Preguntas Fisica

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Vicente Torres Ziga

Ejercicios y Soluciones de Fsica General

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icandice generalI Mecnica 51. Mecnica 7

1.1. Ejercicios de unidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.2. Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.3. Aceleracin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.4. Cinemtica en una dimensin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.5. Cuerpos en cada libre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.6. persecuciones y alcances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2. Movimiento de proyectiles y satlites 112.1. Preguntas conceptuales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.2. Problemas de tiro parablico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

3. Leyes del movimiento 153.1. Preguntas conceptales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153.2. Concepto de la segunda ley de Newton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163.3. Algunas aplicaciones de las leyes de Newton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173.4. Fuerzas de friccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3.4.1. curvas aperaltadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203.5. Dinamica de la rotacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

4. Cantidad de movimiento 214.1. Preguntas conceptuales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

4.1.1. Identicando el centro de masa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214.2. Principio de conservacin de momentum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

4.2.1. Colisiones en una y dos dimensiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

5. Energa mecnica 235.1. Preguntas conceptuales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235.2. Trabajo y energa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235.3. Energa Cinetica y Energa potencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

5.3.1. Trabajo hecho por una fuerza constante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

6. Movimiento rotacional 276.1. Preguntas conceptuales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276.2. Objetos rigidos en equlibrio, centro de masa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

7. Hidrosttica 297.1. Preguntas conceptuales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297.2. Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

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ica6 NDICE GENERAL

8. Gases y plasmas 318.1. Preguntas de repaso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318.2. Preguntas de uidos en reposo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318.3. Preguntas de uidos en movimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328.4. Ejercicios. Aplicaciones de la ecuacion de Bernoulli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328.5. Ejercicios de principio de Pascal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

II Calor 35

9. Temperatura, calor y dilatacin 379.1. Preguntas complementarias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379.2. Ejercicios de radiacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

9.2.1. Dilatacin lineal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

10.Transferencia de calor 3910.1. Preguntas de repaso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3910.2. Ejercicios de mquina de Carnot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4010.3. Preguntas conceptuales de primera ley de la termo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

III Vibraciones y ondas 41

11.Ondas y vibraciones 4311.1. Preguntas Conceptuales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4311.2. Preguntas conceptuales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4411.3. Posicin, velocidad y aceleracin como funciones del tiempo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4411.4. Movimiento de un pndulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4411.5. La rapidez de ondas en cuerdas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4511.6. La naturaleza de las ondas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4511.7. Soluciones sobre Efecto Doppler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4611.8. Ejercicios de efecto Doppler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4611.9. Ondas estacionarias en columnas de aire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4711.10.Pulsaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4711.11.El odo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4711.12.El pndulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

12.Sonidos musicales 4912.1. Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

IV Electricidad y magnetismo 51

13.Electrostatica 5313.1. Preguntas de repaso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5313.2. Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

14.Corriente electrica 5514.1. Preguntas coplementarias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

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icaNDICE GENERAL 1

V La luz 57

15.Ondas electromagneticas 5915.1. Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5915.2. Espectro electromagnetico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

16.Emisin de luz 6116.0.1. La velocidad de la luz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6116.0.2. Energia transportada por ondas electromagneticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

16.1. El efecto Doppler y ondas electromagneticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6116.2. Preguntas conceptuales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6116.3. ndices de fraccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6216.4. Ley de Snell y refraccin de la luz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6316.5. Polarizacin y la refraccin y reexin de la luz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6316.6. Dispersin de la luz: prismas y arcoiris . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

17.Interferencia de la luz 6517.1. Ejercicios de Difraccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6517.2. Ejercicios Miselaneos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

18.Cuantos de luz 6718.1. Preguntas conceptuales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

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ica2 NDICE GENERAL

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icaIntroduccin

Despus de ms de 10 aos enseando temas de fsica, me he dado cuenta que el principal problema de misestudiantes era obtener conanza para plantear un proceso y obtener la solucin de un ejercicio de fsica.

Esta conanza la ganaban observando como se desarrollaba una estrategia para resolver los ejercicios; lesmostraba donde estaban los puntos importantes del ejercicio, donde estn los limites de las soluciones y otroscaminos posibles para llegara a la meta. Finalmente, despus les daba un nuevo problema, donde ellos aplicabaneste andamiaje de pensamiento y ellos solos lograban una solucin.

Cuando los alumnos obtienen conanza, dejan de lado la frustracin. Pueden estar ms dispuestos al esfuerzopara buscar soluciones y pierden el miedo a pensar (frenofobia le llaman algunos). Los estudiantes puedenestudiar, pensar y preguntar, pero es la conanza en sus ideas las que los lleva a seguir el camino de la ciencia.Con conanza los jvenes estn listos para aplicar el mtodo cientco.

Como profesor y estudiante, me parece importante compartir las preguntas y los caminos de solucin.Tambin creo que mucho de la fsica se aprende de modo autodidctica, pero se requiere ganar tiempo, senecesitan ejemplos, caminos alternos, arriesgarse a buscar la propia respuesta. Por ello, escrib estas notas.

Esta obra esta llena de ejercicios de fsica, de muchos temas, sobre muchos campos, he buscando que losejemplos sean signicativos para estudiantes de nivel medio superior (bachillerato como le llaman los que saben).Esperamos que este libro sea llamativo, til; divertido, incluso.

Como la echa va a hacia un blanco, esta obra esta dirigida profundamente para:

El profesor que busca ejemplos y ejercicios de clase

Para el estudiante que desea reforzar lo estudiado

Para el autodidacta que busca gua

Para el curioso que le gusta la ciencia

Esperamos que ustedes encuentren conocimiento en el camino de encontrar soluciones, de observar la ca-pacidad de nuestra cultura por describir a la naturaleza y mejorar a nuestra comunidad.

Por otro lado, esta obra de divulgador, profesor y cientco no termina cuando se comunica, siempre necesita-mos retroalimentacin. Por ello, puedes obtener una copia de esta obra en el sitio http://vicente1064.blogspot.com

Por favor, en caso de encontrar un error, envanos un correo y con gusto corregiremos nuestras pias. Tuscomentarios son los que alimentan y engrandecen nuestra labor.

Finalmente, nos quedamos con la mxima: los problemas imposibles, se convierten en triviales; despus desaber la solucin.

Vicente Torres Ziga

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ica4 NDICE GENERAL

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icaParte I

Mecnica

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icaCaptulo 1

Mecnica

1.1. Ejercicios de unidades

Pregunta 1. 1 La siguiente tabla lista cuatrovariables con sus respectivas unidadesEstas variables aparecen en las siguientes ecuaciones,donde los nmeros no presentan unidades. Seala lasecuaciones donde las unidades son las mismas del ladoizquierdo y del lado derecho de cada ecuacin.

1.x = vt

2.x = vt + 12at2

3.v = at

4.v = at + 12at2

5.v2 = 2ax2

6.t =

2xa

Respuesta: Pregunta 1. 2 Siempre puedes sumardos nmeros que tienen las mismas unidades. Sin em-bargo, no puedes siempre sumar dos nmeros quetienen las mismas dimensiones. Explica por qu no, in-cluyendo ejemplos en tus explicaciones.

Pregunta 1. 3 En la ecuacin y = cnat2 de-seas determinar el valor del exponente n (que es unnmero). Las dimensiones de y, a, y t son conocidos,tambin es conocido que c no tiene dimensiones. Puedeusarse el anlisis dimensional para determinar n? En-cuentre la respuesta de ser necesario.

Pregunta 1. 4 Una esfera de 35 cm dedimetro es pintada varias veces, se usan 0.5 litros de

pintura para cubrir a la esfera. Determina el espesor dela capa de pintura, suponiendo que la capa de pinturaes uniforme.

Pregunta 1. 5 Un cubo tiene 40 cm de aristay es pintado varias veces, se usan 0.5 cm de pinturapara este cubo. Determina el espesor de la capa depromedio. Supn que la capa es uniforme.

1.2. Ejercicios

Pregunta 1. 6 Compare la participacin de unafuerza para explicar el movimiento de la Tierra desdeun punto de vista aristotlico y uno galileano.

Respuesta: Pregunta 1. 7 Una bola de billarrueda sobre mesa y lentamente reduce su velocidadhasta detenerse. Cmo interpretara Aristteles estaobservacin? Cmo la interpretara Galileo?

Respuesta: Pregunta 1. 8 Un aeroplano vuelahacia el norte a 300 kilmetros por hora, mientras otrovuela a 300 kilometros por hora hacia el sur. es igualla rapidez de las dos naves? Es igual la velocidad delas naves? Explique.

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ica8 CAPTULO 1. MECNICA

Respuesta: Pregunta 1. 9 Puede citar un ejem-plo donde la velocidad de un objeto va en direccinopuesta a su movimiento?

Pregunta 1. 10 Cul es la aceleracin de un au-to que viaja a una velocidad uniforme de 100 kilmetrospor hora durante 10 segundos? Explique su respuesta.

1.3. Aceleracin

Estrategia para resolver problemas: Movimientoacelerado

Te recomiendo el siguiente procedimiento para re-solver problemas en donde aparezca el movimientoacelerado.

1. Comprueba que las unidades del problema seanconsistentes, es decir, que los desplazamientos semiden en metros (m), asegrate que las veloci-dades tengan unidades de metros por segundo(m/s) y las aceleraciones en unidades metros porsegundo al cuadrado (m/s2).

2. Escoge un sistema de coordenadas adecuado. Se-lecciona instantes donde etiquetar puntos ini-ciales y nales. Realiza un diagrama marcandoen el problema que incluya la direccin de todoslos desplazamientos, velocidades y aceleraciones.

3. Realiza un lista de todas las cantidades dadas enel problema y una lista separada de aquella quehan de determinarse.

4. Piensa en los conceptos fsicos involucrados, encualquier restriccin que sea aplicable y selec-ciona de la lista de ecuaciones cinemticas la olas que hagan posible determinar las incgnitas.

5. Asegrate de que tus respuestas sean razonablesy consistentes con el diagrama.

Pregunta 1. 11 Cierto auto es capaz de acelerara razn de + 0.60 m/s2. Cunto tarda el auto en pasarde una rapidez de 55 mi/h a una de 60 mi/h?

1.4. Cinemtica en una dimen-sin

Pregunta 1. 12 Un basquetbolista profesionaldebe alcanzar 6.0 m/s en 1.5 s para poder realizar unsalto para clavar el baln en la canasta. Considerandoque la aceleracin es uniforme y que se parte del reposo,determine la distancia que debe recorrer el deportista

Pregunta 1. 13 (a) Cul es la magnitud de laaceleracin promedio de un esquiador quien, comen-zando del reposo, alcanza una velocidad de 8.0 m/scuando baja por una ladera en 5.0 s? (b) Cunta dis-tancia viaja el esquiador en ese tiempo?

Pregunta 1. 14 El ventrculo izquierdo delcorazn acelera la sangre del reposo a una velocidadde 26 m/s (a) Si el desplazamiento de la sangre es de2.0 cm, determine la aceleracin en cm/s2. (b) Cuntotarda la sangre en alcanzar esta velocidad?

