EFECTO DOPPLER

El efecto Doppler es un fenómeno físico donde un aparente cambio de frecuencia de onda es presentado por una fuente de sonido con respecto a su observador cuando esa misma fuente se encuentra en movimiento. Este fenómeno lleva el nombre de su descubridor, Christian Andreas Doppler, un matemático y físico austriaco que presentó sus primeras teorías sobre el asunto en 1842.

La frecuencia de la fuente sonora no cambia, pero cuando la fuente se acerca hacia el observador de adelante, más ondas se acumulan entre ellos. La longitud de onda se acorta. Aunque la velocidad del sonido no cambia, la frecuencia del sonido detectado aumenta.

En cambio, cuando la fuente se aleja del detector (de la persona que está detrás), la longitud de onda aumenta y la frecuencia detectada es menor. El efecto Doppler también se presenta si la fuente se encuentra estacionaria, y el detector está en movimiento.

SU INVENTOR: CHRISTIAN ANDREAS DOPPLER

En junio de 1845 un meteorólogo de Utrech, Christoph H.D. Ballot, confirmó el principio de Doppler durante el trayecto en tren de Utrech a Ámsterdam. Doppler realizó un experimento poco después. Utilizó una locomotora para realizar sus observaciones. Colocó un grupo de músicos en un ferrocarril y les indicó que tocaran la misma nota musical mientras que otro grupo de músicos, en la estación del tren, registraba la nota musical que oían mientras el tren se acercaba y alejaba de ellos sucesivamente. Una idea engorrosa, pero brillante. Es curioso que el ejemplo clásico para ilustrar el efecto Doppler es el silbato de una locomotora en movimiento acercándose y luego alejándose de un observador inmóvil; él no tuvo en cuenta este hecho en su experimento.

APLICACIONES DEL EFECTO DOPPLER

El efecto Doppler posee muchas aplicaciones. Los detectores de radar lo utilizan para medir la rapidez de los automóviles y de las pelotas en varios deportes.
Los astrónomos utilizan el efecto Doppler de la luz de las galaxias distantes para medir su velocidad y deducir su distancia.
Los médicos usan fuentes de ultrasonido para detectar las palpitaciones del corazón de un feto; los murciélagos lo emplean para detectar y cazar a un insecto en pleno vuelo. Cuando el insecto se mueve más rápidamente que el murciélago, la frecuencia reflejada es menor, pero si el murciélago se está acercando al insecto, la frecuencia reflejada es mayor.

EFECTO DOPPLER PARA ONDAS SONORAS

CASO DE UN OBSERVADOR EN MOVIMIENTO:

Consideremos en primer lugar el caso de una fuente en reposo respecto al medio circundante (el aire). Esta fuente emite ondas de frecuencia f, o equivalentemente, emite frentes de onda espaciadas un periodo T = 1 / f. Estas ondas se propagan el el aire radialmente con velocidad c. La distancia entre crestas sucesivas, en el sistema de la fuente, será λ = cT.

CASO DE UNA FUENTE EN MOVIMIENTO:

Supongamos ahora el caso de una fuente en movimiento (a una velocidad v_s inferior a la del sonido, c) y un observador en reposo.

En este caso los frentes de onda se van emitiendo desde un punto que va avanzando, y por tanto se acumulan por la “proa”, mientras se enrarecen por la “popa”. El resultado es que un observador estacionario situado delante del emisor, mide una frecuencia de recepción mayor que la de emisión, mientras que uno situado por detrás mide una frecuencia menor.

CASO DE QUE LOS 2 ESTÉN EN MOVIMIENTO:

Cuando tanto la fuente como el receptor se encuentran en movimiento respecto al medio, el efecto Doppler resultante será una combinación de los dos anteriores.

Podemos realizar el cálculo de dos formas sencillas:

• Relacionando directamente lo que mide el emisor con lo que mide el receptor, o
• Empleando un observador intermedio ficticio en reposo respecto al aire. Este observador se limitaría a reemitir las señales que le llegan. En este caso, tendríamos en primer lugar un efecto Doppler debido a una fuente móvil y un observador fijo, seguido de uno debido a una fuente fija y un observador móvil.

EFECTO DOPPLER PARA LA RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA

El efecto Doppler también se aplica a la radiación electromagnética. Cuando una fuente emisora de ondas de luz o de radio se mueve respecto a un observador se produce una variación de la frecuencia medida. En el caso de la luz procedente de las galaxias, fue el descubrimiento del corrimiento hacia al rojo, lo que permitió averiguar la expansión del Universo.

El efecto Doppler para ondas de radio es la base del principio del funcionamiento de los radares, que permiten medir simultáneamente la posición y la velocidad de un vehículo que se mueve respecto a la torre de un aeropuerto.

No obstante, cuando se trata de ondas electromagnéticas, las expresiones dadas anteriormente dejan de ser correctas. La razón es que las fórmulas expuestas más arriba se deducen empleando las fórmulas clásicas de suma de velocidades, que son incorrectas para velocidades comparables a la de la luz (en particular, si una de las velocidades es justamente la de la luz). Para obtener la expresión correcta es preciso emplear la teoría de la relatividad. Esta teoría requiere que la velocidad de la onda (la luz) sea la misma para todos los observadores, y que las expresiones resultantes dependan solo de la velocidad relativa del observador respecto a la fuente y no de cada una por separado.

EFECTO DOPPLER Y REFLEXIÓN DE ONDAS

El efecto Doppler es el principio que usan los murciélagos para medir su propia velocidad o la de sus presas, así como la distancia a la que se encuentran de los obstáculos. También es la base de los radares tanto de carretera como en aeropuertos para medir la distancia y velocidad de vehículos en movimiento.

