EFECTO DOPPLER



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¿Qué es el Efecto Doppler?

 El efecto Doppler es el cambio aparente de frecuencia de una onda producido por el movimiento relativo de la fuente que la produce en relación a su observador.

efecto doppler
 Frecuencia = veces que una cosa se repite por cada segundo. Por ejemplo, si golpeamos con un palo en un charco y producimos una onda en el agua, y el golpe lo hacemos 10 veces cada segundo, resulta que estamos generando ondas en el agua con una frecuencia de 10 ondas por segundo. La unidad más utilizada es el Hertzio (1Hz = 1 repetición por segundo).

 El sonido es una onda que se transmite por el aire. En la figura de arriba el observador de la derecha escucha la onda de la sirena de la ambulancia (fuente) que se mueve hacia el con mayor frecuencia de la que realmente se produce. Al contrario el observador de la izquierda, que la ambulancia se aleja de el, recibe la onda sonora con menor frecuencia de la que se crea en la sirena. Después veremos con un ejemplo para la explicación de este fenómeno o efecto.

 Debido a que el efecto Doppler depende de las cosas que se mueven, generalmente se puede usar para determinar el movimiento o la velocidad de un objeto.

 Pero veamos con un ejemplo del efecto doppler para entenderlo mucho mejor.

Un Hormiga en un Charco

 Supongamos que hay una hormiga o cualquier otro bicho con patas en el centro de un charco de agua.

 La hormiga mueve sus patas en el centro del charco y produce unas perturbaciones que viajan a través del agua. Estas perturbaciones son ondas en el agua, por lo que a partir de ahora las llamaremos ondas.

 Recuerda: el número de ondas generadas por las patas de la hormiga cada segundo es la frecuencia de producción de esas ondas.

 Si estas ondas se originan en el punto central del charco, entonces viajarán hacia afuera desde ese punto y en todas las direcciones. Como cada onda producida por las patas de la hormiga viaja en el mismo medio (el agua), todas las ondas viajarían en todas las direcciones y a la misma velocidad.

 El patrón producido por el temblor o movimiento de las patas de la hormiga produce una serie de círculos concéntricos u ondas como se muestra en el diagrama siguiente.

 Estos círculos u ondas llegarían a los bordes del charco de agua con la misma frecuencia, es decir llegarán el mismo número de círculos u ondas cada segundo al borde del charco.

 Como la distancia desde la fuente de las ondas (hormiga) al punto A y al punto B es la misma, entonces, un observador en el punto A (el borde izquierdo del charco) observaría las ondas golpeando el borde del charco a la misma frecuencia que un observador las observaría en el punto B (en el borde derecho del charco). De hecho, la frecuencia a la que las ondas alcanzan el borde del charco (veces que llega una onda cada segundo al borde) sería la misma que la frecuencia a la que se producen las ondas por las patas de la hormiga. Si la hormiga produce ondas a una frecuencia de 2 ondas por cada segundo, cada observador, el A y el B, las observará llegando al borde a una frecuencia de 2 ondas por segundo.

 Ahora supongamos que nuestra hormiga se mueve hacia la derecha acercándose al observador B a través del charco de agua y en su movimiento produce ondas a la misma frecuencia que antes, 2 ondas por segundo. Como la hormiga se mueve hacia la derecha, cada onda generada se originará cada vez en una posición más cercana al observador B y más lejana del observador A. Fíjate en la siguiente imagen.

efecto doppler ondas de charco

 Cada vez que la hormiga genera una onda en su movimiento hacia B, la onda que genera cada vez tiene que recorrer menos distancia para llegar al observador B y, por lo tanto, tarda menos tiempo en llegar al punto B.

 Esto produce que el observador B observa que la frecuencia de llegada de las ondas es mayor que la frecuencia a la que se producen realmente las ondas por las patas de la hormiga. Para el observador B la frecuencia de las ondas es mayor que la frecuencia a la que realmente se generan.

 Por otro lado, cada onda consecutiva generada por la hormiga tiene que recorrer cada vez una distancia mayor para viajar desde donde se produce (la hormiga) hasta llegar al observador A. Por esta razón, el observador A observa una frecuencia de llegada de las ondas menor que la frecuencia a la que se producen las ondas. Para el observador A la frecuencia de las ondas es menor que la frecuencia a la que realmente se producen.

efecto doppler animacion

 El Efecto Total producido por el movimiento de la hormiga, la fuente de las ondas, es que el observador hacia el cual se acerca la fuente de las ondas (la hormiga) observa la llegada de las ondas a el con una frecuencia mayor de la que se generan; y el observador del que se aleja la fuente de las ondas observa una llegada a el de las ondas con una frecuencia menor de la que realmente produce la fuente. Este efecto se conoce como Efecto Doppler.