Pregunta 1. 15 Un auto de carreras de cuarto demilla (drag racer) acelera en 402 m con una aceleracinde + 17.0 m/s2 Entonces, se abre un paracadas, lavelocidad del auto disminuye con una aceleracin de-6.10 m/s2. Cul es la velocidad del auto despus de3,50x102 m despus de abrir el paracadas?

Pregunta 1. 16 Un can lanza un proyectilverticalmente hacia arriba con una velocidad de 250m/s a) Determina el tiempo que tarda en llegar elproyectil al punto mas alto. b)Cul fue la altura mx-ima que alcanz? c)Cules son los tiempos que tardael proyectil en alcanzar una velocidad de 100 m/s?.

Pregunta 1. 17 Un mvil lleva una veloci-dad de 30 m/s la cul se mantiene constante durante10s, despus acelera a razn de 1.5 m/s2 durante 25s.Finalmente comienza a frenar a razn de 2 m/s2 has-ta detenerse totalmente. a)Cul fue la distancia totalrecorrida? b)Cunto tiempo dur el movimiento?

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ica1.6. PERSECUCIONES Y ALCANCES 9

1.5. Cuerpos en cada libre

Pregunta 1. 18 Una moneda se deja caer desdelo ms alto de la torre de la torre Sears en Chicago.Considerando que la altura del edicio es de 427 m,que la moneda empieza su movimiento desde el reposoe ignorando la resistencia, encuentra la velocidad conla que la moneda golpe el suelo.

Pregunta 1. 19 Un astronauta se encuentra enun nuevo planeta y desea determinar la aceleracingravitacional ah. El astronauta lanza una roca haciaarriba con una velocidad inicial de +15 m/s y mide untiempo de 20.0 s antes de que la roca regrese a su mano.Cul es la magnitud y la direccin de la aceleracingravitacional en ese planeta?

Pregunta 1. 20 Desde la ventana de su recamarauna muchacha tira del reposo un globo lleno de agua alpiso, el cual se encuentra 6.0 m abajo. Cunto tiempoesta el globo en el aire?

Pregunta 1. 21 Un encuentro de basketballcomienza cuando, entre dos jugadores contrarios, elrbitro lanza en tiro vertical el baln. Los jugadores

deben esperar que el baln alcance la mxima alturapara tocar el baln y comenzar el juego. Cuando lavelocidad inicial del baln es de 4.6 m/s, Cul es eltiempo mnimo que los jugadores deben esperar paratocar el baln?

Pregunta 1. 22 Dos echas son disparadasverticalmente hacia arriba. La segunda echa es dis-para despus de la primera, pero mientras la primeraesta ascendiendo. Las velocidades iniciales son tales quealcanzan su mxima altura al mismo instante, pero susalcances son diferentes. Suponga que la velocidad ini-cial de la echa es de 25.0 m/s y que la segunda echaes dispara 1.20 s despus de de la primera. Determinala velocidad inicial de la segunda echa.

1.6. persecuciones y alcances

Pregunta 1. 23 Despus de asaltar un banco,unos delincuentes huyen por una carretera recta, ellosestn conados y viajan con una velocidad constantede 50 Km/h. Una hora despus del asalto, la policava tras los delincuentes. Los policas viajan con unaaceleracin constante de 0.5 Km/h2. Determine la dis-tancia donde se encuentran asaltantes y policas.

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ica10 CAPTULO 1. MECNICA

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icaCaptulo 2

Movimiento de proyectiles y satlites

Estrategia para resolver problemas: movimiento deun proyectil

Te sugiero que utilices el siguiente mtodo para re-solver problemas sobre el movimiento de proyectiles:

1. Visulaza. Selecciona un sistema de coordenadasy dibuja la trayectoria del proyectil, incluye lasposiciones, velocidad y aceleracin inicial y -nales.

2. Divide y vencers. Descompn el vector de ve-

locidad inicial en sus componentes x y y.

3. Trata independientemente el movimiento hori-zontal sobre x y el movimiento vertical sobre y.

4. Sigue una estrategia para solucionar el movimien-to horizontal del proyectil.

5. Sigue una estrategia para solucionar el movimien-to vertical del proyectil.

Pregunta 2. 1 Si se deja caer desde el reposo unapelota de bisbol y en otra ocasin se le arroja haciaarriba a cierto ngulo. Cul es su aceleracin haciaabajo en ambos casos? Su aceleracin horizontal? Sele puede considerar un proyectil en ambos casos? Ex-plique.

Pregunta 2. 2 Si se lanza una piedra desde unacantilado, cmo se compara la componente horizon-tal de su movimiento para todos los puntos a lo largode su trayectoria?

Pregunta 2. 3 Si una persona viaja de pie en unautobs que se mueve de manera uniforme y deja caeruna pelota de su mano extendida, se vera que describeuna trayectoria vertical. Cmo ver la trayectoria unapersona que se encuentre de pie en reposo a un lado delcamino?

Pregunta 2. 4 Por qu un saltador de altura seaproxima al lugar del salto a una rapidez relativamentebaja, mientras que un saltador de longitud corre lo ms

rpido posible del salto?

Pregunta 2. 5 A qu ngulo se debe sujetar unamanguera de jardn para que el chorro de agua lleguelo ms lejos?

Pregunta 2. 6 Un amigo le asegura que las balasdisparadas por algunos ries de alto poder se desplazanmuchos metros describiendo una trayectoria rectilneasin caer. Otro amigo pone en duda esta armacin yestablece que todas las balas disparadas por cualquierrie caen por debajo de una trayectoria en lnea rectauna distancia vertical dada por 12gt y que la trayectoriacurva es evidente a bajas velocidades y menos evidentea altas. Ahora es su turno: Caen todas las balas en lamisma distancia vertical en tiempos iguales? Explique.

Pregunta 2. 7 Si el lector ha visto alguna vez ellanzamiento de un satlite terrestre, habr notado queel cohete se aparte de un curso vertical y contina suascenso a cierto ngulo Por qu?

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ica12 CAPTULO 2. MOVIMIENTO DE PROYECTILES Y SATLITES

Pregunta 2. 8 Por qu al poner en rbita a lossatlites normalmente se les lanza hacia el Este (la di-reccin en la cual gira la Tierra)?

Pregunta 2. 9 Cul es la forma de la rbitacuando la velocidad del satlite es perpendicular en

todos los puntos a la fuerza de gravedad?

Pregunta 2. 10 Puesto que la Luna es atradagravitacionalmente hacia la Tierra, Por qu no sim-plemente choca con ella?

2.1. Preguntas conceptuales

Pregunta 2. 11 Cuando un proyectil se mueve ensu trayectoria, hay algn punto a lo largo de la trayec-toria donde los vectores velocidad y aceleracin sean(a) perpendiculares entre s?, (b) paralelos entre si?

Pregunta 2. 12 Una piedra que se lanza horizon-talmente, cae en el mismo instante que la pelota y enla misma elevacin inicial. Cul tendr mayor rapidezcuando llegue al suelo?

Pregunta 2. 13 Explique si las siguientes partcu-las tienen o no aceleracin: (a) una partcula que semueve en lnea recta con rapidez constante y (b) unapartcula que se mueve alrededor de una curva con rapi-

dez constante.

Pregunta 2. 14 Corrija el siguiente enunciado:.

Pregunta 2. 15 Una nave espacial se desplazapor el espacio a una velocidad constante. De pronto,una fuga de gas en un costado de la nave le produceuna aceleracin constante en la direccin perpendiculara la velocidad inicial. La orientacin de la nave no cam-bia, de modo que la aceleracin sigue perpendicular ala direccin original a la velocidad. Cul es la formade la trayectoria seguida por la nave en esta situacin?

2.2. Problemas de tiro parablico

Pregunta 2. 16 Se lanza un ladrillo desde lo altode un edicio con una rapidez de 15 m/s y un ngulo de25 grados sobre la horizontal. Si el ladrillo permaneceen el aire durante 3.0 s Cul es la altura del edico?

Pregunta 2. 17 Se lanza una piedra desde lo altode un edicio de 45.0 m con una rapidez inicial de 20.0m/s y un ngulo de 30 grados sobre la horizontal. (a)Cunto tiempo permanece la piedra en vuelo?, (b)Cul es la magnitud de la velocidad de la piedra unmomento antes de tocar el suelo?, (c) A que distanciahorizontal de la base del edicio, la piedra toca el suelo?

Pregunta 2. 18 Una canica con la velocidad de1.5 m/s rueda por una repisa horizontal de 2.0 m dealtura hasta caerse de sta (a) Cunto tarda la canicaen llegar al suelo?, (b) Qu tan lejos de un punto enel suelo, situado directamente abajo del borde de la

repisa, caer la canica?

Pregunta 2. 19 Si la repisa del ejercicio anteriorse encontrar en la Luna, donde la aceleracin debidaa la gravedad es de 1.67 m/s2. Qu se obtendra?

Pregunta 2. 20 Un motociclista quiere saltartantos autobuses como sea posible. La rampa de de-spegue tiene 18 o sobre la horizontal, y la rampa deaterrizaje es idntica. Cada autobs mide 2.74 m deancho el acrbata deja la rampa con una velocidad de33.5 m/s. Determine el numero mximo de autobusesque puede saltar.

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ica2.2. PROBLEMAS DE TIRO PARABLICO 13

Pregunta 2. 21 Un pescador desea cruzar unro que mide 1.5 km de ancho y uye con una rapidez de5.0 km/h paralelo a sus mrgenes. El pescador utilizaun pequeo bote de motor que avanza a una rapidezmxima de 12 km/h respecto con el agua. Cul es eltiempo mnimo necesario para cruzar?

Pregunta 2. 22 Suponga que las aguas de lascascada del Niagara, en su parte ms alta y antes delborde, tienen una velocidad de 2.7 m/s. Determina la

distancia horizontal que recorren las aguas, cuando elvector velocidad hace un ngulo de 75 o debajo de lahorizontal.

Pregunta 2. 23 Un hombre lanza verti-calmente una pelota con una velocidad de 10 m/s; unsegundo despus, desde la misma posicin, un jovenci-to lanza verticalmente otra pelota con una velocidadde 5m/s. Determine el tiempo en que las dos pelotastienen la misma altura.

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ica14 CAPTULO 2. MOVIMIENTO DE PROYECTILES Y SATLITES

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icaCaptulo 3

Leyes del movimiento

3.1. Preguntas conceptales

Pregunta 3. 1 Una pelota esta sostenida por lamano de una persona. (a) Identique todas las fuerzasexternas que actan sobre la pelota y la reaccin decada una. (b) Si la pelota se deja caer, qu fuerza seejerce sobre ella mientras cae? Identique la fuerza dereaccin en este caso.(Desprecie la resistencia del aire)

Pregunta 3. 2 Si un auto se desplaza hacia eloeste con una rapidez constante de 20 m/s Cul esla fuerza resultante que acta sobre l?

Pregunta 3. 3 Si un auto se mueve con acel-eracin constante, puede concluirse que no hay fuerzasque acten sobre l?

Pregunta 3. 4 Una pelota de caucho se deja caersobre el poso. Qu fuerza hace que la pelota rebote?

Pregunta 3. 5 Si empujamos una caja pesadaque est en reposo, debemos ejercer alguna fuerza parainiciar su movimiento. Sin embargo, una vez que la cajase deslice, es posible aplicar una fuerza ms pequeapara mantener ese movimiento? Por qu?

