B Repaso de matemáticas
B.1 Notación científica
B.2 Álgebra
B.3 Geometría
B.4 Trigonometría
B.5 Desarrollo en serie
B.6 Cálculo diferencial
B.7 Cálculo integral
Apéndice C Tabla periódica de los elementos
Apéndice D Unidades del Sistema Internacional (SI)
Apéndice E Premios Nobel
Respuestas a los problemas impares
índice