 El Efecto Doppler produce que la frecuencia emitida por una fuente en movimiento es diferente a la percibida por un observador fijo. También se produce si el observador se mueve respecto a una fuente de ondas fija.

 Volvemos a repetirte el significado del efecto doppler y espero que después del ejemplo de la hormiga en el charco lo entiendas perfectamente.

 "El efecto Doppler es el cambio aparente de frecuencia de una onda producido por el movimiento relativo de la fuente que la produce en relación a su observador."

 Ya sabemos que muchas cosas en física son realmente movimientos ondulatorios, por ejemplo el sonido, las ondas de la luz, las del agua, etc. En todo este tipo de movimientos y fenómenos se produce el efecto doppler. Veamos algunos ejemplos.

Efecto Doppler Sonido

 Probablemente en el sonido es donde más estamos acostumbrados a percibir el efecto doppler.

 La onda de sonido es una perturbación vibratoria en un medio (por ejemplo el aire) que transporta energía de un punto a otro sin que haya un contacto directo entre los dos puntos. Se observa que el tono del sonido es más alto cuando nos acercamos a una fuente fija de sonido, y si nos alejamos de la fuente del sonido, el tono se vuelve más bajo. Este cambio en el tono (frecuencia) de una onda debido al movimiento de la fuente u observador es debida al efecto Doppler.

 Tal vez recuerdes alguna vez en el que un coche de policía o una ambulancia viajaba hacia ti por la carretera. El tono de la sirena va cambiando según el vehículo se acerca a ti, y una vez que te sobrepasa sigue cambiando según se aleja de ti. Fíjate en la primera imagen de esta página.

 Cuando el automóvil se acercó a ti, el tono del sonido de la sirena (una medida de la frecuencia de la sirena) era agudo; y luego, de repente, después de que el automóvil te sobrepasara, el tono de la sirena sonó mucho más grave. Ese cambio que escuchaste en la frecuencia del sonido de la sirena con el movimiento de la ambulancia fue el efecto Doppler: un cambio aparente en la frecuencia de una onda de sonido producida por una fuente en movimiento, la ambulancia o el coche de policía.

 Efecto Doppler para el Sonido: Cuando una fuente de sonido está fija, sin movimiento, el sonido que escuchamos es el mismo que se emite desde la fuente de sonido. Sin embargo, cuando la fuente de sonido comienza a moverse, el sonido percibido cambia debido al efecto doppler.

Eco Doppler

 Si te paras en una sala vacía y dices algo, después de un rato escucharemos nuestra propia voz reflejada. Escucharemos nuestro propio sonido en forma de eco.

 Cuando el sonido se repite debido a la reflexión de las ondas de sonido, se llama eco.

 Las superficies suaves absorben el sonido, por lo tanto, para que se produzca el eco y las ondas sonoras de nuestra voz no sean absorbidas por la pared sobre la que chocan, necesitamos que la pared sobre la que chocan sea una superficie dura, por ejemplo de ladrillo o la piedra de un acantilado.

 Además, tiene que haber un intervalo de tiempo de 0,1 segundo o más para que un oído humano pueda escuchar dos sonidos por separado. Por lo tanto podemos oír el sonido original y el sonido reflejado (eco) sólo si hay un intervalo de tiempo de al menos 0,1 segundo entre ellos.

eco doppler

 Para que esto ocurra, nuestra distancia de la superficie que refleja el sonido debe ser de 17,2 metros para poder escuchar el eco en el aire y a una temperatura de 20 grados.

 Esta distancia cambiará a medida que cambie la temperatura del aire. Por lo tanto, el eco se oirá mejor en un día caluroso en comparación con un día frío.

 La distancia mínima para escuchar un eco en el agua debe ser de 75 metros.

El Efecto Doppler en Astronomía

 Recuerda: La luz es una onda electromagnética y las estrellas, como el Sol, emiten luz. El efecto doppler se produce en las ondas, como por ejemplo en las ondas de la luz.

 El efecto Doppler es de gran interés para los astrónomos y la astronomía, ya que utilizan la información sobre el cambio en la frecuencia de las ondas electromagnéticas de la luz producidas por las estrellas en su movimiento por nuestra galaxia y más allá con el fin de obtener información sobre las estrellas y sus galaxias.

 La creencia de que el universo se está expandiendo constantemente se basa en parte en observaciones de las ondas electromagnéticas emitidas por las estrellas en las galaxias.

 Además, la información específica sobre las estrellas dentro de las galaxias se puede determinar mediante la aplicación del efecto Doppler.

