Uno de los fenómenos físicos más divertidos es el Efecto Doppler. La distorsión de las ondas por el movimiento es utilizada en todo el mundo para jugar con los niños y su curiosidad. ¿Quién no ha imitado alguna vez una sirena que se acerca y/o aleja? Modificando la frecuencia entre los «ni-no» simulamos estas situaciones. Pero sabemos que en realidad la sirena es constante y no varía ni de frecuencia ni de intensidad según se mueve.
Las ondas, como ya explicamos en este artículo sobre ondas sonoras, son perturbaciones del medio que se propagan de forma lineal en todas las direcciones. Matemáticamente se definen con las ecuaciones de ondas. En relación al espacio y a la velocidad. Siendo la frecuencia la característica más importante.
y=Asen(kx+ωt+Ψ) v= dy/dt=-Aωcos(kx+ωt+Ψ)
Si a dichas ondas les aplicamos la relatividad y sus transformaciones (Transformaciones de Galileo), encontramos variaciones en la dependencia espacial. Y por lo tanto la frecuencia o periodo se distorsiona. Dicha distorsión hace que la forma de la onda se «aplaste» o «alargue» y por lo tanto variará el tono de la onda.
Este fenómeno fue definido en el ámbito de las ondas sonoras por el físico austriaco Christian Andreas Doppler en el año 1842 y por el francés Armand Hippolyte Louis Fizeau en 1848 en el de las ondas electromagnéticas. Dado que ambas definiciones se realizaron de forma independiente a este efecto se le denomina oficialmente Efecto Doppler-Fizeau.
La relación de frecuencias entre el foco y el observador queda entonces determinada por las velocidades relativas calculadas en los diferentes puntos. Dado que uno o los dos se encuentran en movimiento, estas velocidades ya no son la de la velocidad del sonido en el medio, sino que se encuentran transformadas. La ecuación del Efecto Doppler suele generalizarse como:
Los signos + o – se aplican en función de si el emisor y el receptor están alejándose o acercándose.
Por lo tanto, cuando un objeto se desplaza emitiendo ondas, parece querer alcanzar las que se encuentran en su frente, mientras que las que deja detrás se separan. Los perfiles de las ondas se estrechan mientras la amplitud permanece constante. El tono se agudiza, incrementando la sensación de estridencia en los elementos cercanos a los que golpean los frentes de onda seguidos, hasta que el objeto emisor pasa, dejándolos en una zona de frecuencias mayores y por lo tanto más graves.
Si el objeto emisor adquiere una velocidad de desplazamiento cercana a la del sonido en el medio, las ondas practicamente se quedan sin periodo (frecuencia casi infinita), y cuando se supera dicha velocidad, se «dejan atrás» generando un cono sonoro mientras que el emisor deja de percibir su propia onda. Esto es lo que pasa en los aviones cuando vuelan en Mach 1 y rompen la barrera del sonido con una explosión sónica al «juntar y sobrepasar» las ondas precedentes.
Este efecto puede aplicarse a todo tipo de ondas. Sonoras, electromagnéticas, a las fluctuaciones del agua en un estanque… En el caso particular de la luz, se produce una consecuencia adicional. El espectro se distorsiona debido a que las frecuencias de los colores sufren de forma diferente dicho efecto. Por lo que la luz adquiere tonalidades diferentes si el foco y el observador se alejan (rojo) o se acercan (azul). Este efecto causado por la aplicación del Efecto Doppler al espectro electromagnético se denomina corrimiento al rojo o corrimiento al azul y se utiliza en astronomía para calcular distancias entre objetos celestes (o la constante de Hubble).
Este fenómeno puede utilizarse para ecolocalizaciones. Midiendo la diferencia en la distorsión de una onda que ha rebotado en un objeto en movimiento, podemos conocer su movimiento. Este es el principio sobre el que se diseñaron los radares sónicos.
También puede aplicarse a otros medios como la sangre, en las que la Espectroscopía de Efecto Doppler mide la alteración de la propagación de ondas ultrasónicas producida por trombos u otras alteraciones en las venas.
Un juguete físico con muchas y sorprendentes aplicaciones este Efecto Doppler.
Referencias:
- Física. Tipler Mosca.
- Física. M. Alonso y E. J. Finn.
- https://www.fisicalab.com/apartado/efecto-doppler
- http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/ondas/doppler/doppler.html
- https://zococity.es/blogs/blog/te-explicamos-que-es-el-efecto-doppler-y-como-afecta-al-sonido
