El efecto Doppler. Su descubrimiento, explicación y aplicaciones

El efecto Doppler

SU DESCUBRIMIENTO, EXPLICACIÓN Y APLICACIONES

Héctor Domínguez Álvarez*

commons.wikimedia.org Es muy probable que alguna vez hayas escuchado que la sirena de una ambulancia en movimiento rápido, cambia de tono cuando se acerca o se aleja del punto fijo donde estás. Sin embargo, el tono de la sirena no cambia para quien va en el interior de la ambulancia. Este cambio aparente en el tono que percibe el observador, se da por el movimiento relativo entre la fuente que emite el sonido −la sirena de la ambulancia, en nuestro ejemplo−, y el receptor del mismo; en otras palabras, uno se mueve con respecto al otro. Este fenómeno fue estudiado y explicado hacia 1842, por el matemático, físico y astrónomo austriaco Christian Doppler, de ahí que se le conozca como efecto Doppler. Él nunca sospechó la importancia y el alcance de este fenómeno, que actualmente es una herramienta poderosa en el campo de la astronomía, tiene aplicación en la medicina para medir el flujo de la sangre y también se utiliza en avenidas y carreteras para detectar los vehículos que circulan con exceso de velocidad.

vivimos inmersos en un mundo lleno de sonidos: fuertes, débiles, agradables, desagradables, agudos, graves, etcétera. El sonido es una onda que viaja a través de un medio de transmisión que puede ser gaseoso como el aire, líquido como el agua o sólido como una puerta de madera. Si no hay medio de transmisión, no existe el sonido: el espacio exterior es totalmente silencioso.

Como toda onda, el sonido posee una frecuencia que corresponde al número de ciclos que pasan cada segundo por un punto determinado. Esto hace que la unidad para medir la frecuencia de las ondas sonoras sea ciclos por se-

* Divulgador adscrito a la Dirección General de Divulgación de la Ciencia de la UNAM.

gundo, mismo que se abrevia ciclos/seg. A esta unidad también se le llama hertz. Los sonidos o tonos agudos –como el de una flauta piccolo– poseen una frecuencia alta, mientras que los tonos graves –como el de una tuba– tienen una frecuencia baja. No se debe olvidar que el oído humano tiene una capacidad limitada de detección de sonidos, de 20 a 20 000 ciclos por segundo. Existen animales cuya capacidad auditiva detecta sonidos por debajo de los 20 ciclos por segundo (infrasonido) –como el elefante–, o por arriba de los 20 000 ciclos por segundo (ultrasonido) –como el murciélago y el delfín.

Todos hemos oído desde un punto fijo, el cambio aparente en el tono o frecuencia del sonido que emite un claxon o la sirena de una ambulancia que se desplaza rápidamente, acercándose, pasando enfrente y alejándose de nosotros. Es necesario que el tono del claxon o la sirena no cambie con el tiempo, que sea constante. Si no te has dado cuenta de este fenómeno, te invitamos a que la próxima vez que escuches la sirena de una ambulancia, lo compruebes.

Hacia 1842, el físico, matemático y astrónomo austriaco Christian Doppler (1803-1853) explicó que el cambio aparente de tono o frecuencia se da cuando la fuente que emite el sonido, se mueve acercándose o alejándose de un observador en una posición fija. No obstante, ese tono o frecuencia es constante si se escucha junto a la fuente emisora. La explicación de ello es la siguiente:

Cuando la fuente se aproxima, las ondas sonoras se van acercando o aglutinando entre sí, por lo que la frecuencia del sonido que escucha el observador aumenta, y esto hace que el sonido sea más agudo. En contraste, cuando la fuente sonora se aleja, las ondas sonoras se separan entre sí, por lo que la frecuencia del sonido que llega al observador disminuye, haciéndolo más grave. Cuando la fuente pasa por enfrente del observador, el sonido se escucha como si la fuente sonora estuviera en reposo. Es importante hacer notar que este efecto también se produce si el observador está en movimiento y la fuente de sonido en reposo: lo que importa es el movimiento relativo entre las dos partes.

