El efecto Doppler: definición, ejemplos y aplicaciones

¿Qué es el efecto Doppler?

¿Alguna vez has notado que los sonidos cambian de tono cuando pasan a tu lado? Digamos que estás sentado en un semáforo, ocupándote de tus propios asuntos, cuando de repente escuchas una ambulancia. La sirena suena con un tono agudo desde un kilómetro por la carretera. Ve el vehículo que se acerca y espera pacientemente mientras la ambulancia acelera a través de la intersección. Una vez que pasa, nota que la sirena suena diferente. Tiene un tono más bajo que antes. ¿Por qué cambió el sonido de la sirena?

Esta ocurrencia común ocurre debido a algo que llamamos efecto Doppler . Es posible que haya oído hablar de esto antes. El efecto Doppler explica cómo percibimos los cambios en el sonido cuando la fuente del sonido se mueve. Si bien la sirena de la ambulancia no cambia de tono en absoluto, percibimos que cambia a medida que el vehículo pasa junto a nosotros.

Sin embargo, el efecto Doppler no se trata solo de las sirenas de las ambulancias. Es un fenómeno importante que ocurre en todo tipo de ondas: ondas sonoras, ondas luminosas e incluso ondas de agua. Los científicos han utilizado el efecto Doppler para realizar descubrimientos asombrosos. Aprendamos un poco más sobre este fenómeno, para que veamos por qué es tan importante.

Frecuencia real frente a aparente

Ya sabemos que una onda es causada por la perturbación de un medio. Digamos que estás de pie al borde de un lago, cuando Nessie, el monstruo del lago Ness, asoma la cabeza en el centro. La cabeza de Nessie causa una perturbación que viaja hacia afuera como una onda circular. Se necesita un poco de tiempo para llegar a usted parado en el banco.

Pero, si el lago es perfectamente circular, entonces la ola alcanza el borde opuesto exactamente al mismo tiempo. Si Nessie sigue moviendo la cabeza hacia arriba y hacia abajo, crea más ondas circulares que se mueven hacia afuera desde su cabeza. Todas estas ondas llegan a las orillas a una cierta frecuencia: la misma frecuencia del movimiento de la cabeza de Nessie. Si mueve la cabeza dos veces por segundo, esa es la frecuencia de las olas que golpean las orillas.

Ahora, suponga que Nessie comienza a nadar hacia usted, todavía moviendo la cabeza dos veces por segundo. Las ondas circulares comienzan a verse muy diferentes. Debido a que Nessie viaja a cierta distancia entre cada cabeceo, cada ola sucesiva se origina en un lugar ligeramente diferente en el agua. Las olas se agrupan justo en frente de la cabeza de Nessie y se extienden detrás de ella.

Desde tu perspectiva, parece que Nessie debe estar moviendo la cabeza más rápido, porque las ondas que vienen hacia ti llegan a una frecuencia más alta. Incluso puede ver tres o cuatro ondas por segundo, en lugar de solo dos. Aunque la frecuencia real de la fuente de onda no ha cambiado, la frecuencia aparente es mayor.

Al hablar de cómo un observador percibe las ondas, tenemos que tener clara la diferencia entre las frecuencias reales y aparentes. La frecuencia real es exactamente lo que parece: es la verdadera frecuencia de una onda, independientemente de los factores externos. La posición de un observador no afecta la frecuencia real de una onda. Por otro lado, la frecuencia aparente es la frecuencia percibida por un observador externo. Puede que coincida o no con la frecuencia real. Antes de que Nessie comenzara a nadar a través del lago, la frecuencia aparente que observaba era de dos ondas por segundo, la misma que la frecuencia real. Una vez que Nessie comenzó a nadar, la frecuencia aparente cambió.

El aparente cambio de frecuencia hacia arriba o hacia abajo debido al movimiento de una fuente de onda se denomina efecto Doppler . Según el efecto Doppler, el observador percibe un cambio ascendente en la frecuencia cuando se acerca la fuente de onda. Cuando era el observador al que Nessie se acercaba, percibía un cambio ascendente en la frecuencia de las ondas. Por supuesto, si estuvieras parado en el borde opuesto del lago y Nessie nadaba lejos de ti, habrías observado que las olas eran menos frecuentes. El observador percibe un cambio de frecuencia hacia abajo cuando la fuente de onda se retira.

El efecto Doppler en ondas sonoras

Hemos visto cómo el efecto Doppler puede funcionar en ondas de agua. ¿Qué pasa con las ondas sonoras? ¿Qué hay de esa sirena de ambulancia de la que hablamos? Una ambulancia con una sirena suena emite un sonido con una cierta frecuencia, la misma frecuencia, todo el tiempo, ya sea que la ambulancia esté en movimiento o no. Digamos que la frecuencia del sonido es 440 Hz. Entonces, esa es la frecuencia real.

Ahora finge que estás sentado en ese semáforo y que la ambulancia avanza hacia ti a 50 millas por hora. Las ondas sonoras emitidas por la sirena del vehículo se agrupan frente a él, debido a su movimiento a través del espacio. Las compresiones de aire están más juntas. Entonces, cuando las ondas de sonido te golpean, percibes una frecuencia que es más alta que la frecuencia real, tal vez alrededor de 480 Hz. Esta es la frecuencia aparente.

Una vez que pasa la ambulancia, las ondas sonoras siguen llegando, pero ahora están más dispersas. Llegan a sus oídos con una frecuencia más baja que la de la sirena real, porque la ambulancia se está alejando de usted. Quizás escuche una frecuencia aparente de 400 Hz. En general, percibes que la ambulancia reduce el tono de su sirena en 80 Hz. Realmente te parece que quien esté tocando la sirena de repente cambió el tono del sonido. Pero realmente, la frecuencia real es la misma: justo en el medio a 440 Hz.

