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El efecto Doppler, también conocido como desplazamiento Doppler, es un fenómeno que ocurre en cualquier tipo de onda, tanto en ondas electromagnéticas, por ejemplo la luz, coma en ondas mecánicas, por ejemplo el sonido, cuando existe movimiento relativo entre la fuente emisora de las ondas y el observador o receptor.

El fenómeno fue descrito por primera vez en 1842 por el físico austriaco Christian Doppler, y consiste en un cambio aparente en la frecuencia y longitud de onda provocada por el movimiento relativo entre emisor y receptor. Si el emisor se acerca al receptor, la longitud de onda aparentemente disminuye y la frecuencia aumenta. Si el emisor y el receptor se alejan, la longitud de onda aparentemente aumenta y la frecuencia disminuye. Todo ello sin que la longitud de onda y frecuencia emitidas sufra cambio alguno durante el desplazamiento de la fuente emisora.

Efecto Doppler en el sonido

En la vida cotidiana y según la capacidad de percepción humana, el efecto Doppler lo podemos experimentar fácilmente en algunos tipos de ondas mecánicas. Por ejemplo, en el sonido. Uno de los ejemplos más típicos son las sirenas de una ambulancia.

Supongamos estamos parados en la acera de una calle y pasa una ambulancia que se desplaza a 100 km/h, un 8% de la velocidad del sonido (1235 km/h).

Cuando la ambulancia se acerca a nosotros, escuchamos el sonido cada vez más agudo debido al acortamiento de la longitud de la onda sonora. Pero es un acortamiento aparente. Cada onda emitida hacia delante de la ambulancia está más cerca de la onda anterior por el desplazamiento de la propia ambulancia en esa dirección.

Si la ambulancia se desplaza a una velocidad equivalente al 8% de la velocidad del sonido, la longitud de onda se verá reducida en un 8% si comparada con la longitud de onda real que emite la sirena. Sobre la frecuencia tiene el efecto contrario, se vería aumentada un 8%, y por eso oímos la sirena con tonos más agudos.

Una vez que la ambulancia pasa por delante de nosotros y se aleja, comenzamos a escuchar el sonido cada vez más grave debido al alargamiento relativo de la longitud de onda y la disminución de la frecuencia. Detrás de la ambulancia, cada onda emitida estaría un 8% más alejada de la anterior.

Efecto Doppler en la sirena de una ambulancia
El efecto Doppler hace que el sonido de una ambulancia en movimiento se oiga más agudo al frente y más grave detrás.

Si la ambulancia consiguiese desplazarse exactamente a la velocidad del sonido, no habría ondas de sonido por delante de ella. La propia ambulancia se desplazará junto al frente de ondas sonoras, ynla longitud de onda se vería compensada por lo recorrido por la propia ambulancia. No escucharíamos la ambulancia hasta que no estuviera justo delante de nosotros.

Si consiguiera desplazarse a velocidades supersónicas, el frente de ondas de sonoras quedaría incluso por detrás de la ambulancia, ya que las ondas serían más lentas que la ambulancia y serían adelantadas tan pronto fueran emitidas.

En la siguiente galería se puede observar una animación del efecto Doppler en ondas sonoras emitidas por un emisor estacionario y en desplazamientos a velocidades subsónicas, sónicas y supersónicas.

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En la luz

Para experimentar el efecto Doppler en la luz y otras ondas electromagnéticas es necesario velocidades de desplazamiento relativo entre emisor y observado muy superiores, ya que la velocidad de la luz es muy superior a la velocidad del sonido.

Los cambios en la longitud de onda de la luz son muy pequeños a las velocidades ordinarias que experimentamos los humanos. Incluso a las velocidades a la que se desplazan estrellas y galaxias, son necesarios dispositivos de alta sensibilidad para detectar el efecto Doppler en su luz.

Precisamente en astronomía, el efecto Doppler es el responsable del desplazamiento al rojo de la luz de estrellas y galaxias lejanas. Estas estrellas y galaxias se alejan a gran velocidad de nosotros y su luz nos llega desplazada hacia longitudes de onda más largas, es decir, hacia la zona del espectro electromagnético correspondiente al la luz roja.

El desplazamiento o corrimiento al rojo en la luz de estrellas y galaxias lejanas es una de las primeras pruebas observacionales de que el Universo actual está en expansión. Y no sólo eso, el desplazamiento al rojo observado en el Universo también indica que cuanto más lejos está una galaxia, más rápido se está alejando de nosotros, lo que concuerda con la teoría del Universo inflacionario.

En el caso del desplazamiento de ondas electromagnéticas en el vacío, el efecto Doppler solo es consecuencia del desplazamiento relativo entre fuente y observador. En el caso de ondas que necesitan obligatoriamente un medio para desplazarse, como es el caso de las ondas mecánicas que constituyen el sonido, las características y movimiento del medio también pueden afectar el efecto Doppler.

Fórmulas

Supongamos un observador en reposo y una fuente emisora de ondas con una frecuencia determinada f0. La velocidad de propagación de la onda es independiente del desplazamiento de la fuente, y la velocidad del observador es cero. Entonces, la frecuencia observada en un momento dado viene descrita por la siguiente fórmula:

Fórmula del efecto Doppler para un observador reposo y fuente en movimiento

Dónde:

  • f es la frecuencia observada y f0 la frecuencia real de la onda emitida por la fuente
  • c es la velocidad de propagación de la onda
  • vs es la velocidad de desplazamiento del emisor

Si el observador está en movimiento y la fuente en reposo, la fórmula anterior quedaría de la siguiente forma:

Fórmula del efecto Doppler para un emisor reposo y observador en movimiento

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Dónde vr sería la velocidad de desplazamiento del observador o receptor.

Ambos casos, así como el caso de fuente y receptor en movimiento, responderían a esta fórmula general:

Fórmula general del efecto Doppler

Aplicaciones e implicaciones del efecto Doppler

El efecto Doppler tiene importantes aplicaciones e implicaciones en diferentes ámbitos de la ciencia y la tecnología. Algunas de los más destacadas, por citar algunas, son los radares y sonars, el estudio del Universo, comunicación entre satélites o aplicaciones médicas.

En los radares y sonars, el efecto Doppler permite medir la velocidad de desplazamiento de objetos. Esta es la base, por ejemplo, de los radares de tráfico que controlan la velocidad de desplazamiento de los vehículos. El radar emite ondas de forma continua a una determinada frecuencia; el cambio en la frecuencia de las ondas reflejadas por los vehículos en movimiento es lo que permite calcular su velocidad gracias a su relación con efecto Doppler.

En astrofísica, el efecto Doppler sobre la luz emitida por estrellas y galaxias permite calcular numerosos datos sobre su distancia, movimiento y velocidad a la que se alejan o acercan del Sistema Solar. Estos datos en objetos lejanos han permitido también estimar la velocidad de expansión del Universo.

En el ámbito de la medicina, diversas técnicas de diagnóstico por imagen se basan en el efecto Doppler para sus cálculos y representación de una imagen del interior del cuerpo. Todas estas técnicas se catalogan como ultrasonografías Doppler. Entre ellas una de las más comunes son los ecocardiogramas.

Se dirigen ondas de ultrasonido hacia el corazón y se mide el eco recibido. Tras descontar el efecto Doppler, está técnica permite medir de forma bastante precisa la velocidad de flujo de la sangre entre los diferentes compartimentos cardíacos y el funcionamiento de sus válvulas. Los monitores fetales Doppler detectan los latidos cardíacos de los fetos mediante una técnica similar.

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