Acercándose Alejándose

commons.wikimedia.org En 1845, el meteorólogo y fisicoquímico neerlandés C. H. D. Buys Ballot (1817-1890) realizó un ingenioso experimento que confirmó la explicación dada por Doppler. Utilizó un tren para transportar a trompetistas profesionales que tocaron una sola nota en forma constante, mientras que otro conjunto de músicos con muy buen oído fueron dispuestos en un punto fijo al lado de las vías a fin de escuchar los cambios aparentes en el tono que producían los trompetistas. Buys Ballot corroboró que el sonido detectado se agudizaba al acercarse el tren, mientras que se hacía más grave al alejarse, con lo que comprobó el efecto Doppler. Fotografía del científico, meteorólogo y almirante neer- Una forma sencilla de explicar landés Christophorus Henricus Diedericus Buys Ballot este fenómeno es imaginarnos que desde un tren que se mueve a velocidad constante, una persona auxiliada con un dispositivo de cierta potencia, lanza pelotas a un ritmo o frecuencia constante, digamos una pelota cada tres segundos, hacia un observador que se mantiene en una posición fija. Cuando el tren se aproxima al observador, las pelotas tardan poco menos de 3 segundos en llegar al puesto de observación ya que al acercarse a éste, la distancia recorrida por las pelotas es menor. Esto hace que conforme se acerca el tren, la frecuencia de las pelotas medida desde el punto de observación sea cada vez menor a los 3 segundos. Por lo tanto, al receptor le parecerá más rápido el ritmo de lanzamiento.

Del mismo modo, cuando el tren se aleja, las pelotas tardan cada vez un poco más en llegar al observador, ya que deben recorrer una distancia mayor, con lo que la frecuencia de llegada que mide el receptor es mayor a 3 segundos, es decir que el ritmo es cada vez más lento. Si se pudiera cuantificar el cambio decadencia o ritmo en el lanzamiento de las pelotas, el observador podría calcular la rapidez del tren en el que se encuentra el lanzador. Por cierto, este principio es empleado por los radares, para medir la velocidad de los vehículos que transitan en avenidas o carreteras.

Actividad

Objetivo: Experimentar el efecto Doppler en el sonido.

Material:

• Un reloj eléctrico ruidoso (entre más ruidoso, mejor) • Una bolsa chica de tela • Una cuerda (de 1.5 a 2 metros de largo)

Procedimiento:

Se amarra bien la cuerda a las asas de la bolsa de tela. Luego se introduce el reloj en la bolsa, con la alarma encendida.

Se sostiene con una mano el extremo libre de la cuerda y se pone a girar la bolsa por arriba de la cabeza, describiendo una circunferencia horizontal. Mientras una persona le da vueltas a la bolsa de modo vigoroso, otra se sitúa aproximadamente a dos metros de la primera a fin de escuchar el cambio de tono, o sea, el efecto Doppler, cuando el reloj se acerca o se aleja de ella.

Enseguida, intercambian posiciones, de tal forma que quien le daba vueltas al reloj, pueda ahora percibir el efecto Doppler.

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2 metros

Asimismo, Doppler planteó la posibiliChristian Johann Doppler dad de aplicar este efecto a la luz proveniente de una estrella, considerando que la

Nació en 1803 en el seno de una familia luz también es una onda. El físico francés humilde en la ciudad de Salzburgo, Aus- Armand Fizeau (1819-1896) sostuvo que tria. Asistió a la Universidad de Viena a el efecto Doppler es válido en el desplafin de estudiar matemáticas, filosofía y zamiento de todo tipo de ondas en moviastronomía. Cuando terminó sus estu- miento, desde luego, incluyendo la luz. dios, no pudo encontrar trabajo como Respecto a la aplicación del efecto profesor universitario y tuvo que trabajar Doppler en la astronomía, conviene recomo contador. Surgió la posibilidad de cordar que la espectrografía permite cobuscar un trabajo académico en Estados nocer los elementos básicos que constitu-

Unidos y cuando estaba listo para viajar a yen una estrella. La huella de la estrella se este país, una escuela en Praga le ofreció forma con las líneas de emisión y absoruna cátedra como profesor de matemáti- ción que se identifican sobre el espectro cas, misma que aceptó. Años más tarde, luminoso de la luz de la estrella en estudio. abandonó Praga para incorporarse a la Estas líneas corresponden a los elementos

Universidad de Viena, donde ocupó, en presentes en ella. 1850, la dirección del Instituto de Física. Al aplicar ese efecto al firmamento, es En 1842 presentó una posible saber si una estrella se mantiene ponencia donde plan- estática con respecto a la Tierra. Cuando teaba el efecto que se analiza el espectro de la luz de esa esactualmente se deno- trella, se encuentra que las líneas de dicho commons. wikime d ia. org mina efecto Doppler. espectro permanecen en el mismo sitio. Pero si la estrella se aleja de la Tierra, las ondas luminosas observadas van disminuyendo su frecuencia (equivalente al tono grave) por lo que las líneas de su espectro luminoso se desplazan hacia el extremo rojo del espectro, que corresponde al extremo de menor frecuencia del espectro visible. Por el contrario, si la estrella se está acercando, la luz que se recibe se observa con una frecuencia mayor (equivalente al tono agudo), y las líneas del espectro luminoso se aproximan más al violeta, que es el extremo de mayor frecuencia de esta región. La aplicación del efecto Doppler a la astronomía constituye una poderosa herramienta en el estudio del universo. Este efecto también se aplica en la medicina para medir el flujo sanguíneo y determinar sus anomalías.