Efecto Doppler

Vamos a suponer que hay un insecto en el centro de un charco de agua circular. El insecto sacude sus patas periódicamente para producir disturbios que viajan a través del agua. Si estas perturbaciones se originan en un punto, entonces viajarían hacia afuera desde ese punto en todas las direcciones a la misma velocidad. El patrón producido por el temblor del insecto sería igual a una serie de círculos concéntricos, los cuales alcanzarían los bordes del charco de agua a la misma frecuencia. Una persona que observe el borde izquierdo del charco observaría las perturbaciones a la misma frecuencia que un observador observaría en el borde derecho del charco. Esto básicamente es el efecto Doppler.

Temas relacionados

Longitud de onda, propagación del sonido

¿Qué es el efecto Doppler?

El efecto Doppler es un fenómeno físico por medio del cual se da un aparente cambio en las frecuencias de las ondas que son presentados por una fuente de sonido con respecto al observador de la misma fuente que se encuentra en movimiento.

En qué consiste el efecto Doppler

Para poder comprender el significado del efecto Doppler debemos entender algunos principios básicos de física y sonido. En este aspecto es importante mencionar que el sonido es capaz de viajar de un lugar a otro por medio de ondas las cuales lo hacen a una velocidad bastante rápida. Esta velocidad varía dependiendo del medio por el cual viaje y tienen la capacidad de crecer o disminuirse cuando llegan al oído. El efecto Doppler, además de estar relacionado con el sonido, también está relacionado con otros tipos de ondas. Consiste entonces, en el cambio de frecuencia que tiene una onda que es producida por el movimiento relativo de la fuente que la produce con relación a su observador. Es un cambio en la frecuencia aparente que tienen una onda producida por el movimiento.

Historia

Christian Doppler, un físico y matemático de origen austriaco fue la persona que logró describir el fenómeno físico que hoy en día conocemos como efecto Doppler, el cual publicó en su artículo monográfico sobre los colores de la luz de las estrellas dobles. El científico Christoph Hendrik también investigó la hipótesis en el año 1845 para las ondas sonoras confirmando que el tono de un sonido que es emitido por una fuente que se aproxima al observador es más agudo que si la fuente se aleja. Hippolyte Fizeau realizó una serie de experimentos de forma independiente para estudiar las ondas electromagnéticas.

Tipos

Los tipos de efecto Doppler que existen son los siguientes:

• Un observador en movimiento: se da cuando una fuente de reposo emite ondas de frecuencia que se propagan en el aire de forma radial. Para lograr determinar la frecuencia que mide un observador que se acerca o se aleja de la fuente, se muestra que cuando el observador se aleja de ella, los frentes llegan a él con un intervalo más grande que con el que fueron emitidos, ya que cada frente necesita viajar una distancia extra para lograr alcanzar al observador, la que éste ha recorrido en el tiempo intermedio. Entonces, el observador mide una frecuencia menor cuando el observador se aleja, y una mayor cuando se acerca.
• Una fuente en movimiento: en este caso la fuente está en movimiento y el observador está en reposo. Los frentes de onda se emiten desde un punto que avanza, y se acumulan mientras se enrarecen por la parte trasera. El resultado que obtenemos es un observador fijo situado delante del emisor, que mide una frecuencia de recepción mayor a la que emite, mientras que uno situado por detrás mide una frecuencia menor.
• Los dos estén en movimiento: se da cuando la fuente y el receptor se encuentran en movimiento con respecto al medio, el efecto Doppler que resulta en este caso es una combinación de los dos anteriores. Para calcularlo se puede relacionar de forma directa lo que mide el emisor con lo que mide el receptor, en este caso, primero obtendríamos un efecto Doppler debido a una fuente móvil y un observador fijo, seguido de uno debido a una fuente fija y un observador móvil.

