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PAUL A. TIPLER GENE MOSCA

VOLUME 1 Mecânica, Oscilações e Ondas, Termodinâmica

Sexta Edição

SEXTA EDIÇÃO

FÍSICA PARA CIENTISTAS E ENGENHEIROS Volume 1

Mecânica Oscilações e Ondas Termodinâmica

Paul A. Tipler Gene Mosca

Tradução e Revisão Técnica

Paulo Machado Mors Professor do Instituto de Física da Universidade Federal do Rio Grande do Sul

Sumário Geral

VOLUME 1

1

PARTE 1

2

3 4

5 6 7 8 9

10 R

Medida e Vetores

MECÂNICA

Movimento em Uma Dimensão Movimento em Duas e Três Dimensões Leis de Newton Aplicações Adicionais das Leis de Newton Trabalho e Energia Cinética Conservação da Energia Conservação da Quantidade de Movimento Linear

Rotação Quantidade de Movimento Angu lar Relatividade Especia l

11 Gravitação 12 Equilíbrio Estático e Elasticidade 13 Fluidos

PARTE li OSCILAÇÕES E ONDAS

14 Oscilações 15 Ondas Progressivas 16 Superposição e Ondas Estacionárias

PARTE Ili TERMODIN.ÂMICA

17 Temperatura e Teoria Cinética dos Gases 18 Calor e a Primeira Lei da Termodinâmica 19 A Segunda Lei da Termodinâmica 20 Propriedades Térmicas e Processos Térmicos

APÊNDICES A Unidades SI e Fatores de Conversão B Dados Numéricos C Tabela Periód ica dos Elementos

Tutorial Matemático

Respostas dos Problemas Ímpares de Finais de Capítulo

lndice

~,, L T C

vi Sumjrlo Ott•I

VOLUME 2

PARTE IV ELETRICIDADE E MAGNETISMO

21 22 23

O Campo Elétrico 1: Distribuições Discretas de Cargas O Campo Elétrico li: Distribuições Continuas de Cargas Potencial Elétrico

24 Capacitância 25 Corrente Elétrica e Circuitos de Corrente Continua 26 O Campo Magnético 27 Fontes de Campo Magnético 28 Indução Magnética 29 Circuitos de Corrente Alternada 30 Equações de Maxwell e Ondas Eletromagnéticas

PA RTE V LUZ

31 Propriedades de Luz 32 Imagens Ópticas 33 Interferência e Difração

A P~ NDI CES

A Unidades SI e Fatores de Conversão B Dados Numéricos C Tabela Periódica dos Elementos

Tutorial M atemát ico Respostas d os Problemas Imperes de Finais de Ca pitu lo lndice

VOLUME 3

PARTE VI FfSICA MODERN A : M ECÂNICA QUÂNTICA. RELATIVIDADE E EST RUTURA DA MAT ÉRIA

34 Dualidade Onda-Partícula e Física Quãntica 35 Aplicações da Equação de Schrõdinger 36 Átomos 37 Moléculas 38 Sólidos 39 Relatividade 40 Física Nuclear 41 Partículas Elementares e a Origem do Universo

AP~ N DICES

A Unidades SI e Fatores de Conversão B Dados Numéricos C Tabela Periódica dos Elementos

Tutoria l M atemático Re spostas d os Problemas Impe res d e Fineis de Capitulo Índice

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Sumário

Prefácio Sobre os Autores

Capitu lo 1

MEDIDA E VETORES 1

XI

xíx GPS: Calculando Veto res Enquanto Você se M ov e 8 1

Resumo Problemas

82 83

1-1 1-2 1-3 1·4 1·5

A Natureza da Física Unidades

2 Cap ítulo 4

3 LEIS OE NEWTON 93 Conversão de Unidades 5 Dimensões de Quantidades Físicas 6 Algarismos Significativos e Ordem de Grandeza 7

1-6 1-7

Vetores 12 Propriedades Gerais dos Vetores 13

Flslca em Foco O Segundo Bissexto de 2006 20

PARTE 1

Capítulo 2

Resumo Problemas

MECÂNICA

MOVIMENTO EM UMA DIMENSÃO

2· 1 Deslocamento, Velocidade e Rapidez

2·2 Aceleração 2·3 Movimento com Aceleração

Constante 2-4 Integração

Capitulo 3

Física em Foco Aceleradores Lineares 60

Resumo Problemas

MOVIMENTO EM DUAS E TR~S DIMENSÕES 63

3-1 Deslocamento. Velocidade e Aceleração

3-2 Caso Especial 1: Movimento de Projéteis

3.3 Caso Especial 2: Movimento Circular

Física em Foco

2 7

21

22

28 35

37 46

51

52

63

71

78

4-1

4·2 4-3 4-4 4.5

4-6

4.7

4-8

Capítulo 5

Primeira Lei de Newton: A Lei da Inércia Força e Massa Segunda Lei de Newton A Força da Gravidade: Peso Forças de Contato: Sólidos. Molas e Fios Resolvendo Problemas: Diagramas