Pregunta 3. 6 Si el oro se vendiera por peso,preferira el lector comprarlo en Acapulco o en la Ciu-dad de Mxico?, si se vendiera por masa en, en quelugar lo comprara? Por qu?

Pregunta 3. 7 Una pasajera sentada en la partetrasera de un autobs dice que result lesionada cuandoel operador del vehculo aplic los frenos bruscamente,debido a que una valija que estaba enfrente salio des-pedida y la golpe. Si el lector fuera juez en este caso,qu disposicin dara? Por qu?

Pregunta 3. 8 Una exploradora espacial se muevepor el espacio lejos de cualquier planeta o estrella. Ellaobserva una gran piedra, tomada como cualquier es-pcimen en un planeta extrao, ota alrededor de lacabina de la nave. Debe empujarla con suavidad opatearla al compartimiento de carga? Por qu?

Pregunta 3. 9 Qu fuerza hace que se mueva unautomvil? Y un avin de hlices? Y un bote de re-mos?

Pregunta 3. 10 Analice l movimiento de enpiedra que se deja caer en agua, en trminos de la rapi-dez y la aceleracin a medida que cae. Suponga quesobre la piedra acta una fuerza de resistencia que au-menta cuando crece la velocidad.

Pregunta 3. 11 Un levantador de pesas est depie en una bscula de bao y mueve una mancuernahacia arriba y abajo. Qu pasa con la lectura de labscula cuando hace esto? Suponga que el hombre estan fuerte que puede lanza la mancuerna hacia arriba.Cmo vara entonces la lectura de la bscula?

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ica16 CAPTULO 3. LEYES DEL MOVIMIENTO

Pregunta 3. 12 En un juego de tirar de una cuer-da entre dos atletas, cada uno de ellos tira de la cuerdacon una fuerza de 200 N. Cul es la tensin de la cuer-

da? Si el la cuerda no se mueve, qu fuerza horizontalejerce cada atleta contra el suelo?

Estrategia para resolver problemas: objetos en equi-librio

Te sugiero que utilices el siguiente mtodo pararesolver problemas sobre objetos en equilibrio trasla-cional.

1. Visualiza. Realiza un bosquejo de las situacindescrita en el ejercicio.

2. Traza un diagrama de cuerpo libre para cadamasa aislada del resto de las masas, y marca to-das las fuerzas que actan sobre ese objeto par-ticular.

3. Divide y vencers, descompn todas lasfuerzas en sus componentes x y y, escoge un sis-tema de coordenadas conveniente.

4. Utiliza las ecuaciones Fx = 0 y Fy = 0. Tencuidado con los signos de las fuerzas involucradas.

5. Aplicar el paso anterior lleva a ecuacionescon varias incgnitas, debes aplicar tcnicaspara solucionar ecuaciones simultneas: despeje,suma, determinantes, entre otras tcnicas.

3.2. Concepto de la segunda ley de Newton

Pregunta 3. 13 Un objeto d e 6.0 kilogramos ex-perimenta una aceleracin de 2.0m/so (a) Cul es lamagnitud de la fuerza resultante que acta sobre l?(b) Si la misma fuerza se aplica a un objeto de 4.0 kg,qu aceleracin se produce?

Pregunta 3. 14 Un jugador de ftbol hace que elbaln acelera desde el reposo a una rapidez de 10m/sdurante el tiempo en el que su pie est en contacto conel baln (alrededor de 0.20 s). Si el baln tiene unamasa de 0.50 kg, qu fuerza media ejerce el jugadorsobre el baln?

Pregunta 3. 15 El invertebrado ms pesadoes el calamar gigante, que se estima tiene un peso deunas 2 toneladas repartidas en toda su longitud de 70pies. Cul es su peso en newtons?

Pregunta 3. 16 El ave de mayor peso es elcisne trompetero, que pesa unas 38 libras, Cul es supeso en newtons?

Pregunta 3. 17 Una bolsa de azcar pesa 5.00lb en la Tierra. Cunto debe pesar en newtons en laLuna, donde la aceleracin de cada libre es de 16 la

de la Tierra? Repita para Jpiter, donde g es de 2.64veces la de la Tierra. Encuentre la masa de la bolsa deazcar en kilogramos en cada uno de los lugares.

Pregunta 3. 18 Un carguero tiene una masa de1,5x107 kg. Si la locomotora puede ejercer una trac-cin constante de 7,5x105 N, cunto tiempo se nece-sita para aumentar la rapidez del tren desde el reposoa 80 km/h ?

Pregunta 3. 19 El aire ejerce una fuerza de 10N hacia delante de la hlice de un avin de juguete de0.20 Kg. Si el avin acelera hacia delante a 2.0 m/s2cul es la magnitud de la fuerza de arrastre ejercidapor el aire sobre el avin?

Pregunta 3. 20 Una bala de 5.0 g sale de laboca de un can de un fusil con una rapidez de 320m/s. Cunto vale la fuerza total (que se supone con-stante) ejercida sobre una bala cuando avanza por elcan de 0.82 m de largo del fusil?

Respuesta: Pregunta 3. 21 Un actor de cir-co es disparado desde un can como y sale del can con una rapidez de 18.0 m/s.

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ica3.3. ALGUNAS APLICACIONES DE LAS LEYES DE NEWTON 17

La masa del actor es de 80.0 kg. El can mide 9.20m de largo. Encuentre la fuerza neta medida ejercida

sobre el actor cuando es acelerado dentro del can.

3.3. Algunas aplicaciones de las leyes de Newton

Respuesta: Pregunta 3. 22 Encuentre la tensinen cada cable que sostiene un peso de 600 N

Pregunta 3. 23 Encuentre la tensin en losalambres que sostienen la lmpara de 100 N de la gura

Pregunta 3. 24 Un alimentador de pjaros, quepesa 150 N, esta sostenido por tres cables como se veen la gura. Encuentre la tensin en cada cable.

Pregunta 3. 25 Una compradora en un superme-rcado empuja un carro cargado, con una fuerza hori-zontal de 10 N. El carro tiene una masa de 30 kg (a)Cunto avanzara en 3.0 s, si arranca desde el reposo?(b) Cunto avanzara en 3.0 s si la compradora pone asu beb de 30 N en el carro antes de empezar a empu-jarlo?

Pregunta 3. 26 Un auto de 2000 kg reduce su ve-locidad uniformemente de 20.0 m/s a 5.0 m/s en 4.00

s (a) Qu fuerza total medida actu sobre el auto du-rante este tiempo?, y (b) qu distancia recorri el autodurante este tiempo?

Pregunta 3. 27 Tres bloques estn unidos unotras de otro sobre una mesa horizontal carente de fric-cin y son jalados hacia la derecha con una fuerzaT3 = 6,5N . Si m1 = 1,2kb, m2 = 2,4 kg, y m3 = 3,1kg,Calcule (a) la aceleracin del sistema y (b) las tensionesT1 y T2. Trace una analoga de los cuerpos que son jal-ados en tndem, como las locomotoras que jalan carrosacoplados.

Pregunta 3. 28 Un plano inclinado tiende un n-gulo de 15 grados sobre la horizontal y tiene un coe-ciente de friccin cintica de 0.1. Sobre el plano sedesliza hacia abajo un cubo de 15 kg de masa, el cuboesta unido a una esfera por una cuerda inextensible. Laesfera tiene una masa de 2 kg. (a) Encuentra la acel-eracin del cubo y de la esfera. (b) Encuentra la tensinde la cuerda.

Pregunta 3. 29 Sobre una polea se desliza (sinfriccin) una cuerda inextesible. Una esfera de 2 Kgy un cubo de 5 Kg estan unidos a los extremos detal cuerda. (a) Encuentra la tensin de la cuerda. (b)Encuentra la aceleracin de cubo y la esfera.

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Pregunta 3. 30 Dos planos inclinados estn unoal lado del otro, con alturas iguales. De un lado encon-tramos una masa m1 = 10 kg sobre el plano inclinadocon 15 grados sobre la horizontal; mientras que unamasa m2 = 2 kg se encuentra sobre un plano inclinadocon 10 grados sobre la horizontal. Por medio de unacuerda inextensible se unen los dos bloques; la cuerdapasa por una polea carente de friccin. Encuentre laaceleracin de cada bloque y la tensin de la cuerda.

Pregunta 3. 31 Un carrito se mueve con unaaceleracin de 1 m/s2. Sobre el carrito dos bloques es-tn unidos por una cuerda inextensible que pasa poruna polea carente de friccin. Sobre el carrito hay uncubo de 2 kg muestra un coeciente de friccin cinticade 0.1, del otro lado de la cuerda hay una esfera de 3kg. Encuentre la tensin de la cuerda.

Pregunta 3. 32 Un hombre de 70 Kg se encuen-tra sujeto a una cuerda, la que le salva de caer en unvaco. La cuerda se encuentra bien sujeta en los ex-tremos de unos peascos. Considerando que un ladode la cuerda tiende un ngulo de 10 grados y el otrolado de cuerda de 30 grados, ambos respecto a la hori-zontal. Determine la tension de los lados de la cuerda.

Pregunta 3. 33 El dibujo muestra tresobjetos conectados por cuerdas inextensibles que pasanpor poleas libres de friccin. Los objetos se mueven,aun cuando el coeciente de friccin dinmica ente elobjeto de en medio y la mesa es 0.100. (a) Determinala aceleracin de los objetos. (B) Encuentra la tensionde la cuerda de la izquierda y la de la derecha

Pregunta 3. 34 Un motociclista de 70 kg davueltas dentro de "la esfera de la muerte"(una jaulametlica de 10 de dimetro). Determina la velocidadmnima que debe contar su moto para no caer de laparte ms alta de la esfera. Desprecia la friccin.

Pregunta 3. 35 Un juego de feria consite en unacilindro que da vueltas y las personas se quedan pe-gadas a una pared, Mientras da vueltas el cilindro seabre el piso y las personas quedan con los pies colga-dos. En la gura se representa un bloque que gira enun cilindro. Entre el bloque y la pared el coeciente defriccin esttica es de 0.1, Si el dimetro del cilindro esde 10 m. Determina la velocidad mnima para que elbloque no cada.

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ica3.4. FUERZAS DE FRICCIN 19

Pregunta 3. 36 En una feria hay un juegomecnico donde te cuelgan de una cable y te danvueltas alrededor de un eje. Observa la gura de esteejercicio. Considerando que la cable es de 15 m y quehace un ngulo de 60o con la vertical; la silla conpasajero tiene una masa de 179 Kg. (a) Determina latensin del cable (b) Determina la velocidad de la silla.

Pregunta 3. 37 Una viga de acero de 104 kg eslevantada a velocidad constante por una gra. La vigase encuentra sujeta por los extremos por cables inex-tensibles. Cuando el ngulo entre las cuerdas es de 10o,determina la tensin en los cables.

Pregunta 3. 38 Considerando que la masa m2 =10 Kg esta en equilibrio y 1 = 60o, 3 = 30o. Deter-mina el valor de las masas m1 y m3 para mantener enequilibrio la gura. Toma en cuenta que los cables soninextensibles y no existe la friccin

3.4. Fuerzas de friccin

Pregunta 3. 39 Un trabajador de muelle de unpuerto carga cajas en un barco y encuentra que en unacaja de 20 kg, inicialmente en reposo sobre una super-cie horizontal requiere de una fuerza horizontal de 75N para ponerse en movimiento. Sin embargo, despusque la caja est en movimiento, es necesaria una fuerzahorizontal de 60 N para mantenerla en movimiento conuna rapidez constante. Encuentre los coecientes de defriccin esttica y cintica entre la caja y el piso.

