PROPIEDADES DE LAS ONDAS - Efecto Doppler

 

El efecto Doppler  consiste en una variación de la frecuencia y la longitud de onda recibidas respecto de la frecuencia y la longitud de onda emitidas, que es causada por el movimiento relativo entre el foco emisor de las ondas y el receptor. Fue propuesto por Cristian Doppler (1803-1853) en 1842 en un trabajo llamado "Sobre el color de la luz en estrellas binarias y otros astros". Fizeau descubrió independientemente el mismo fenómeno en 1848 (en Francia se conoce como efecto Doppler-Fizeau).

 

 

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Para ayudar a entender el efecto Doppler hemos diseñado una animación Modellus interactiva en la que un foco puntual emite ondas circulares de una determinada frecuencia y longitud de onda. La aplicación permite modificar la velocidad del foco y la longitud de onda emitida, comprobando el efecto que tiene sobre las ondas recibidas.

Mientras el foco emisor permanece en reposo, los frentes de onda son concéntricos alrededor de él y tienen la misma separación en todas las direcciones. En cualquier lugar, la longitud de onda y la frecuencia recibidas son iguales a las emitidas. No se produce efecto Doppler. Sin embargo, cuando el foco se desplaza va emitiendo los frentes de onda sucesivos desde diferentes posiciones. Como la velocidad de propagación de la onda es independiente de ese movimiento del foco, los frentes de onda dejan de ser concéntricos: se aprietan en el sentido hacia donde avanza el foco y se separan en el sentido desde donde se aleja dicho foco. En consecuencia, la longitud de onda recibida es mayor en las zonas que ven alejarse al emisor y es menor en las zonas que lo ven acercarse. Lo contrario le ocurre a la frecuencia.

 

Con la cubeta de ondas se puede observar fácilmente el efecto Doppler. En el clip de video adjunto, filmado en el laboratorio, una estudiante utiliza la punta fina de un destornillador para generar sucesivos pulsos de onda con el foco alejándose de la cámara. Se observa perfectamente como los frentes de onda que viajan delante del foco alejándose de la cámara están más próximos entre sí (la longitud de onda ahí es menor) y los que viajan detrás del foco y en sentido contrario a él (se acercan hacia la cámara) están más separados entre ellos (la longitud de onda es mayor)

 

 

Lógicamente el efecto Doppler aumenta al incrementarse la velocidad de propagación del foco aumenta (puedes consultar en el documento vinculado la ley que calcula este incremento). Si dicha velocidad supera a la propia velocidad de propagación de la onda por el medio, los frentes de onda se agolpan en la dirección hacia la que avanza el foco, adquiriendo un perfil especial. Se dice en este caso que se produce una onda de choque, porque el foco emisor "rompe" una barrera que forman en el medio los frentes de onda que él mismo emite. Así lo hace, por ejemplo, la proa afilada de un barco cuando avanza a una velocidad suficiente y atraviesa las olas que el propio barco genera o un avión cuando avanza por el aire a una velocidad mayor que la del sonido. Oímos entonces una detonación producida cuando el avión atraviesa los frentes de onda.

 

 

En 1845, el científico holandés Buys-Ballot (1817-1890) estudió el efecto Doppler en el sonido. Utilizó trompetistas montados en trenes en marcha para comprobar que el tono de un sonido emitido por una fuente que se aproxima al observador es más agudo que si la fuente se aleja. Este hecho se experimenta cotidianamente cuando escuchamos el sonido emitido desde un coche por una bocina o por una sirena. El conductor, dentro del coche, escucha ese sonido con normalidad, porque su situación es de reposo relativo respecto del foco emisor. En cambio, desde la calle se percibe el sonido con un tono más agudo que el emitido (es decir, con mayor frecuencia y menor longitud de onda) mientras vemos al vehículo acercarse, y con un tono más grave que el emitido (menor frecuencia) mientras vemos al vehículo alejarse. Tal como muestra la aplicación adjunta, si el vehículo se aproxima hacia donde estamos y luego se aleja oímos un cambio de tonalidad peculiar en el sonido que llega procedente de la bocina o la sirena.

 

Entre las muchas aplicaciones del efecto Doppler mencionamos el papel destacado que jugó en la formulación en 1929 de la teoría del big bang y la expansión del Universo. La luz procedente otras galaxias que se recibe en observatorios astronómicos llega con una frecuencia menor (longitud de onda mayor) que la de emisión (se dice que está desplazada hacia el rojo). El astrónomo estadounidense  Hubble (1889-1953) planteó en 1929 que este hecho debía deberse al efecto Doppler y lo interpretó como una evidencia de que dichas galaxias se están alejando de nosotros. Aplicando la ley del efecto Doppler comprobó que la velocidad de alejamiento de las galaxias es mayor cuanto más distantes estén de nosotros, lo que resulta coherente con la concepción de un Universo en expansión.

 
 

Dos años antes Lamaitre (1894-1966), astrofísico belga,  había llegado a la misma conclusión, basándose en la solución dinámica de las ecuaciones de Einstein que había obtenido el físico, astrónomo y matemático holandes Willem de Sitter (1872-1924) y en los datos astronómicos de Slipher (1875-1969) y del propio Hubble.

 

"El astrónomo Hubble, libre de toda sospecha" (artículo de prensa sobre las aportaciones de Lamaitre y Hubble acerca de la expansión del Universo) (16-11-2011)

 
 
 
 
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Departamento de Física y Química del IES "Leonardo Da Vinci"