Cómo funciona

El efecto Doppler funciona como una variación de la frecuencia de una onda que es producida por un móvil con respecto a un receptor que se encuentra en un lugar estático o en movimiento. Funciona porque la fuente del sonido se encuentra en movimiento hasta que llega al lugar en donde se encuentra el receptor.

Fórmula

Para poder evaluar el efecto Doppler, existe una fórmula general que permite encontrar la frecuencia que percibirá el receptor u observador:

Donde :

• f _o = se refiere a la frecuencia que percibe el observador (también se usa como f _r o frecuencia de la señal recibida)
• f _f = es la frecuencia real que emite la fuente (también se usa como f _e o frecuencia de la señal emitida)
• v _s = velocidad del sonido (343 m/s)
• v _o = velocidad del observador (también se usa como v _r o velocidad del receptor)
• v _f = velocidad de la fuente (también se usa como v _e o velocidad del emisor)

Aplicaciones del efecto Doppler

Una de las aplicaciones más importantes del efecto Doppler es la del radar, un sistema electrónico que permite detectar objetos que no pueden ser observados a simple vista y ayuda a determinar la distancia a que se encuentran. El radar Doppler mide la velocidad de objetos como un coche o una pelota, por medio de una frecuencia constante. Otra de sus aplicaciones importantes es la ecocardiografía, para realizar estudios morfológicos y funcionales del corazón en individuos sanos o enfermos. Esto se logra porque esta técnica se basa en la emisión y recepción de ultrasonidos, la cual presenta considerables ventajas respecto a otros procedimientos diagnósticos.

También es utilizado en el área de la astrofísica permitiendo muchos e importantes avances en el área, como por ejemplo para determinar las diferentes estructuras de las galaxias y la presencia o ausencia de materia oscura, también se logra por medio del efecto Doppler estudiar los movimientos de las estrellas y de las galaxias.

Experimentos

Podríamos realizar el siguiente experimento para probar el efecto Doppler:

Un estudiante con un parlante conectado a un generador de señales corre hacia donde está un micrófono y luego se aleja. Mientras esto pasa, el sonido que es captado por el micrófono es grabado y analizado.

Materiales

• Generador de señales
• Parlante con un cable que sea lo suficientemente largo
• Micrófono
• Computador con Matlab y con la función EfectoDoppler

Descripción del experimento

Se conecta el parlante al generador de señales por medio del cable y se configura el generador de señales para que la frecuencia de salida sea de 1000 Hz y la amplitud es lo suficientemente alta para que todos puedan escuchar el sonido. El programa de computador genera una gráfica que resulta de las tres situaciones: estudiante en reposo, estudiante corriendo hacia el micrófono y estudiante alejándose de este.

Efecto Doppler relativista

En el área de la física conocemos como efecto Doppler relativista al cambio que se observa en la frecuencia de la luz que proviene de una fuente que se encuentra en movimiento relativo con respecto al observador. El efecto Doppler relativista es diferente al efecto Doppler de otro tipo de ondas porque la velocidad de la luz es constante para cualquier observador independientemente de su movimiento.

Importancia

El descubrimiento del efecto Doppler fue de suma importancia a principios del siglo XX pues logró demostrar que el universo se encuentra en constante expansión. Además, es utilizado en muchas aplicaciones diarias, y sobre todo, en el ámbito de la medicina en donde se han logrado realizar muchos adelantos en cuanto a diagnóstico y tratamiento.

Ejemplos del efecto Doppler

Algunos ejemplos del efecto Doppler son los siguientes:

Cuando suena la sirena de una ambulancia. Cada vez que el sonido se encuentra a mucha distancia y comienza a acercarse es sumamente agudo hasta que llega a nosotros.

Los radares del tipo Doppler que son usados por la Policía de tránsito para detectar la dirección y la velocidad a que se acerca o se aleja un vehículo, para determinar si está circulando correctamente o si comete una infracción. Esto se obtiene por medio de la emisión y recepción de una onda radioeléctrica.