Pregunta 3. 40 En la gura Fulana, m1 = 10 kgy m2 = 4,0 kg. El coeciente de friccin esttica entrem1 y la supercie horizontal es de 0.50 mientras queel coeciente de friccin cintica es de 0.30. (a) Si elsistema se suelta desde el reposo, Cul ser su acel-eracin? (b) Si el sistema se pone en movimiento conm2 movindose hacia abajo, Cul ser la aceleracindel sistema?

Pregunta 3. 41 Un cajn de 1000 N se empu-ja en un piso horizontal a una rapidez constante poruna fuerza de 300N, a un ngulo de 20.0o debajo dela horizontal, como se ve en la gura. (a) Cul es elcoeciente de friccin cintica entre la caja y el piso?

(b) Si la fuerza de 300 N jala en lugar de empujar elbloque a un ngulo de 20.0o sobre la horizontal, comose ve en la gura, cul ser la aceleracin de la caja?Suponga que el coeciente de friccin es el mismo queese hallo en (a)

Pregunta 3. 42 Un disco de jockey es gol-peado sobre un lago congelado y empieza a moverse conuna rapidez de 12.0 m/s. Cinco segundos despus, surapidez de 12.0 m/s. Cinco segundos despus, su rapi-dez es de 6.00 m/s (a) Cul es su aceleracin media?(b) Cul es el valor medio de coeciente de friccincintica entre el disco y el hielo? (c) Qu distanciarecorre el disco durante este intervalo de 5.00 s?

Pregunta 3. 43 Un coeciente de friccin estti-ca de 0.800 entre las suelas de los zapatos de deported e una corredora y el supercie a nivel de la pista so-bre la que corre. Determine la mxima aceleracin quepuede alcanzar. Es necesario sabe que la masa de ellaes de 60.0 kg?

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3.4.1. curvas aperaltadas

Pregunta 3. 44 Determine el ngulo de peralteuna curva de un radio de 150 m, de modo que los carospuedan viajar a 25 m/s de modo seguro, desprecie lafriccin.

Pregunta 3. 45 Una curva de radio de 120 mtiene un peralte de18o. Determine la rapidez con lalos autos recorren la curva. Desprecie la friccin.

Pregunta 3. 46 Una pista de carreras tiene un

peralte, el radio de curva mnimo es de 112 m y elradio mximo de la curva es de 165 m. Como se ilustraen la gura. La altura que alcaza el muro exterior de lacurva es de 18 m. Encuentre (a) La velocidad mnimapara mantener un mismo radio en una vuelta (b) y lavelocidad mxima.

3.5. Dinamica de la rotacin

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icaCaptulo 4

Cantidad de movimiento


Pregunta 4. 1 Para detener un buque cisterna degrandes dimensiones, suelen apagarse sus maquinas aunos 25 kilmetros del puerto. Por qu es tan difcildetener o virar un buque de estos?

Pregunta 4. 2 En trminos de de impulso y mo-mentum, por qu son ms seguros los tableros acoji-nados en los automviles?

Pregunta 4. 3 Cuando una manzana cae de unrbol y golpea el suelo sin rebotar. En que se conviertesu momentum?

Pregunta 4. 4 Si se lanza una pelota hacia arribadesde el suelo con diez unidades de momentun, Cules el momentun de retroceso del mundo? Por qu nolo sentimos?

Pregunta 4. 5 Por qu es ms violento un pue-tazo con el puo desnudo que con un guante de box?

Pregunta 4. 6 Un pugilista se cansa ms rpida-mente cuando falla sus golpes sobre el contrario quecuando acierta Por qu?

4.1.1. Identificando el centro de masa

Pregunta 4. 7 La Tierra y la Luna estan sepa-radas de centro a centro por una distancia de 3,85108m La masa de la Tierra es de 5,98 1024 kg, mientrasla masa de la Luna es 7,35 1022 kg Determina ladistancia del centro de masa al centro de la Tierra.

Pregunta 4. 8 El dibujo muestra las uniones ylos ngulos en la molcula de cido ntrico (HNO3),La cual es plana. Las masa de los tomos son mH =1,67x1027 kg, mN = 23,3x1027 kg, y mO =26,6x1027 kg. En la molcula de acidido ntrico, local-iza el centro de masa relativo al tomo de hidrogeno.

4.2. Principio de conservacin de momentum

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ica22 CAPTULO 4. CANTIDAD DE MOVIMIENTO

Pregunta 4. 9 Un cohete se mueve a unarapidez de 45.0 m/s. Sbitamente, el cohete se divideen dos masas iguales. Las piezas vuelan a velocidadesv1 y v2. Determina tales velocidades.

Pregunta 4. 10 Una pelota de golf tiene unamasa de 0.047 Kg y es aventada al piso, de modo queel ngulo entre la velocidad inicial y la vertical es de30o. El rebote es simtrico, tiene el mismo ngulo conla vertical, pero se aleja del piso. Determina el cambiode momento que imprime el piso a la pelota.

Pregunta 4. 11 En la lmacin de unapelcula se deja caer un mueco de 63 Kg, el dummycae libremente desde el reposo. El mueco se impactaen el suelo sin rebote, alcanza el reposo en 0.010 s conuna fuerza promedio de 18 000 N. Determine desde quealtura se dejo caer el mueco.

Pregunta 4. 12 Un chorro de agua golpea lahoja de una turbina estacionaria (que se puede consid-erar instantneamente sin movimiento). Como se ilus-tra en la fgura, el chorro inicialmente tiene una veloci-dad de +16.0 m/s, mientras que el agua que sale dela hoja tiene una velocidad de -16 m/s. La masa delagua por segundo que golpea a la hoja es de 30.0 kg/s.encuentra la fuerza promedio que ejerce el agua en lahoja.

4.2.1. Colisiones en una y dos dimensiones

Pregunta 4. 13 En un juego de football ameri-cano, un receptor en reposo cacha el baln, mientrasun tacleador se dirige hacia l con una velocidad + 4.5m/s. En el golpe quedan enganchados y los dos viajanjuntos con una velocidad de +2.6 m/s. La masa deltacleador es de 115 Kg. Asumiendo que el momentumse conserva, encuentre la masa del receptor.

Pregunta 4. 14 Desde el reposo, Dos pati-nadores se impulsan hasta que la friccin los detiene.Los patinadores se empujan mutuamente para moverse,sabemos que la distancia que alcanza al primer pati-nador es el doble que la distancia del segundo; el coe-ciente de friccin de los patines y el hielo es el mismopara ambos patinadores. Determine el valor de la razn

m2/m1.

Pregunta 4. 15 Considere un carril sin fric-cin, como se muestra en la gura. Un bloque de masam1 = 5,00 Kg se suelta desde un punto uno, sufre unacolisin de frente en el punto dos, con un bloque demasa m2 = 10,0 kg que inicialmente esta en reposo.Calcule la altura mxima a la que m1 sube despus dela colisin. Considere que en el punto tres la velocidaddel bloque dos es de 1 m/s.

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icaCaptulo 5

Energa mecnica


Pregunta 5. 1 Por qu es ms fcil detener uncamin con poca carga que uno con mucha carga a lamisma velocidad?

Pregunta 5. 2 Puede un cuerpo tener energasin tener momentum? Explique. Puede un cuerpo ten-er momentun sin tener energa? Explique.

5.2. Trabajo y energa

Pregunta 5. 3 Una mujer empuja un carrito decompras de 16.0 kg. Se translada 22.0 m a velocidadconstante. La mujer empuja hacia debajo de la hori-zontal con un 29.0o. Una fuerza de friccin de 48.0 Nse opone al movimiento del carro. Determine el traba-jo realizado por (a) la fuerza que la compradora ejerce,(b) por la fuerza de empuje (c) por la fuerza de friccin(d) por la fuerza de gravitacin.

Pregunta 5. 4 Una caja de madera de 1,00102 kg es empujada en un piso horizontal con unafuerza F que hace un ngulo de 30o debajo de la hori-zontal. El coeciente de friccin cintica es 0.200. De-termina la magnitud de la furza F , de modo que eltrabajo realizado sea cero.

5.3. Energa Cinetica y Energa potencial

Estrategia para resolver problemas: Aplicacin dela conservacin de la energa mecnica

Te sugiero que utilices el siguiente mtodo para re-solver problemas sobre conservacin de energa mecni-ca.

1. Visualaza. Dene un sistema con un dibujo

2. Selecciona un lugar para el cero de la energapotencial gravitacional y no cambies este lugarmientras resuelves el problema

3. Determina la existencia o no de fuerzas disipati-vas, por ejemplo friccin.

4. Encuentra todos los elementos de energa inicial,escribe la suma algebraica

5. Encuentra todos los elementos de energa final,escribe la suma algebraica

6. Por la conservacin de energa, iguala la energainicial y la energa nal. Despeja la incgnita.

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ica24 CAPTULO 5. ENERGA MECNICA

Pregunta 5. 5 Una fuerza de 3 N acta a lo largode una distancia de 12 m en la direccin y sentido dela fuerza. Encuentre el trabajo realizado.

Pregunta 5. 6 Un objeto de 4 kg se levanta 1.5 ma) Qu trabajo se efecta en contra de la gravedad?b) Reptase el clculo si el objeto se baja en vez delevantarse.

Pregunta 5. 7 Un bloque esta sometido a cuatrofuerzas, no todas se aplican sobre la misma lnea, mirala gura. Determina cuanto trabajo se realizar, cuan-do el bloque se desplaza 5 metros (desprecia la friccin)

Pregunta 5. 8 Una losa de mrmol uniforme rec-tangular tiene 3.4 m de largo, 2.0 m de ancho y unamasa de 180 kg. Si est originalmente tendida en elsuelo plano, cunto trabajo se necesita para ponerlaerguida?

Pregunta 5. 9 Una carga de 400 lb de ladrillos seva a elevar hasta la parte ms alta de un andamio queest a una altura de 28 pies Qu cantidad de trabajose desarrollar contra la gravedad para levantarla?

Pregunta 5. 10 Calclese el trabajo desarrolladopor una mquina que eleva 40 litros de alquitrn a unaaltura de 20 m. Un cm3 de alquitrn tiene una masade de 1.07 gramos.

Pregunta 5. 11 De que magnitud es la fuerzaque se requiere para acelerar un coche de 1300 kg desdeel reposo hasta una rapidez de 20 m/s, en una distanciade 80m?

Pregunta 5. 12 Un automvil de 1200 kg viaja a30 m/s, aplica los frenos y derrapa antes de detenerse.Si la fuerza de rozamiento entre el deslizamiento de lasllantas y el pavimento es de 6000 N, Qu distanciaderrapar el coche antes de alcanzar el reposo?

Pregunta 5. 13 Un automvil de 200 kg se em-puja lentamente hacia arriba de una pendiente. Cun-to trabajo desarrollar la fuerza que hace el objetoascienda la pendiente hasta una plataforma situada a.5m arriba del punto de partida, si el rozamiento es des-preciable?

