Efecto Doppler: definición, causas, ejemplos y aplicaciones

Descubre el efecto Doppler: qué es, cómo y por qué ocurre, ejemplos prácticos y aplicaciones en acústica, radar y astronomía. Explicación clara y visual.

El efecto Doppler es un cambio en la frecuencia y la longitud de onda de una onda percibida por un observador cuando existe un cambio de distancia entre la fuente que produce la onda (emisor o causante) y quien la está midiendo o escuchando. En términos sencillos: si la fuente se acerca, la frecuencia aparente aumenta (tono más agudo en sonido, desplazamiento al azul en luz); si se aleja, la frecuencia aparente disminuye (tono más grave, desplazamiento al rojo).

Causas y condiciones

El efecto Doppler aparece cuando hay velocidad relativa entre emisor y observador en la dirección de propagación de la onda. Factores importantes:

• Solo importa la componente de la velocidad que apunta en la línea entre emisor y observador (velocidad radial).
• Para ondas mecánicas (sonido, agua), el medio (aire, agua) influye: la velocidad de la onda respecto al medio es relevante.
• Para ondas electromagnéticas (luz, radio) no hace falta un medio; a altas velocidades se debe usar la teoría de la relatividad especial.

Fórmulas básicas

Para ondas sonoras en un medio (por ejemplo, aire) se distinguen dos casos:

• Observador en movimiento (fuente estacionaria): f' = f · (v + v_o) / v, donde v es la velocidad del sonido y v_o la velocidad del observador en dirección hacia la fuente (positiva si se acerca).
• Fuente en movimiento (observador estacionario): f' = f · v / (v - v_s), donde v_s es la velocidad de la fuente en dirección hacia el observador (positiva si se acerca).
• General combinada: f' = f · (v + v_o) / (v - v_s).

Signo: usar v_o positivo si el observador se acerca, v_s positivo si la fuente se acerca. Para velocidades pequeñas comparadas con v estas fórmulas son suficientes.

Para ondas electromagnéticas a velocidades relativistas (por ejemplo, estrellas o galaxias moviéndose a fracciones apreciables de la velocidad de la luz c) la expresión longitudinal es:

f' = f · sqrt((1 + β) / (1 - β)), donde β = v / c (v positiva si la fuente se acerca).

En el límite de pequeñas velocidades β << 1 se obtiene la aproximación f' ≈ f · (1 + v / c).

Reflexión y doble desplazamiento

Si la onda se refleja en un objeto en movimiento (por ejemplo, en un vehículo que recibe un pulso de radar y lo devuelve), el desplazamiento ocurre dos veces: primero cuando la onda incide en el objeto en movimiento y luego cuando vuelve al detector. En radares esto resulta en un cambio de frecuencia proporcional a la velocidad radial del objetivo y es la base del funcionamiento de radares de velocidad.

Ejemplos cotidianos

• Un coche con la bocina encendida que pasa junto a un observador: el tono suena más agudo al acercarse y más grave al alejarse.
• Ambulancias y trenes: el cambio de tono al pasar es evidencia clásica del efecto.
• Radar policial de velocidad: mide el cambio de frecuencia de la señal reflejada para calcular la velocidad del vehículo.

Aplicaciones

• Medicina: Doppler por ultrasonido para medir el flujo sanguíneo y estudiar el corazón y vasos (ecografía Doppler).
• Climatología: radares meteorológicos Doppler que detectan velocidad y dirección de precipitaciones para monitorear tormentas.
• Astronomía: determinación de velocidades radiales de estrellas y galaxias mediante corrimiento al rojo/azul; estudio de expansión del universo (nota: el corrimiento cosmológico tiene tratamiento distinto al Doppler clásico pero el principio de cambio de frecuencia es análogo).
• Navegación y sonar: medición de velocidades y detección de objetos bajo el agua usando sonar Doppler.
• Ingeniería: sensores de velocidad sin contacto (por ejemplo, en líneas de producción) y en sistemas de control.

Ejemplo numérico simple

Supongamos una sirena con frecuencia f = 440 Hz (la nota La) y velocidad del sonido v = 343 m/s. Si la fuente se acerca a 30 m/s hacia un observador estacionario, la frecuencia aparente es aproximadamente:

f' = f · v / (v - v_s) = 440 · 343 / (343 - 30) ≈ 440 · 1.0957 ≈ 482 Hz.

Esto corresponde a un cambio claro en el tono percibido.

Límites y consideraciones

• El efecto solo mide la componente radial de la velocidad; movimiento perpendicular no produce cambio (salvo efectos transversales relativistas pequeños).
• En medios con corrientes o viento, la velocidad efectiva de la onda respecto al observador puede modificarse.
• Para señales muy breves o en entornos ruidosos la detección del cambio de frecuencia puede ser difícil.

En resumen, el efecto Doppler es un fenómeno muy general y útil que relaciona movimiento relativo con cambios en la frecuencia y longitud de onda de señales, con aplicaciones que van desde lo cotidiano hasta la investigación científica avanzada.

Preguntas y respuestas

P: ¿Qué es el efecto Doppler?

P: ¿Qué causa el efecto Doppler?

P: ¿Cómo se dice "causante" del efecto Doppler?

P: ¿Cómo se dice "cambio de distancia" en el efecto Doppler?

P: ¿Todos los tipos de ondas pueden verse afectados por el efecto Doppler?

P: ¿Qué es la reflexión en el contexto del efecto Doppler?

P: ¿Puede el emisor de una onda experimentar el efecto Doppler?

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