NATURALEZA

Explicador: cómo el efecto Doppler da forma a las ondas en movimiento

La próxima vez que escuche un tren silbando acercándose, o una ambulancia conduciendo con su sirena a todo volumen, escuche con atención. Oirás que el tono sube a medida que se acerca a ti y luego baja cuando pasa. Esto se debe al efecto Doppler, que describe cómo las ondas, como las ondas de sonido, cambian cuando su fuente se mueve en relación con un observador.

Todas las ondas se pueden describir por su longitud. Es decir, qué tan lejos está desde la parte superior de una ola hasta la parte superior de la siguiente. Para las ondas de sonido, la longitud de onda se relaciona con el tono. Las ondas de sonido largas tienen un tono bajo. Las longitudes de onda más cortas tienen tonos más altos. (La parte de una onda que causa el volumen es su amplitud, o qué tan alta es la onda. Esta característica de una onda no se ve afectada por el efecto Doppler).

Cuando una fuente de ondas no se mueve, sus ondas se expanden hacia afuera en un patrón circular regular. Las longitudes de onda de esas ondas son las mismas en todas las direcciones. Pero cuando una fuente de ondas se mueve, su velocidad afecta esas longitudes de onda. Las ondas frente a la fuente se suavizan. Las ondas detrás de la fuente se estiran.

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El mismo efecto se ve cuando un observador se acerca o se aleja de una fuente de onda que está parada. Moverse hacia la fuente de onda hará que sus ondas parezcan suavizadas. Alejarse de la fuente hará que las ondas parezcan estiradas. Este cambio en la longitud de onda aparente debido al movimiento de la fuente o del observador es el efecto Doppler.

Para imaginar cómo funciona esto, imagina que un tren hace sonar su campana mientras espera en una estación. Mientras tanto, estás parado en la plataforma. En este caso, el tono de la campana no parece cambiar. Si el tren comienza a moverse muy lentamente, no notará mucha diferencia en el sonido de la campana. Pero si estás parado en un cruce de trenes cuando el tren se acerca a toda velocidad, escucharás algo muy diferente. El tono de la campana subirá más y más hasta el momento en que pase. Entonces, de repente, su tono caerá.

Ilustración del efecto doppler.  Esto describe el cambio en la frecuencia de una onda para un observador que se mueve en relación con su fuente.  La ilustración utiliza el sonido de un coche de policía como ejemplo.  En comparación con la frecuencia detrás del automóvil (izquierda), la frecuencia delante de él es más alta.  Esto es porque las ondas sonoras de delante se comprimen mientras que las de atrás se estiran.
Las ondas de sonido de un coche de policía en movimiento se comprimen a medida que el coche se mueve hacia el oyente. Escuchamos estas ondas más cortas como un tono más alto. Cuando el automóvil se aleja, las ondas de sonido se estiran, creando un sonido de tono más bajo. Mark Garlick/Biblioteca de fotografías científicas/Getty Images Plus

Lo mismo ocurre si el tren está parado pero tú estás en movimiento. Si un tren inmóvil está haciendo sonar su campana pero usted está montando un tren que está a punto de pasar, escuchará el mismo aumento de tono a medida que se acerca a la campana, seguido de una caída de tono a medida que pasa.

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La influencia del efecto Doppler en las ondas de sonido es algo divertido de notar. También es útil. Las máquinas de imágenes por ultrasonido aprovechan este efecto para ver el interior de los vasos sanguíneos. Las máquinas envían ondas de sonido inofensivas (mucho más altas en frecuencia de lo que podemos escuchar) al cuerpo. Esas ondas se reflejan en la sangre y rebotan en la máquina. Si la sangre se aleja de la máquina, esas ondas reflejadas aparecen estiradas. Si la sangre se mueve hacia la máquina, aparecen arrugadas. Esto ayuda a los médicos a ver en qué dirección se mueve la sangre o dónde podría detenerse debido a una obstrucción.

Desplazamiento al rojo, desplazamiento al azul

Las ondas de luz son diferentes de las ondas de sonido, pero el efecto Doppler también las afecta. La luz de una fuente que viene hacia usted parecerá tener longitudes de onda más cortas. Esto cambia el tono de la fuente hacia el extremo más azul del espectro de luz. Las ondas de luz emitidas por una fuente que se aleja de usted se alargarán. Esto expande esas ondas hacia el extremo más rojo del espectro.

La imagen del telescopio espacial Hubble muestra el centro giratorio de una galaxia.
Esta imagen del telescopio espacial Hubble corta el centro de una galaxia. El rojo muestra que un lado se aleja de nosotros y el azul muestra que el otro lado se acerca a nosotros. Esto significa que el centro de la galaxia está girando. Los científicos ahora saben que un agujero negro provoca la rotación. Gary Bower, Richard Green (NOAO), el equipo de definición de instrumentos STIS y la NASA

Los astrónomos usan el efecto Doppler para determinar si una estrella o galaxia se está acercando o alejando de nosotros. Según el cambio en el tono de la luz de ese objeto, los astrónomos pueden incluso calcular qué tan rápido se mueve en relación con la Tierra. Y, cuando un lado de un objeto se mueve hacia nosotros y el otro lado se aleja, los astrónomos pueden concluir que en realidad está girando. (Piense en un carrusel. Si está parado, esperando su turno para montar, verá que los caballos del carrusel de un lado parecen venir hacia usted mientras que los caballos del otro lado parecen alejarse).

Esta capacidad de detectar la rotación también es muy útil para el pronóstico del tiempo. Los meteorólogos usan radares para rastrear tormentas. Esto implica enviar ondas de radio a la tormenta. Esas ondas de radio rebotan en el vapor de agua en el aire y regresan al dispositivo. Las ondas reflejadas por el vapor de agua que se aleja del dispositivo aparecen estiradas. Las ondas reflejadas por el vapor que se mueve hacia el dispositivo aparecen aplastadas. Estos datos permiten a los científicos mapear los movimientos dentro de las tormentas. Cuando ven una tormenta que está girando, pueden emitir advertencias de tornados.

De manera similar, los satélites meteorológicos pueden observar huracanes y usar el efecto Doppler en mediciones de radar para calcular la velocidad del viento dentro del ciclón. Cuanto antes sean las advertencias de estas tormentas potencialmente peligrosas, mayor será la posibilidad de que las personas puedan encontrar refugio de manera segura.

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