Pregunta 5. 14 Reptase el problema anterior,considerando que la distancia a lo largo de la pendi-ente hasta la plataforma es de 7 m y que se opone almovimiento una fuerza de 150 N

Pregunta 5. 15 Un vagn de carga de 100 000 lbse empuja una distancia de 2 500 pies hacia arriba sobreuna pendiente con inclinacin del 1.2%, con rapidezconstante a) encuentra el trabajo que desarrolla contrala gravedad el empuje de la barra de traccin. b) Si lafuerza de rozamiento que frena el movimiento es 440lb, encuntrese el trabajo total desarrolla.

Pregunta 5. 16 Una mujer de 60kg sube untramo de escalera que uno dos niveles separados 3.0m a) Cunto trabajo realiza la mujer al subir de unnivel a otro? b) En que cantidad cambia la energapotencial gravitacional de la mujer?

Pregunta 5. 17 Una bomba eleva agua desde unlago hasta un gran tanque colocado 20 m arriba delnivel de un lago. Qu cantidad de trabajo se desarrol-lar la bomba contra la gravedad para transferir 5m3de agua al tanque? Un metro cbico tiene una masa de1000 kg

Pregunta 5. 18 Justamente antes de chocar con-tra el piso, una masa de 2.0 kg tiene 400 J de Ec. Sise desprecia el rozamiento, desde qu altura se dejcaer?

Pregunta 5. 19 Una pelota de 0.5 kg cae frenteuna ventana de longitud vertical de 1.50 m a) En qucantidad se incrementa la Ec de la pelota cuando al-cance el borde inferior del la ventana? b) Si su rapidezera de 3.0 m/s en la parte superior de la ventana culser su rapidez al pasa por la parte inferior?

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ica5.3. ENERGA CINETICA Y ENERGA POTENCIAL 25

Pregunta 5. 20 Un esquiador acutico deja unarampa (un plano inclinado) a una rapidez de 14.0 m/s.Como se observa en la gura, en la parte ms alta delsalto, el esquiador tiene una rapidez de 13.0 m/s. Ig-norando la resistencia del aire, determine la altura Harriba de la rampa, en el punto ms alto del salto. Uti-liza conservacin de energa para resolver el ejercicio.

Pregunta 5. 21 Al nivel del mar, las molculasde nitrgeno en el aire tiene Ec translacional promediode 6,2 1021J. Su masa es de 4,7 1026kg a) Sila molcula pudiera moverse verticalmente hacia arri-ba sin chocar con otras molculas de aire, a qu al-tura podra llegar ? b) Cul es la rapidez inicial de lamolcula?

Pregunta 5. 22 El coeciente de rozamientocintico entre un coche de 900 kg y el pavimento esde 0.80. Si el coche se mueve a 25 m/s a lo largo delpavimento plano cuando comienza a derrapar para de-tenerse, qu distancia recorrer antes detenerse?

Pregunta 5. 23 Una partcula recorre un to-bogn, como se ven en la gura. Se observa que semueve del punto A a 3.00 m arriba del piso y se transla-da hasta la seccin curva en el punto B, donde aban-dona el tobogn. La partcula alcanza una altura mx-ima de 4.00 m. Determine la velocidad de la partculaen el punto A.

Pregunta 5. 24 En los extremos de una mesahorizontal hay dos resortes diferentes, entre ellos re-bota una y otra vez un bloque (m = 0.01 kg), comose muestra en la gura de abajo. El resorte del pun-to A tiene una constante de resorte de kA = 2N/m yen estas condiciones su compresn mxima es de 0.1m. Mientras que el resorte en el punto C tiene unaconstante de resorte de kA = 0,3N/m. a) Determina

cuanto es lo mximo que se puede comprimir el resorteC por la accio del bloque que proviene del resorte A.b) Encuentra la rapidez del bloque en un punto dondeno toca a ningn resorte, como el punto B de la gura.Considera que no hay disipacin de energa.

Pregunta 5. 25 En una mesa horizontal hay unpromontorio de altura H = 0.02 m, adems hay dos re-sortes diferentes en los extremos de la mesa, entre losresortes rebota y se desliza una y otra vez un bloque (m= 0.01 kg), como se muestra en la gura de abajo. Elresorte del punto A tiene una constante de resorte dekA = 2N/m y en estas condiciones su compresn mx-ima es de 0.1 m. Mientras que el resorte en el punto Ctiene una constante de resorte de kA = 0,3N/m. a) De-termina cuanto es lo mximo que se puede comprimirel resorte C por la accio del bloque que proviene delresorte A. b) Encuentra la rapidez del bloque en unpunto mas alto del promontorio, como el punto B dela gura. Considera que no hay disipacin de energa.

Pregunta 5. 26 De un resorte A de kA =100N/m, comprimido 0.5 m, desde el reposo, se lanzaun bloque de masa de 0.1 Kg, el bloque se desliza sobreun plano inclinado, sube hasta una altura de 0.30 m ycomienza a comprimir a un resorte de kB = 20N/m.Determina la distancia que se comprime el resorte B.La disipacio de energa es despreciable.

Pregunta 5. 27 Considere el pndulo simple, elcual mide un metro de longitud, como se muestra enla gura de abajo. a) Si se suelta el pndulo desde elpunto A. Cul ser la rapidez de la esfera cuando pasaa travs del punto B? b) Cul ser esa rapidez en elpunto C?, considere que entre la vertical y la posicindel pndulo es de 10 grados.

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ica26 CAPTULO 5. ENERGA MECNICA

Pregunta 5. 28 Un automvil de 1 200 kg de-sciende por gravedad desde el reposo, por una carreteraque est inclinada 20 grados con la horizontal y tiene15 m de largo. Qu rapidez es la del coche al nal delcamino si a) el rozamiento es despreciable y b) cuandose opone al movimiento una fuerza de rozamiento de 3000 N?

Pregunta 5. 29 El conductor de un coche de 1200 kg nota que el coche disminuye su velocidad desdem/s hasta 15 m/s mientras recorre una distancia de130 m sobre suelo nivelado. De qu magnitud es lafuerza que se opone al movimiento?

Pregunta 5. 30 Una persona de 10 lb resbaladesde el reposo hacia abajo por un plano inclinado ru-goso que tiene 100 pies de largo y una inclinacin de 30ocon la horizontal, y adquiere una rapidez de 52 pies/s.Encuentre el trabajo que realiza contra la gravedad.

Pregunta 5. 31 Lorena Ochoa, una golsta pro-fesional, lanza una pelota de golf de 47.0 gr con unavelocidad de 52.0 m/s y alcanza una altura de 24.6 m.(a) Despreciando la resistencia del aire, determine laenerga cintica en el punto ms alto. (b) Cul es lavelocidad de la pelota a 8 m debajo de la altura msbaja?

Pregunta 5. 32 Un jovencito desea ser basquet-bolista profesional, mientras juega hace un tiro a lacanasta. La pelota es lanzada a una altura de 2.00 m auna velocidad de 7.20 m/s; la pelota alcanza la canastaa 3.10 m y a una velocidad de 4.20 m/s. Determina eltrabajo realizado por la resistencia del aire? La masade la pelota es de 0.600 kg.

5.3.1. Trabajo hecho por una fuerza constante

Pregunta 5. 33 Un camin aplica sus frenos conuna fuerza de 3 103 N, en una distancia de 850 m.Determine el trabajo que hacen los frenos, que signicael signo del trabajo.

Pregunta 5. 34 Como se ve en la gura, una bar-caza se mueve en un ro porque es jalada por caballos.La tensin de cada los cable es de 5,00 103 N y elngulo que forma cada calble los cable con la direccindel movimiento es de 20o grados. Determina el trabajoneto despues de 10 metros (desprecia a la friccin).

Pregunta 5. 35 Un bloque es subido con porun plano inclinado (Mira la gura correspondiente). Seaplica una fuerza de 100 N a un bloque de 2 kg, elbloque sube por un plano inclinado (donde el coe-ciente de friccin dinmica entre el bloque y el planoinclinado es de 0.2), con un ngulo = 15o. Cuandoel bloque se desplaza tres metros a lo largo del planoinclinado. Determina el trabajo neto.

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icaCaptulo 6

Movimiento rotacional


6.2. Objetos rigidos en equlibrio, centro de masa

Pregunta 6. 1 Una centrifuga es un apara-to en donde un contenedor rota a una alta velocidaden una trayectoria circular. Este aparato es utiliza-do en laboratorios mdicos para separar sustancias dediferentes densidades, por ejemplo los glbulos rojosdel plasma. Suponga que la aceleracin centrpeta es6,25 103 veces mayor que la aceleracin debida ala gravedad. Determina el numero de revoluciones porminuto que una muestra hace en el aparato, cuando lamuestra se coloca a 5.00 cm del eje de rotacin.

Pregunta 6. 2 Una barra metlica de un metrode largo esta sujeta de un extremo por una bisagra. Enel extremo de la barra se aplica una fuerza de 4.00 Nperpendicular a la lnea que forma la barra. Adems,otra fuerza de 6.00 N se aplica a un ngulo de 60o.Determine para la segunda fuerza la distancia que haceque la torca neta sea cero.

Pregunta 6. 3 Un nio de 1.25 m pesa 548 N. elchico realiza una lagartija, considerando que cuandoesta de pie, el centro de masa del joven esta a 0.849m de sus pies al estomago. Encuentra la fuerza normal

que ejerce el piso en cada una de las manos y cadapie. Asumiendo que l mantiene la posicin horizontal,adems los pies y manos estan al mismo nivel.

Pregunta 6. 4 Una muchacha de 200 N se en-cuentra en el extremo de un trampoln de masa despre-ciable y 2 m de largo. En el otro extremo del trampolnse encuentra un tornillo y a medio metro de l hay unpivote. Encuentra la fuerza que soporta el tornillo yel pivote. Considera que el no hay movimiento en eltrampoln.

Pregunta 6. 5 Un letrero semicircular de 1 m dedimetro y 100 N de peso esta colgando de dos cablesinextensibles (esta en equilibrio mecnico). Uno de loscables esta en un extremo del letrero, pero el otro estaa una distancia de 0.25 m del extremo. Determina lastensiones de los dos cables.

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ica28 CAPTULO 6. MOVIMIENTO ROTACIONAL

Pregunta 6. 6 Un letrero semicircular de1 m de dimetro y 100 N de peso esta colgando dedos cables inextensibles (esta en equilibrio mecnico).Uno de los cables esta en un extremo del letrero, peroel otro esta a una distancia de 0.25 m del extremo.Considerando que cada cables hacen un ngulo con lahorizontal 1 = 30o y 1 = 60o. Determina las tensiones

de los dos cables.

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icaCaptulo 7

Hidrosttica


Pregunta 7. 1 Dos embalses contienen la mismacantidad de agua, pero uno es ms alto que el otro.Cul embalse se debe construir con mayor solidez?

Pregunta 7. 2 Un silo tpico de una granja tienemuchas bandas enrolladas alrededor de su permetro.Por qu la separacin de las bandas sucesivas es mspequea en las porciones inferiores del silo?