93 94 96 99

100

de Corpo Livre 103 Terceira Lei de Newton 108 Resolvendo Problemas: Problemas com Dois ou Mais Objetos 110

Física em Foco M onta nhas·russas e a N ecessidad e de Velocidade 1 1 3

Resumo Problemas

114 115

APLICAÇÕES ADICIONAIS DAS LEIS DE NEWTON 125

5-1

5-2 5-3

*5-4

5-5

Capítulo 6

At<ito Forças de Arraste Movimento em Trajetória Curva

Integração Numérica: Método de Euler O Centro de Massa

Física em Foco

Reconstituição de A cidentes -M edidas e Forças 1 54

126 136 138

143 145

Resumo 155 Problemas 156

TRABALHO E ENERGIA CINÉTICA 169

6-1 Trabalho Realizado por Força Constante 169

viii S um dr 1 o

6-2

6-3

6-4

•s-5

Trabalho Realizado por Força Variável -Movimento Unidimensional 174 O Produto Escalar 177 O Teorema do Trabalho-Energia Cinêtica - Trajetórias Curvas 183 Trabalho no Centro de Massa 185

Física em f ,oco Capitulo 10

Fisica em Foco U ltr"acentrifugas 307


Trabalho na Correia Transportadora de Bagagem

QUANTIDADE DE M OVIMENTO 188 A N GULAR 3 2 1

Capitu lo 7

Resumo

Problemas

C ONSERVAÇÃO DA EN ERGIA

7-1 Energia Potencial 7-2 A Conservação da Energia

Mecânica

7-3 A Conservação da Energia 7-4 Massa e Energia 7.5 Quantizaçào da Energia

Fisica em Foco

Vento Ouen-te 226

197

189 190

197

204 213 221 224


10-1 10-2

10·3

" 10-4

Capítu lo R

A Natureza Vetorial da Rotação Torque e Quantidade de Movimento Angular Conservação da Quantidade de Movimento Angular Quantização da Quantidade de Movimento Angular

Fisica em Foco O Mundo Girando: Ouen"tidsde de Movimento Angular Atmosférica 343

322

324

330

340


RELATIVIDADE ESPECIA L 353

Capítulo 12

EQUILIBRIO ESTÁTICO E ELASTICIDADE 405

12-1 Condições da Equillbrio 12-2 O Centro de Gravidade 12-3 Alguns Exemplos de Equillbrio

Estático 12-4 Equilíbrio Estático em um Referencial

405 406

407

Acelerado 414 12-5 Estabilidade do Equillbrio Rotacional 415 12-6 Problemas Indeterminados 416

12-7 Tensão e Deformação 417

Ffsica em Foco N anotubos de Carbono: Pequenos e Fortes 420

Resumo Problemas

Capitulo 13

FLUIDOS 431

13-1 13-2 13-3

13·4

Massa Específica Pressão em um Fluido Empuxo e Princípio de Arquimedes Fluidos em Movimento

Fisica em Foco Aerodinãmica Au1:omotiva: V iajando com o Vento 455

421 422

432 433

439 446


PARTE li OSCILAÇÕES E ONDAS

Capítulo 14

OSCILAÇÕES 465

14-1 Movimento Harmônico Simples 14·2 Energia no Movimento Harmônico

Simples 14-3 Alguns Sistemas Oscilantes 14·4 Oscilações Amortecidas 14-5 Oscilações Forçadas e Ressonância

Capftulo 15

Físic,a em Foco

No Compasso da Marcha: A Ponte do Milênio 491

Resumo

Problemas

ONDAS PROGRESSIVAS 501

15-1 Movimento Ondulatório Simples

465

472 475 483 487

492 493

502

Sumário ix

15-2 Ondas Periódicas 15·3 Ondas em Três Dimensões 15-4 Ondas Incidindo sobre Barreires 15·5 O Efeito Doppler

Física em Foco Tudo Tremeu: Bacias Sedimentares e Ressonância Sísmica 529

Resumo Problemas

Capítulo 16

SUPERPOSIÇÃO E ONDAS ESTACIONARIAS 539

16-1 16-2

*16·3

PARTE Ili

Capitulo 17

Superposição de Ondas Ondas Estacionárias Tópicos Adicionais

Física em Foco

Ecos do Silêncio: Arquitetura Acústica 560

Resumo Problemas

TERMODINÂMICA

TEMPERATURA E TEORIA CINÉTICA DOS GASES 571

17·1 Equílibrlo Térmico e Temperatura 17·2 Termômetros de Gás e a Escala

Absoluta de Temperatura 17-3 A Lei dos Gases Ideais 17-4 A Teoria Cinética dos Gases