 Por ejemplo, si una estrella se aleja de la tierra sus ondas electromagnéticas tendrían cada vez menor frecuencia para nosotros y al contrario ocurriría si se estuviera alejando de la tierra. Como ya vimos esto ocurre por el efecto doppler.

efecto doppler astronomia

 El efecto Doppler se usa para determinar la dirección y la velocidad a la que una estrella, planeta o galaxia se mueve en comparación con la Tierra. Al medir el cambio en el color de las ondas electromagnéticas, llamado desplazamiento al rojo o desplazamiento del azul, un astrónomo puede determinar la velocidad radial de los cuerpos celestes.

 Pero... ¿Por qué el color se dice que sufre un desplazamiento al rojo o al azul? Expliquemos todo esto mucho mejor.

Efecto Doppler y el Color

 Los colores de la luz dependen de la longitud de onda de la onda luminosa y a su vez la longitud de onda depende de la frecuencia de la onda. En cualquier onda, la longitud de la onda y su frecuencia son inversa, si una aumenta la otra disminuye y viceversa.

 Fíjate en el espectro del color de la luz del Sol (una estrella) en función de su longitud de onda y su frecuencia.

espectro de la luz solar

 Según vemos una onda luminosa que tenga una frecuencia de 700 THz (tera hertzios) se verá de color violeta. Una onda de una longitud de onda de 400 nanómetros también se vera violeta.

 La longitud de onda es inversa a la frecuencia de la onda, por lo tanto el efecto doppler respecto a su longitud de onda es al contrario que respecto a su frecuencia.

 Cuando una fuente emisora de una onda se acerca a un observador, el observador recibe la onda con mayor frecuencia, pero con menor longitud de onda. Al contrario ocurre si la fuente se aleja del observador.

 Cuando un objeto, por ejemplo una estrella, emite luz, es decir una onda electromagnética con una determinada longitud de onda, esta longitud de onda se verá afectada por el efecto doppler y por lo tanto podemos ver la onda de un color diferente dependiendo si el observador de la luz está más alejado o mas cercano a la fuente de esa luz (o la estrella está más alejada o más cercana a nosotros).

 Para las ondas de luz, la frecuencia o la longitud de onda determina el color que vemos. Las frecuencias más altas de luz se encuentran en el extremo azul del espectro visible; las frecuencias más bajas aparecen en el extremo rojo de este espectro. Fíjate en espectro de luz visible de la imagen de más abajo.

 Espectro de Luz Visible = Rango de colores que puede percibir el ojo humano en función de su frecuencia o longitud de onda. Para saber más: Espectro de Luz Visible.

espectro de luz visible

 Si las estrellas y las galaxias se alejan de nosotros, la frecuencia aparente de la luz que emiten disminuye y su color se moverá hacia el extremo rojo del espectro. Esto se conoce como desplazamiento al rojo.

 Una estrella que viaja hacia nosotros (se acerca) aparecerá desplazada al azul (frecuencia más alta). Este fenómeno fue lo que llevó a Christian Doppler a documentar su efecto, y finalmente permitió que Edwin Hubble en 1929 propusiera que el universo se estaba expandiendo cuando observó que todas las galaxias parecían estar desplazadas al rojo, es decir, alejándose de nosotros y de los demás.

Otras Aplicaciones del Efecto Doppler

 El efecto Doppler tiene muchas otras aplicaciones interesantes más allá de los efectos de sonido y la astronomía.

 Un radar Doppler utiliza ondas del tipo microondas lanzadas y reflejadas sobre un objeto en movimiento para determinar su velocidad. Lo hace enviando ondas con una frecuencia particular y luego analizando la onda reflejada y sus cambios de frecuencia. Se usa en los detectores de velocidad de la policía, que son unidades de radar Doppler esencialmente pequeñas.

 Doppler se aplica en la observación del clima para caracterizar el movimiento de las nubes y los patrones climáticos, y tiene otras aplicaciones en aviación y radiología.

 Las imágenes médicas también utilizan el efecto Doppler. La ecografía Doppler utiliza ondas sonoras de alta frecuencia y nos permite medir la velocidad y la dirección del flujo sanguíneo para proporcionar información sobre coágulos sanguíneos, arterias bloqueadas y la función cardíaca en adultos y fetos en desarrollo.

 Nuestra comprensión del efecto Doppler nos ha permitido aprender más sobre el universo del que formamos parte, medir el mundo que nos rodea y mirar dentro de nuestros propios cuerpos. El desarrollo futuro de este conocimiento, incluida la forma de revertir el efecto Doppler, podría llevar a que la tecnología del futuro no solo se lea en las novelas de ciencia ficción, como por ejemplo las llamadas capas de invisibilidad.
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