Pregunta 7. 3 Durante la inhalacin, la pre-sin en los pulmones es ligeramente menor que la pre-sin externa, y los msculos que controlan la inhalacinestn relajados. Bajo el agua, el cuerpo iguala las pre-siones interna y externa. Haga un anlisis de la condi-cin de los msculos si una persona bajo el agua respirapor un tubo conocido como . Fun-cionaria bien un snorquel en aguas profundas?

Pregunta 7. 4 Coloquialmente, decimos queuna enfermera utiliza una jeringa para sangre.Por qu es mas preciso decir que la utiliza parasangre?

Pregunta 7. 5 Numerosas personas piensan queun vaci creado dentro de una aspiradora hace que seansuccionadas partculas de polvo. Sin embargo, en real-idad, el polvo es empujado. Explique esta armacin.

Pregunta 7. 6 Suponga que un barco averiado

apenas ota en el ocano despus de habrsele selladoun agujero en su caso. Es llevado por un remolcador ala orilla y luego en un ro, en direccin hacia el muelleseco para repararlo. Cunado es remolcado ro arriba,se hunde. Por qu?

Pregunta 7. 7 Un cubo de hielo ota mas arribaen agua o en una bebida alcohlica?

Pregunta 7. 8 Una libra de espuma de estireno yuna libra de plomo tienen el mismo peso. Si se colocanen una balanza sensible, se equilibraran?

Pregunta 7. 9 Un cubo de hielo se pone en unvaso de agua Qu le pasa al nivel del agua cuando elhielo se derrite?

Pregunta 7. 10 En las inmediaciones de una ex-clusa se hunde un acorazado Subir o bajara el nivelde las aguas?

Pregunta 7. 11 El peso del cerebro humanoes de aproximadamente 15 newtons. La fuerza de em-puje ejercida por el uido que rodea a este rgano esde aproximadamente 14.5 newtons. Signica esto quedebe haber por lo menos 14.5 newtons rodeado al cere-bro? Justique su respuesta.

Pregunta 7. 12 Si el campo gravitacional de la

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ica30 CAPTULO 7. HIDROSTTICA

Tierra se incrementara, un pez otara en la super-cie del agua, se hundira o permanecera a la mismaprofundidad?

Pregunta 7. 13 Una pelota de ping-pong esta enel fondo de una vasija con agua, la pelota se libera y esempujada hacia la supercie. Ocurrira lo mismo si lavasija con agua estuviera en una nave espacial dondela gravedad es despreciable? Explique.

7.2. Problemas

Pregunta 7. 14 Se debe bombear agua a lo altodel edicio Empire State, que mide 1 200 pies de altoQu presin manomtrica se necesita en la tubera sde la base del edicio para elevar el agua a esta altura?

Pregunta 7. 15 Un a bolsa de plstico ple-gable contiene una solucin de glucosa. Si el promediode presin manomtrica en la vena es de 1,33x104 Pa,Cul debe de ser la altura mnima h de la bolsa paraintroducir glucosa en la vena? Suponga que la gravedadespecca de la solucin es de 1.02.

Pregunta 7. 16 Un cilindro circular (de ra-dio de 0.025 m) contiene un pistn (carente de friccin.)que divide en dos partes al cilindro, como se muestraen la gura siguiente. Una de las cmaras del pistnesta sujeta con un resorte, el cual tiene una constantede resorte de 3600 N/m. Cuando la cmara donde estael resorte pierde todo el aire, el resorte se comprimepor la presin atmosfrica del otro lado de la cmara;determine cuando se comprime el resorte debido a lapresin atmosfrica.

Pregunta 7. 17 Un cilindro circular y un

hemisferio son slidos y del mismo material. Los dosobjetos descansan en el suelo, el cilindro esta sobre unade sus bases circulares y el hemisferio sobre su parteplana. La presin que ejercen los dos objetos sobre elsuelo es la misma. Cuando el cilindro tiene una alturade 0.500 m; determine el radio del hemisferio.

Pregunta 7. 18 Un poco de mercurio es vaci-ado en un vaso contenedor. Despus un se vaca alcoholetlico; desde el nivel del mercurio hasta el tope del vasohay 110 cm de alcohol. Los dos uidos no se mezclan,la presin arriba del alcohol etlico es de una atms-fera. Determina la presin absoluta a 7.10 cm abajodel nivel de la interfase mercurio-alcohol etlico.

Pregunta 7. 19 Dos barmetro de Torricel-li usan lquidos diferentes. Uno emplea mercurio y elotro un lquido desconocido. Suponga que la presinque soporta cada columna en el barmetro es la mis-ma, P ; la cual es una presin entre cero y la presinatmosfrica estndar. En el barmetro, la altura de lacolumna del lquido desconocido es 16 veces ms altaque la del mercurio. Encuentra la densidad del lquidodesconocido.

Pregunta 7. 20 Un objeto slido de formacaprichosa es completamente sumergido en alcoholetlico, donde el peso aparente del objeto es de 15.2N. Cuando el mismo objeto es sumergido en agua, supeso aparente es de 13.7 N. Determine el volumen delobjeto.

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icaCaptulo 8

Gases y plasmas

Aqui escribo un preabulo

8.1. Preguntas de repaso

Pregunta 8. 1 Cul es la fuente de energa parael movimiento de las molculas atmosfricas? Qu lesimpide escapar al espacio exterior?

Pregunta 8. 2 A que altura se elevara en la at-msfera un globo inado con helio?

Pregunta 8. 3 Si un globo inado se comprimea la mitad de su volumen inicial, en cuanto se incre-menta la presin del gas? (No considere los cambios detemperatura)

Pregunta 8. 4 Aumenta o disminuye la presinatmosfrica cuando en un da con viento?

Pregunta 8. 5 En que diere un plasma de ungas?

8.2. Preguntas de fluidos en reposoHewitt

Pregunta 8. 6 Por qu no hay atmsfera en laLuna?

Pregunta 8. 7 Cmo es la densidad del aire enuna mina profunda en comparacin con la densidad enla supercie de la Tierra?

Pregunta 8. 8 Por qu las aeromozas evitan us-ar sostenes inables durante un vuelo?

Pregunta 8. 9 Cul supone sea la razn que lasventanillas de los aviones sean pequeas en compara-cin con las ventanillas de los autobuses?

Pregunta 8. 10 Cuando se rompe el cinescopio

de una pantalla de TV Implota o explota? Explique

Pregunta 8. 11 La bomba e una aspiradora esun ventilador de alta velocidad Removera una aspi-radora el polvo de alfombra en la Luna? Explique

Pregunta 8. 12 Desde que profundidad se puedebombear agua de un pozo con una bomba de vaco per-fecto?

Pregunta 8. 13 Si se empleara un barmetro unlquido con la mitad de densidad que la del mercurio,a que altura se encontrara su nivel durante un da depresin atmosfrica normal?

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ica32 CAPTULO 8. GASES Y PLASMAS

Pregunta 8. 14 Desde que profundidad se puedeextraer mercurio de una vasija con un sifn?

Pregunta 8. 15 Seria ligeramente mas difcilextraer refresco con un popote al nivel del mar o enla cima de una montaa muy alta? Explique

Pregunta 8. 16 La presin ejercida contra el pisopor el peso de un elefante distribuido de forma uniformesobre sus cuatro patas es menor a una atmsfera. Porqu, entonces, el lector quedara triturado bajo la pa-ta de un elefante, mientras que no sufre dao bajo lapresin de la atmsfera?

Pregunta 8. 17 Por qu es diferente el peso deun objeto rodeado de aire en comparacin con el mismoobjeto en el vaco? Mencione un ejemplo donde serauna consideracin importante?

Pregunta 8. 18 Una nia esta sentada en un au-to, frente a un semforo, sosteniendo un globo inadocon helio. Los cristales estn subidos y el carro es rel-ativamente hermtico. Cuando cambia la luz de rojoa verde, el carro acelera hacia adelelante y la cabezade la nia sale disparada hacia atrs, pero el globo sedispara hacia delante. Explique por qu.

Pregunta 8. 19 Un globo lleno de aire cae a latierra, pero uno lleno de helio se eleva Por qu?

8.3. Preguntas de fluidos en movimiento

Pregunta 8. 20 Por qu son altas las chimeneasindustriales?

Pregunta 8. 21 Por qu cuando en una au-topista un camin pesado pasa junto a un auto en sen-tido contrario el auto tiende a dar un bandazo hacia elcamin?

Pregunta 8. 22 Por qu se comba la capota deun auto convertible cuando este vehiculo circula a altavelocidad?

Pregunta 8. 23 Los muelles se construyen conuna estructura a base de pilotes que permiten el pasolibre del agua. Por qu un muro slido seria desven-tajoso para los barcos que intentaran navegar parale-lamente a l?

8.4. Ejercicios. Aplicaciones de la ecuacion de Bernoulli

Pregunta 8. 24 Un modo de administrar unavacuna es por medio de una pistola de presin altaque expulsa el medicamento a travs de una estrechasalida. La vacuna cuenta con suciente velocidad paraatravesar el tejido debajo de la piel. La velocidad de lavacuna ( = 1100 kg/m3) es rpida porque es empuja-da por la alta presin dentro del contenedor que es de4,1x106 Pa arriba de la presin atmosfrica. La dosises sucientemente pequea para considerar el resovo-rio estacionario. La altura vertical entre el reservorio yla salida de la pistola se puede ignorar. Encuentra lavelocidad con la que la vacuna emerge de la aguja.

Pregunta 8. 25 En una casa cerca de la playalos vientos de un huracn alcanzaron velocidades de

15 m/s, considere que la densidad del aire es de 1.29kg/m3 y la casa esta hermtica relativamente.

a) Respecto a la presin atmosfrica, determine la re-duccin de presin que acompaa al viento b) Expliquepor qu los techos de las casas se pueden volar

Pregunta 8. 26 En un segmento de arterianormal y horizontal, la velocidad de la sangre es de0.11 m/s. Por la placa de arteriosclerosis, un segmentoanormal de arteria es cuatro veces ms estrecho queuna arteria normal. Cul es diferencia de presin san-gunea entre los segmentos de arteria normal y los seg-mentos constreidos?

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ica8.5. EJERCICIOS DE PRINCIPIO DE PASCAL 33

Pregunta 8. 27 El ala de un aeroplano se ha dis-eado que la velocidad en la parte superior del ala esde 251 m/s y la velocidad en la parte inferior es de 225

m/s. La densidad del aire es de 1.29 kg /m3. Cul esla fuerza ascendente para el ala de 24 m2?

8.5. Ejercicios de principio de Pascal

Pregunta 8. 28 La presin atmosfrica arriba deuna piscina cambia de 755 a 765 mm de Hg. El fondode la piscina es un rectngulo de 12 m 24 m. Cuntocrece la fuerza de la presin en el fondo de la piscina?

Pregunta 8. 29 En la prensa hidrulica emplea-da en un compactador de basura, el botn de encendi-do y la prensa del compactador cuentan con radios de5,1x103 m y 6,4x103 m, respectivamente. La diferen-cia de las alturas de los mbolos puede ser despreciada.Cul es la fuerza que se aplica el compactador cuandola fuerza de impulso es 330 N?