Capitulo 18

Física em Foco Termõmotros Molecufares 592

Resumo Problemas

CALOR E A PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA 599

18-1 Capacidade Térmica e Calor Específico

18-2 Mudança de Fase e Calor Latente 18-3 O Experimento de Joule e a Primeira

Lei da Termodinâmica 18-4 A Energia Interna de um Gás Ideal 18-5 Trabalho e o Diagrama PV para

um Gás 18-6 Capacidades Térmicas dos Gases

509 514 518 523

530 532

540 547 556

561 562

571

574

577 582

593 594

600 603

606 608

609 613

X Sumário

18-7

18-8

18·9

Capítulo 19

Capacidades Térmicas dos Sólidos

Falha do Teorema da Eqüipanição A Compressão Adiabática Quase-estática de um Gás

Física em Foco R espiro m et:tia: R espiran do o Calor 626

Resumo

Problemas

A SEGU NDA LEI DA TERMODINÂMICA 635

19-1

19-2

19·3 *19-4

19·5

19-6

19·7

Máquinas Térmicas e a Segunda Lei da Termodinâmica Refrigeradores e a Segunda Lei da Termodinâmica

A Máquina de Carnot Bombas Térmicas Irreversibilidade, Desordem e Entropia Entropia e a Disponibilidade de Energia Entropia e Probabilidade

Física em Foco A Pe r pétua Batalha sobre o Movimento Perp é tu o 660

Resumo

Problemas

618 Capítulo 20

619 PROPRIEDADES TÉRMICAS E PROCESSOS TÉRMICOS 669

622

627

629

20-1 20-2

20·3 20-4

Expansão Térmica

A Equação de van der Waals e lsotermas Líquido-Vapor Diagramas de Fase

A Transferência de Calor

Física em foco Ilhas U rb anas de Calo r: N oites Que ntes na Cidade 688

670

674

676 677


636 Apêndice A

UNIDADES SI E FATORES DE 640 CONVERSÃO 695 643 649 Apênd ice B

DADOS NUMÉRICOS 697 650

Apêndice c 657 TABELA PERIÓDICA DOS 658 ELEMENTOS 701

661

TUTORIAL MATEMÁTICO 703

RESPOSTAS DOS PROBLEMAS (MPARES DE FINAIS DE CAPÍTULO 733

662 (NDICE 755

Sobre os Autores

Paul lipler nasceu na pequena cidade rural de Antigo, no WLSCOnsin, em 1933. Ele condLúu o ensino médio em Oshkosh. Wisconsin, onde seu pai era supedntcndcnte das escolas púbLicas. Graduou-se pela Purdue Univcrsity em 1955 e doutorou-se pela University of lUinoiscm 1962, onde estudou a estrutura dos núcleos. Lecionou por um a110 na \l\'esleyan Uni\'ersity en1 Connecticut, enquanto escre\ria sua tese,~

depois mudou-se para a Oakland Univcrsity em Michigan, onde foi unt dos membros fundadores do departamento de física, desempenhando papel unportante no desenvolvimento do currículo de física. Ao longo dos 20 anos seguintes, lecionou praticamente todos os cursos de física e escreveu a primeira e segunda eclições de seus largan1ente utilizados Livros-texto Ffsic11 Moderun (1969, 1978) e Física (1976, l.982}. Em 1982 ele se mudou paxa Berkeley, na Califón1ia, onde reside a t'1almente, e onde escreveu Física Uuivcrsitárin (1987) e a terceira edição de Física (1991). Além da físi· ca, seus i11tcresscs incluem música, c:xa1rsões e acampamentos, e ele é um excelente pianista de í•zz e jogador de pôquer.

Gene Mosca nasceu na Cidade de Nova York e c:resccu cm Shcller lsland, estado de Nova York. Ele estudou na Villanova University, na Oniversity of Michigan e na Univexsity of Vermont, onde doutorou-se em física. Gene aposentou-se recentemente de 51.1as funções docentes na U.S. Naval Academy, onde, como coordenador do conteúdo do curso de física, institc1iu inún1e:ras melhocias tanto em sala de .:iuln quanto no labora16rio. Co1\Siderado por Paul 1ipler como "o meU1or revisor que eu )ó tive", Mosca tomou-se seu co-aulor a partir da quinta edição desta Qbra.

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Mecânica Oscilações e Ondas Termodinâmica

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