EFECTO DOPPLER RELATIVISTA

Es el cambio observado en la frecuencia de la luz procedente de una fuente en movimiento relativo con respecto al observador. El efecto Doppler relativista es distinto del efecto Doppler de otro tipo de ondas como el sonido debido a que la velocidad de la luz es constante para cualquier observador independientemente de su estado de movimiento. A su vez, requiere para su explicación el manejo de la teoría de la relatividad especial.

Demostración de la aberración de la luz y el efecto Doppler relativista.

El cambio en frecuencia observado cuando la fuente se aleja viene dado por la siguiente expresión:

Dónde:

 = frecuencia observada,

 = frecuencia emitida,

 = velocidad relativa, positiva cuando el emisor y el observador se alejan entre sí,

     = velocidad de la luz.

NOTAS MUSICALES

En el ámbito de la música, nota se refiere a un sonido determinado por una vibración cuya frecuencia fundamental es constante. Así pues, el término ''nota musical'' se emplea para hacer alusión a un sonido con una determinada frecuencia en sí.

¿De dónde salieron las notas musicales?

Los sonidos musicales son producidos por algunos procesos físicos, una cuerda vibrando, el aire en el interior de un instrumento de viento, etc.

La característica más fundamental de esos sonidos es su "altura" o cantidad de veces que vibra por segundo, lo que se llama frecuencia.

Cuanto más oscilaciones por segundo tenga la frecuencia, más aguda o "alta" será la nota musical.

En la música es muy importante la relación que existe entre la frecuencia de los distintos sonidos, a esta relación se le llama intervalo.

Recordaremos que aunque el oído humano puede llegar a captar frecuencias entre los 20hz hasta 20.000hz, la frecuencia de las notas musicales llega solamente a los 4.500hz. Teniendo en cuenta que el oído humano pude diferenciar sonidos con 1hz de diferencia, bien podríamos tener unas 4000 notas en nuestra escala musical, pero solo tenemos una 88 notas en un piano y casi no hay mas que eso.

LAS NOTAS MUSICALES SON:

ü  do

ü  re

ü  mi

ü  fa

ü  sol

ü  la

ü  si

EL PENTAGRAMA

El pentagrama es un conjunto de cinco líneas paralelas y cuatro espacios que utilizamos para escribir los signos musicales. Las líneas y los espacios se cuentan de abajo arriba.

¿CÓMO SE DIFERENCIA UNA DE OTRA?

En el pentagrama se considera que cada línea o espacio representa la posición de una nota. Para saber qué nota corresponde a cada posición, los músicos utilizan una clave como estándar. Son tres las claves populares hoy en día: la clave de sol o de agudos indica que la nota sol está en la segunda línea; la clave de fa o bajos indica que la nota fa está en la cuarta línea; y la clave de do o de altos indica que la nota do está en la tercera línea.

CLAVE DE SOL:

CLAVE DE FA:

CLAVE DE DO:

FORMAS DE PROPAGACIÓN

-Se propaga en un medio material (aire, agua, gases)

-La propagación es lineal (en el intervalo de sonidos audibles la aproximación es válida): Esto permite que diferentes ondas sonoras se propaguen por el mismo espacio al mismo tiempo sin afectarse.

-El medio es no dispersivo: Por esta razón las ondas se propagan a la misma velocidad independientemente de su frecuencia o amplitud.

-El medio es homogéneo: No existen direcciones de propagación privilegiadas por lo que el sonido se propaga esféricamente (en todas direcciones).

VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN

Como ya mencionamos la velocidad de propagación del sonido no depende de la frecuencia ni de la intensidad del mismo sino de las características del medio.

En el aire su velocidad es de aproximadamente 344 m/s  20˚C (o 1200 km/h - 3 segundos para recorrer 1 km). Esta velocidad aumenta con la temperatura (0.17% /˚C), pero no cambia con la presión. 

En los líquidos es un poco mayor (1440 m/s en el agua) y mayor aún en los sólidos (5000 m/s en el acero).

No debemos confundir la velocidad de propagación de la onda sonora con la velocidad instantánea de las partículas (estas realizan un movimiento oscilatorio más rápido).

Podemos apreciar que la velocidad del sonido es relativamente alta y normalmente la propagación parece instantánea. Sin embargo en algunos casos es notoria, por ejemplo al compararla con la velocidad de la luz. 

Ejemplos: ver una banda tocando en la plaza desde lo alto de un edificio, relámpago y trueno, eco, sistema de amplificación.

Vídeo

CONCLUSIONES

EFECTO DOPPLER:

• El efecto Doppler es un fenómeno físico donde un aparente cambio de frecuencia de onda es presentado por una fuente de sonido con respecto a su observador cuando esta misma fuente se encuentra en movimiento.
• El efecto Doppler también se ve en algunas ondas sonoras.
• El efecto Doppler relativista es el cambio observado en la frecuencia de la luz procedente de una fuente en movimiento relativo con respecto al observador

NOTAS MUSICALES:

• Cuanto más oscilaciones por segundo tenga la frecuencia, más aguda será la nota musical.
• El oído humano puede llegar a captar frecuencias hasta 20000Hz mientras que la frecuencia de las notas musicales llega hasta los 4500Hz.
• En el pentagrama se considera que cada línea o espacio representa la posición de una nota. 
• La velocidad de propagación del sonido no depende de la frecuencia ni de la intensidad del mismo sino de las características del medio.