Pregunta 8. 30 Una prensa hidrulica cuen-ta con un resorte (con una constante de resorte de1600 N/m), y del otro lado de la prensa hay una roca(con una masa de 40.0 kg). Inicialmente, en la prensahidrulica el botn (de 15 cm2) y el elevador (de 65cm2) se encuentran al mismo nivel y son de masa de-spreciable. Determine cuanto es el resorte comprimidodesde la posicin de reposo.

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ica34 CAPTULO 8. GASES Y PLASMAS

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icaParte II

Calor

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icaCaptulo 9

Temperatura, calor y dilatacin

9.1. Preguntas complementarias

Pregunta 9. 1 Por qu una persona no puededeterminar su temperatura se ha elevado tocndose lafrente?

Pregunta 9. 2 Tiene sentido hablar de temper-atura en el vaco?

Pregunta 9. 3 Explique el signicado de la frase:

Pregunta 9. 4 Si se deja caer una piedra calienteen un cubo de agua, las temperaturas de la piedra y elagua cambian, hasta que ambas se igualan. La piedra seenfra y el agua se calienta. Es tambin verdad sto sila piedra caliente se deja caer en un ocano? Explique.

Pregunta 9. 5 Por qu se incrementa la presinde de un gas encerrado en un recipiente rgido cuandose eleva la temperatura?

Pregunta 9. 6 La arena del desierto es muycaliente de da y muy fra en la noche. Qu indicasto de su calor especco?

9.2. Ejercicios de radiacin

Cuntos das le toma a un cubo (0.00100 m de arista,a 30 oC) radiar la misma cantidad de energa que unbulbo de 100 W en una hora?

El lamento de un bulbo tiene una temperatura de3,0x103 oC y radia seis watts de poder. La emisividaddel lamento es de 0.36. Encuentre la supercie dellamento.

La cantidad de poder radiado producido por el Sol esaproximadamente de 3,9x1036W. Asumiendo que el Soles un cuerpo negro perfecto y es una esfera con unradio de 6,96x108 m, encuentra la temperatura de lasupercie del Sol.

Revise los conceptos de este problema. Suponga quela temperatura de la piel es de 34 oC cuando la personaesta en un cuerdo de temperatura de 25 oC. El rea dela piel de un individuo es de 1.5 m2 a) asumiendo quela emisividad es de 0.80, encuentra la perdida neta depoder radiante del cuerpo. b) determina el numero decaloras (cal = 4186 J ) se pierde en una hora de laparte (a). La trasformacin metablica del alimento enenerga remplaza esta perdida.

9.2.1. Dilatacin lineal

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ica38 CAPTULO 9. TEMPERATURA, CALOR Y DILATACIN

Pregunta 9. 12 Dos delgados listones metli-cos estn sujetos por un tornillo. Uno es aluminio y elotro es acero, a temperatura ambiente (20o C) el listnde aluminio es 1% ms corto que el listn de acero. De-termine la temperatura a la que los dos listones tienenel mismo largo.

Pregunta 9. 13 Una barra de 2.0 m de latnesta unida a un muro, del otro extremo una barra de1.0 m de aluminio esta unido a otro muro, de modoque las barras estn alineadas. A una temperatura de28 oC, el espacio entre las barras es de 1,3 103 m.Determine la temperatura a la que el espacio se hacecero. Considere que las paredes no se mueven.

Pregunta 9. 14 Un pndulo simple consisteen un hilo delgado de plata que termina en una esferita.El periodo del pndulo es de 2.0000 s. Cuando la tem-peratura aumenta 140 oC, y la longitud del pndulocrece, determine el nuevo periodo.

Pregunta 9. 15 A temperatura ambiente, unaesfera de plomo es 0.050% ms grande en dimetrodel agujero de una arrandela de acero. Determina elincremento mnimo de temperatura para que la esferapueda atravesar la arrandela.

Pregunta 9. 16 Se colocan tres placas de concre-to de 2.4 m entre dos paredes rgidas que no se separanmas por la dilatacin. Para evitar fracturas por la di-latacin lineal, se necesita un espacio entre las placas,determine el mnimo espacio entre las placas cuando seincremente al temperatura 32 oC desde la temperaturaambiente

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icaCaptulo 10

Transferencia de calor

10.1. Preguntas de repaso

Pregunta 10. 1 Por qu es difcil estimar latemperatura de las cosas por medio del sentido del tac-to?

Pregunta 10. 2 Por qu las ventanas dobles(termocristales) mantienen caliente una casa en invier-no?

Pregunta 10. 3 Si eres sorprendido durante unahelada con slo una vela como fuente de calor, es-taras ms caliente en un igloo esquimal o una chozade madera?

Pregunta 10. 4 En las regiones desrticas, lascuales son calientes en el da y fras por las noches.Las paredes de la casas suelen estar hechas de barroPor qu es importante que las paredes sean de granespesor?

Pregunta 10. 5 Es posible hervir agua en un va-so de papel que se coloque sobre una ama caliente.Por qu no se quema el vaso de papel?

Pregunta 10. 6 Cuando es de da en la Luna, lasupercie de este satlite es lo sucientemente calientepara fundir la soldadura. Por qu esto no ocurre en laTierra?

Pregunta 10. 7 Si se desea enfriar una botellagrande con lquido ponindolo en contacto con el hielo,

debe colocarse sobre la parte superior o bajo la infe-rior del bloque de hielo?

Pregunta 10. 8 Es posible hervir agua en un va-so de papel que se coloco sobre la ama caliente. Porqu no se quema el papel?

Pregunta 10. 9 Es posible colocar los dedos muycerca y al lado de la ama de una vela sin quemarse,pero Por qu no s quemamos si ponemos los dedosencima de la misma ama?

Pregunta 10. 10 en un cuarto tranquilo, el hu-mo de cigarrillo algunas veces se eleva en el aire y seestaciona si alcanzar el techo. Explique por qu.

Pregunta 10. 11 Por qu esperaras que una so-la molcula de helio se elevara continuamente en unaatmsfera de nitrgeno y oxigeno?

Pregunta 10. 12 Si se calienta un volumen deaire, ste se calienta. Se deduce de esto que si se dilataun volumen de aire, ste se calienta?

Pregunta 10. 13 Qu tiene que ver el alto calorespecco del agua con las corrientes de convencin enel aire sobre las playas?

Pregunta 10. 14 Por qu es importante pintar

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ica40 CAPTULO 10. TRANSFERENCIA DE CALOR

de color blanco los invernaderos durante el verano?

Pregunta 10. 15 Durante un da soleado peromuy fri el lector viste un abrigo negro y otro trans-parente de plstico. Cul debe de debe usar en el lado

de afuera para un calentamiento mximo?

Pregunta 10. 16 Es importante convertir lastemperaturas a la escala Kelvin cuando se emplea laley de enfriamiento de Newton? Explique

10.2. Ejercicios de mquina de Carnot

Pregunta 10. 17 cinco mil joules de calor sesuministran a una maquina de Carnot cuyos reservo-rios caliente y fro tienen temperaturas de 500 y 200 K,respectivamente. Cunto calor es convertido en traba-jo?

Pregunta 10. 18 Una maquina de Carnot operacon una eciencia del 27.0%, cuando la temperatura enel reservorio fro es de 275 K. Asumiendo que la temper-atura del reservorio caliente es invariante. Cul debeser la temperatura del reservorio fro para aumentar laeciencia hasta un 32.0% ?

Pregunta 10. 19 Una maquina de Carnot tieneuna eciencia de 0.700 y la temperatura de su reser-vorio fro es 378 K a) determine la temperatura delreservorio caliente b) Si 5230 J de calor es expulsa-do del reservorio fro, que cantidad de calor entra a lamquina.

Pregunta 10. 20 Una mquina realiza 18 500 Jde trabajo y expulsa 6550 J de calor dentro de un reser-vorio fro a 285 K. Cul puede ser la mnima temper-atura del reservorio caliente?

10.3. Preguntas conceptuales de primera ley de la termo

Pregunta 10. 21 Considere un trozo de metalcon temperatura de 10 oC . Si se le calienta el doble,Cul ser su temperatura? Por qu la respuesta noes 20 oC ?

Pregunta 10. 22 el caf caliente se suele enfri-ar con moviendo una cucharita en el lquido. Estemovimiento esta suministrando energa al caf. En-

tonces, Por qu no se calienta el caf cuando lo muevecon una cucharita?

Pregunta 10. 23 Cundo se comprime el aire,por qu se incrementa su temperatura?

Pregunta 10. 24 Por qu los motores Diesel nonecesitan bujas?

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icaParte III

Vibraciones y ondas

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icaCaptulo 11

Ondas y vibraciones

11.1. Preguntas Conceptuales

Pregunta 11. 1 Un reloj de pndulo que es ex-acto al nivel del mar, se adelantar o se retrasara sise coloca en lo alto de una montaa?

Pregunta 11. 2 Si un pndulo se acorta, qu lesucede a su periodo? Qu le sucede a su frecuencia?

Pregunta 11. 3 Ud. Hace oscilar un porta tra-jes vaci a su frecuencia natural. Si estuviera lleno delibros, seria menor, mayor o igual que antes su fre-cuencia normal?

Pregunta 11. 4 Es mayor o menor el tiempoque se requiere para el vaivn (el periodo) en un colum-pio de los que hay en los parques de recreacin cuandoun nio se pasea de pie en vez de sentado? Explique

Pregunta 11. 5 Por qu las personas bajas tien-den a mover ms rpidamente los pies que las personasaltas?

Pregunta 11. 6 Qu clase de movimiento debeimpartirse a la punta de una manguera de jardn paraque el chorro de agua resultante se aproxime a unacurva senoidal?

Pregunta 11. 7 Si se abre la llave del gas duranteunos cuantos segundos, alguien a unos dos metros dedistancia escuchara el gas que se escapa mucho antes

que olerlo. Qu indica sto sobre la forma en que sepropagan las ondas sonoras?

Pregunta 11. 8 si se duplica la frecuencia de unobjeto en vibracin, Qu le ocurre al periodo?

Pregunta 11. 9 Cul es la frecuencia de unminutero?

Pregunta 11. 10 Se deja caer una piedra en elagua y se dispersan ondas sobre la supercie lisa dellquido. Qu se hace la energa en estas ondas cuandose extinguen?

Pregunta 11. 11 Por qu se ve el relmpagoantes de que se escuche el trueno?

Pregunta 11. 12 Existe el efecto Doppler cuan-do el movimiento de la fuente es perpendicular al deloyente? Explique

Pregunta 11. 13 Cmo ayuda el efecto Dopplera la polica para detectar a los conductores rpidos?

Pregunta 11. 14 Seria ms ancho, mas angostoo permanecera constante el ngulo cnico de una on-da de choque en el caso de un avin supersnico msrpido?

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ica44 CAPTULO 11. ONDAS Y VIBRACIONES


Pregunta 11. 15 Si el extremo de una cuerda pe-sada se une al de una cuerda ligera, la velocidad de unaonda cambiara cuando pase de la cuerda pesada a laligera. La velocidad aumenta o disminuye? Qu lepasa a la frecuencia? Y a la longitud de onda?

Pregunta 11. 16 Si un resorte se corta a la mi-tad, qu le pasa a la constante del resorte?