Si esta ambulancia pudiera viajar lo suficientemente rápido, podría hacer que las ondas de sonido se combinen entre sí justo en la parte delantera del vehículo. Para hacer esto, la ambulancia tendría que viajar a la velocidad del sonido, que es aproximadamente 330 metros por segundo. Algunos aviones pueden volar a la velocidad del sonido. Cuando lo hacen, sus ondas sonoras se agrupan completamente en el frente, produciendo lo que llamamos una onda de choque.

Una onda de choque es una perturbación muy abrupta en un medio. El avión crea la onda de choque haciendo que las ondas de sonido se fusionen. Dado que viaja a la velocidad del sonido, cada onda de sonido individual no tiene tiempo para apartarse antes de que llegue la siguiente. Las ondas se combinan una encima de la otra para crear una onda de choque gigante. Si pudieras escuchar esta onda, lo que escucharías se llama boom sónico .

Los estallidos sónicos son sonidos extremadamente fuertes causados ​​por la acumulación de ondas sonoras. Es más probable que escuche un boom sónico de un avión supersónico ; es decir, un avión que viaja más rápido que la velocidad del sonido. Si está parado en el suelo cuando este avión pasa junto a usted, será golpeado con el borde de un frente de onda que tiene forma de cono. Esta forma de cono es causada por las sucesivas esferas de ondas sonoras provenientes del avión. En el borde del cono, todas las compresiones se fusionan para producir un sonido gigante. Cuando esa zona de alta presión te golpea, lo experimentas como un boom sónico.

Ondas de luz y el universo en expansión

¿Puede el efecto Doppler funcionar también con ondas de luz? ¡Por supuesto! Las ondas de luz también tienen frecuencias, ¿no es así? La frecuencia aparente de una onda de luz puede cambiar según el movimiento de la fuente de luz o el movimiento del observador. Recuerde que las frecuencias de la luz visible van desde 430 terahercios, que vemos como rojo, hasta 790 terahercios, que vemos como violeta. Digamos que tenía una fuente de luz que estaba en algún lugar en el medio, como 600 terahercios. Parece amarillo verdoso. Y digamos que mi fuente de luz estaba encima de una nave extraterrestre.

Si estuviera parado en un campo, y mi nave espacial voló rápidamente hacia usted, puede percibir que la nave espacial tiene una luz azul verdosa. Eso es porque la frecuencia aparente de sus ondas de luz sería un poco más alta que la frecuencia real. Este fenómeno se conoce como cambio de azul , un aumento en la frecuencia aparente de una onda de luz debido a que la fuente de onda se acerca al observador. Lo opuesto a un cambio al azul es un cambio al rojo , que es una disminución en la frecuencia aparente de una onda de luz debido a que la fuente de onda se retira del observador.

Vería un cambio hacia el rojo con mi nave extraterrestre si la hiciera volar rápidamente lejos de usted. Las ondas de luz que se extienden detrás de la nave espacial en retirada disminuirían la frecuencia aparente. Probablemente lo vería irse con una luz naranja amarillenta.

No solemos experimentar cambios de rojo y azul en la vida cotidiana. Pero los astrónomos los observan todo el tiempo en las galaxias que nos rodean. Las galaxias que se mueven hacia la Tierra tienen una frecuencia aparente alta. Es decir, exhiben un cambio de azul. Las galaxias que se alejan de la Tierra muestran un corrimiento hacia el rojo. A principios de la década de 1900, Edwin Hubble y Vesto Slipher tuvieron la idea de que podían usar el efecto Doppler para rastrear el movimiento de las galaxias. Comenzaron a medir los cambios de rojo y azul de todas las galaxias que pudieron encontrar.

Cuando juntaron toda su información, vieron que la mayoría de las galaxias se alejaban de la Tierra. También descubrieron que cada galaxia separada se está alejando de todas las demás. En otras palabras, todo en nuestro universo se está alejando cada vez más. Este descubrimiento llevó a astrónomos y físicos a concluir que el universo se está expandiendo, un elemento clave que respalda la teoría moderna del Big Bang.

Resumen de la lección

De vuelta aquí en la Tierra, todavía podemos apreciar el efecto Doppler para explicar los fenómenos que observamos en ondas. Nos dice por qué la frecuencia aparente, que es percibida por un observador, no siempre es la misma que la frecuencia real. El efecto Doppler es el cambio aparente en la frecuencia de onda debido al movimiento de una fuente de onda. La frecuencia aparente se desplaza hacia arriba cuando la fuente de onda se acerca y hacia abajo cuando la fuente de onda se retira. El efecto Doppler explica por qué percibimos un cambio en el tono del sonido de una sirena que pasa.

También explica la presencia de ondas de choque y explosiones sónicas al observar un avión supersónico. Las ondas de luz también pueden exhibir los resultados del efecto Doppler. Un aparente cambio al azul se produce cuando se acerca una fuente de luz, y un aparente cambio al rojo se produce cuando se retira. Edwin Hubble y Vesto Slipher utilizaron los cambios al rojo y al azul de las galaxias circundantes para sacar conclusiones sobre nuestro universo. Gracias a sus descubrimientos, ahora nos adherimos a la visión moderna de que el universo se expande continuamente.

Los resultados del aprendizaje

Al concluir esta lección, podría:

• Describe el efecto Doppler
• Tenga en cuenta los contrastes entre la frecuencia real y la frecuencia aparente
• Discutir el cambio percibido en el tono cuando pasa una sirena.
• Comprender la presencia de ondas de choque y explosiones sónicas como resultado del efecto Doppler.
• Recuerde el hecho de que los científicos determinaron que el universo se está expandiendo usando cambios al rojo y al azul.

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Rodrigo Ricardo Editor y fundador