Pregunta 11. 17 Un sistema objeto-resorte ex-perimenta movimiento armnico simple con una am-plitud A cambia la energa total si la masa se duplicapero la amplitud no cambia? Las energa cintica y po-tencial en un punto dado de su movimiento, resultan

afectadas por el cambio de masa? Explique sus conclu-siones.

Pregunta 11. 18 La rapidez del sonido en el aire,es de 343 m/s, es una rapidez enorme en comparacincon la rapidez de los objetos comunes. Sin embargo, larapidez del sonido es del mismo orden de magnitud quela rapidez rms de las molculas de aire a una atmsferay 20 oC, dada por la teora cintica de los gases. Esesto solo una coincidencia sorprendente? Explique surespuesta.

Pregunta 11. 19 Si un sistema masa-resorte sesuspende verticalmente y se pone a oscilar Por qu sedetiene nalmente el movimiento?

11.3. Posicin, velocidad y aceleracin como funciones del tiempo

Pregunta 11. 20 El movimiento de un objeto es-t descrito por la ecuacin

x = (0,30m) cos(t/3)

Encuentre (a) la posicin del objeto en t = 0s y t =0,60s, (b) la amplitud de movimiento, (c) la frecuenciadel movimiento, y (d) el periodo del movimiento

11.4. Movimiento de un pndulo

Pregunta 11. 21 Un hombre entra en una eleva-da torre, con el deseo de saber su altura. Observa queun pndulo largo se extiende desde el techo hasta elpiso y que su periodo es de 15.5 s (a) Cunto mide latorre? (b) Si el pndulo es llevado a la Luna, donde laaceleracin en cada libre es de 1.67 m/s2, cul es elperiodo ah?a)

T = 2L

gt despejando la longitud

L = gT 2

42

L = gT 2

42

L = 59,6m

b) Entonces, el perido en la Luna

T = 2L

gt con los datos tenemos

T = 37,5s

Pregunta 11. 22 Un pndulo de segundos esaquel que se mueve en su posicin de equilibrio unavez por segundo (el periodo del pndulo es de 2.000 s).La longitud de un pndulo de segundos es de 0.9927 men Tokio y 0.9942 m en Cambridge, Inglaterra. Cul esla razn entre las aceleraciones en cada libre en estosdos lugares?

Pregunta 11. 23 Una onda viajera en la direc-cin x positiva tiene una frecuencia de 25.0 Hz, comose ve en la gura ??. Encuentre la (a) amplitud, (b)longitud de onda, (c) el periodo y (d) rapidez de laonda.

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ica11.6. LA NATURALEZA DE LAS ONDAS 45

Pregunta 11. 24 Un murcilago puede detectarpequeos objetos, un insecto por ejemplo, cuyo tamaoes aproximadamente igual a una longitud de ondadel sonido que emite el murcilago. Si los murcilagosemiten un chirrido una frecuencia de 105Hz y la rapi-dez del sonido en el aire es de 340 m/s, cul el insectoms pequeo que puede detectar un murcilago?

Pregunta 11. 25 Si la frecuencia de oscilacin deuna onda emitida por una estacin de radio FM es de88.0 MHz, determine (a) el periodo de vibracion de laonda y (b) su longitud de onda. (Las ondas de radioviajan a la rapidez de la luz, 3,00x108m/s).

Pregunta 11. 26 Un piano emite ondas sonorascon frecuencias que varan de 25 Hz a 4 200 Hz. En-cuentre la gama de longitudes de onda que abarca esteinstrumento. La rapidez del sonido en el aire es deaproximadamente 343 m/s

Pregunta 11. 27 Una onda armnica se desplazaa lo largo de una cuerda. Se observa que el osciladorque genera las ondas completa 40.0 vibraciones en 30.0s. Tambin, una cresta particular viaja 425 cm a lolargo de una cuerda en 10.0 s. Cul es la longitud deonda?

11.5. La rapidez de ondas en cuerdas

Pregunta 11. 28 Una cuerda de telfono mide4.00 m de largo. La cuerda tiene una masa de .200kg. Un pulso transversal de onda se produce al pulsarun extremo de la cuerda tensa. El pulso hace cuatroviajes de ida y vuelta a lo largo de la cuerda en 0.800s Cul es la tensin de la cuerda?

Pregunta 11. 29 Un cirquero estira un trapecioentre dos torres. Luego golpea un extremo de la cuerday enva una onda a lo largo de ella hacia la otra torre.Observa que la onda tarda 0.800 s para llegar a la torre

opuesta, situada a 20.0m, de distancia. Si un tramode 1.0 m de la cuerda tiene una masa de 0.350 kg,encuentre la tensionen la cuerda oja.

Pregunta 11. 30 Se mantiene tensin en unacuerda, como se ve en la gura. La rapidez observa-da de la onda es de 24 m/s cuando la masa suspendidaes de 3.0 kg. (a) ?Cul es la masa por longitud de lacuerda? (b) ?Cal es la rapidez de la onda cuando lamasa suspendida es de 2.0 kg?

11.6. La naturaleza de las ondas

Pregunta 11. 31 La luz es una onda electro-magntica que viaja en el vaco con una velocidad de3,00x106 m/s. El ojo humano es ms sensible a la luzamarillo-verdosa, a la longitud de onda de 5,45x107m. Cul es la frecuencia de esta luz?

Pregunta 11. 32 Una onda longitudinal con unafrecuencia de 3.0 Hz le toma 1.7 s. viajar 2.5 m de unresorte de juguete. Determine la longitud de onda.

Pregunta 11. 33 Considere los vagones de untren. Suponga que 15 vagones pasan en 12.0 s y ca-da uno tiene una longitud de 14.0 m a) Cul es lafrecuencia a la que cada vagn pasa? b) Cul es lavelocidad del tren?

Pregunta 11. 34 un esquiador se mueve a8.4 m/s en la misma direccin que las ondas en un lago.Cada ves que pasa por una cresta, l siente un salto.

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ica46 CAPTULO 11. ONDAS Y VIBRACIONES

La frecuencia de los saltos es de 1.2 Hz y las crestasestn separadas por 5.8 m Cul es la velocidad de laonda?

Pregunta 11. 35 La velocidad de una onda

trasversal en una cuerda es de 450 m/s y la longitudde onda es de 0.18 m . La amplitud de la onda es de2.0 mm. Cunto tiempo requiere una partcula de laperturbacin para moverse una distancia total de 1.0km?

11.7. Soluciones sobre Efecto Doppler

Pregunta 11. 36 Estas manejando tu bicicletaalejndote de una fuente estacionaria de sonido y es-cucha una frecuencia 1.0% menor que la frecuencia dela fuente. La velocidad del sonido es de 343 m/s. Cules tu velocidad?

Pregunta 11. 37 La alarma de un estacionamien-to se enciende y emite sonido con una frecuencia de960 Hz . La velocidad del sonido es de 343 m/s. con-duciendo atraviesas el estacionamiento y observas quela frecuencia cambia por 98 Hz. A qu velocidad estasconduciendo?

Pregunta 11. 38 Suponga que te detienes por la

seal del semforo y una ambulancia se acerca detrsde ti. La ambulancia tiene una velocidad de 18 m/s.La sirena de la ambulancia produce un sonido con unafrecuencia de 955 Hz. La velocidad del sonido en el airees de 343 m/s. Cul es la longitud de onda del sonidoque alcanza tus odos?

Pregunta 11. 39 Una muchacha salta encuerda bungee. Ella se deja caer desde un punte y gri-ta con una frecuencia de 589 Hz. La temperatura delaire es 20 oC. Cul es la frecuencia que escuchan laspersonas en el suelo cuando ella cae a una distancia de11.0 m de altura respecto al nivel del puente? Asumaque la chica se encuentra en cada libre.

11.8. Ejercicios de efecto Doppler

Pregunta 11. 40 Dos trenes en vas sepa-radas se aproximan uno al otro. El tren 1 tiene unavelocidad de 130 km/h y, el tren 2, de 90.0 km/h . Eltren 2 hace sonar su silbato, emitiendo una frecuen-cia de 500 Hz Cul es la frecuencia escuchada por elmaquinista del tren 1?

Pregunta 11. 41 Un murcilago que vuelaa 5.0 m/s emite un chirrido de 40 kHz . Si este pulso esreejado por una pared, cul es la frecuencia del ecorecibido por el murcilago?

Pregunta 11. 42 Un estudiante de fsica estade pie junto a las vas cuando un tren pasa lentamentepor ah. El observa que la frecuencia del silbato del trenes de 442 Hz cuando el tren se aproxima y de 441 cuan-

do se aleja de l . A partir de esta observacin, l puedecalcular la rapidez del tren. Qu valor encuentra?

Pregunta 11. 43 Un matrimonio se emo-ciona al escuchar, mediante un detector de movimien-to ultrasnico, el latir del corazn de su beb que to-dava esta en el vientre de la madre. Suponga que lapared ventricular del feto se mueve con movimientoarmnico simple con amplitud de 1.80 m y una fre-cuencia de 115 por minuto. (a) Encuentre la rapidezlineal mxima de la pared del corazn. Suponga queel detector de movimiento en contacto con el abdomende la madre produce sonido a exactamente 2 MHz ,que atraviesa el tejido a 1.50 km/s (b) encuentre lafrecuencia mxima a la que llega el sonido a la pareddel corazn del beb. (c) Calcule la mxima frecuenciaa la que el sonido reejado es recibido por el detec-tor de movimiento. (Al .escuchar electrnicamente.ecoscon una frecuencia diferente de la frecuencia emitida,el detector de movimiento produce pitidos audibles ensincronizacin con los latidos del corazon del feto)

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ica11.9. ONDAS ESTACIONARIAS EN COLUMNAS DE AIRE 47

Pregunta 11. 44 Un diapasn que vibra a512 Hz cae desde el reposo y acelera a 9.80 m/s2. Aque distancia esta el diapasn, desde el punto en quecae, cuando a ese punto llega ondas de 485 Hz de fre-cuencia? Tome la rapidez del sonido en el aire como de340 m/s

Pregunta 11. 45 Un avin supersnico que vuelaa Mach 3 a una altitud de 20 000 m est directamentesobre el pinto en el tiempo t = 0 , como se ve en la

gura (a) Cunto tiempo transcurre antes de que elobservador en tierra encuentre la onda de choque? (b)Dnde estar el avin cuando nalmente sea escucha-do? (Suponga que el valor promedio de 330 m/s parala rapidez del sonido en el aire).

Pregunta 11. 46 Un avin Concorde vuela aMach 1.5, lo cual signica que la rapidez del avin es1.5 veces la rapidez del sonido en el aire. Cul es elngulo entre la direccin de propagacin de la onda dechoque y la direccin de la velocidad del avin?

11.9. Ondas estacionarias en columnas de aire

Pregunta 11. 47 La trquea de una grullablanca comn mide 5.0 pies de largo. Cul es la msbaja frecuencia resonante de est trquea si se suponeque es un tubo cerrado en un extremo? Suponga quela temperatura es de 37o

Pregunta 11. 48 El canal auditivo del odo hu-mano mide 2.8 cm de largo. Si se considera como untubo abierto en un extremo y cerrado en el tmpano,cul es la frecuencia fundamental donde la audibilidades ms sensible? (Tome la rapidez del sonido como 240m/s)

11.10. Pulsaciones

Pregunta 11. 49 Dos cuerdas idnticas

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