¿Qué es el efecto Doppler?
COMPROMISO T3La razón por la que la sirena de una ambulancia suena diferente a medida que se acerca y se aleja, y la herramienta que utilizan los astrónomos para medir qué tan rápido se expande el universo.
El Efecto Doppler es el cambio en la frecuencia (o longitud de onda) de una onda cuando la fuente y el observador se mueven entre sí. Cuando la fuente se acerca, las ondas se comprimen y la frecuencia aumenta (tono más alto para el sonido, desplazamiento al azul para la luz). Cuando la fuente retrocede, las ondas se estiran y la frecuencia disminuye (tono más bajo, corrimiento al rojo). Se aplica a todas las ondas: sonido, luz, agua y radio.
Cómo funciona
Imagine una fuente que emite ondas a una frecuencia constante. Si la fuente se mueve hacia usted, cada cresta de onda sucesiva se emite desde una posición más cercana a usted, por lo que las crestas llegan con más frecuencia (longitud de onda más corta, frecuencia más alta). Si la fuente se aleja, las crestas llegan con menos frecuencia (longitud de onda más larga, frecuencia más baja). La velocidad de la onda en el medio sigue siendo la misma; es el espacio entre las crestas lo que cambia.
Sonido versus luz
- Doppler sonoro: Depende de las velocidades tanto de la fuente como del observador en relación con el aire (el medio). Si la fuente excede la velocidad del sonido, se produce un boom sónico (onda de choque).
- Doppler ligero (relativista): No se necesita ningún medio. La fórmula incluye la dilatación del tiempo procedente de la relatividad especial. Las fuentes próximas son desplazado hacia el azul; las fuentes en retroceso son desplazado al rojo.
Aplicaciones del mundo real
- Pistolas de velocidad de radar: El radar de la policía hace rebotar microondas en un automóvil en movimiento. La señal reflejada tiene un desplazamiento Doppler; el cambio revela la velocidad del coche.
- Radar meteorológico: El radar Doppler detecta la velocidad y dirección del viento dentro de las tormentas midiendo los cambios de frecuencia en los pulsos devueltos, algo fundamental para las advertencias de tornados.
- Ecografía médica: La ecografía Doppler mide la velocidad del flujo sanguíneo haciendo rebotar el sonido en los glóbulos rojos en movimiento. Se utiliza para detectar problemas en las válvulas cardíacas y trombosis venosa profunda.
- Astronomía — corrimiento al rojo: Edwin Hubble observó que las galaxias distantes están desplazadas al rojo: se están alejando de nosotros. Cuanto más se alejan, más rápido se alejan (Ley de Hubble). Ésta es la principal evidencia de la expansión del universo.
- Detección de exoplanetas: El método de la velocidad radial detecta planetas midiendo pequeñas oscilaciones Doppler en el espectro de una estrella cuando los planetas en órbita la mueven hacia adelante y hacia atrás.
💡 Concepto clave
El corrimiento cosmológico al rojo de las galaxias distantes no es exactamente el efecto Doppler clásico: es causado por la expansión del espacio mismo que estira las longitudes de onda de la luz. Sin embargo, para las galaxias cercanas la interpretación Doppler da el mismo resultado.
Ejemplo resuelto
La sirena de una ambulancia emite un sonido a 700 Hz y avanza hacia usted a 30 m/s. Velocidad del sonido = 343 m/s.
- Acercándose: f' = 700 × 343/(343−30) = 700 × 343/313 ≈ 767Hz (tono más alto)
- Alejándose: f' = 700 × 343/(343+30) = 700 × 343/373 ≈ 644 Hz (tono más bajo)
El cambio de tono a medida que pasa es Δf ≈ 123 Hz, claramente audible.
Conceptos erróneos comunes
- "El efecto Doppler cambia la velocidad de la onda". No, la velocidad del sonido en el aire sigue siendo la misma. Sólo cambian la frecuencia y la longitud de onda.
- "Sólo funciona con sonido." Se aplica a todas las ondas, incluidas las de luz, radio y agua.
- "El desplazamiento al rojo significa que la luz se vuelve roja". El corrimiento al rojo significa que las longitudes de onda aumentan. La luz visible puede cambiar a infrarroja (invisible), no necesariamente volverse visiblemente roja.
Christian Doppler describió por primera vez este efecto en 1842. Fue probado en 1845 por Buys Ballot, quien colocó trompetistas en un tren en movimiento e hizo que músicos con tono perfecto escucharan desde el andén, confirmando el cambio de frecuencia previsto.
La gente también pregunta
¿Qué es el corrimiento al rojo y al azul?
Corrimiento al rojo: las longitudes de onda se estiran (la frecuencia disminuye) cuando una fuente se aleja. Desplazamiento al azul: las longitudes de onda se comprimen (la frecuencia aumenta) cuando se acerca una fuente. Lleva el nombre de los extremos rojo y azul del espectro visible, aunque el efecto se aplica a todas las longitudes de onda.
¿Qué sucede a la velocidad del sonido?
Cuando una fuente alcanza la velocidad del sonido (Mach 1), las crestas de las ondas se acumulan formando una onda de choque: un boom sónico. La fórmula Doppler predice una frecuencia infinita en v = vsonido para un observador frontal, que se manifiesta físicamente como la discontinuidad de presión de la pluma.
¿Se puede utilizar el efecto Doppler para detectar exoplanetas?
Sí. El método de la velocidad radial detecta pequeños cambios Doppler en la luz de una estrella causados por el tirón gravitacional de un planeta en órbita. Este método ha descubierto cientos de exoplanetas, incluido el primero encontrado alrededor de una estrella similar al Sol (51 Pegasi b, 1995).
Efecto Doppler relativista
Para la luz (ondas electromagnéticas), la fórmula Doppler no relativista se degrada a altas velocidades. La fórmula Doppler relativista es:
f_obs = f_fuente × √((1 + β)/(1 − β)) (fuente acercándose), donde β = v/c.
Para recesión: f_obs = f_source × √((1 − β)/(1 + β)). El parámetro de corrimiento al rojo z = (λ_obs − λ_source)/λ_source = √((1+β)/(1−β)) − 1. La ley de Hubble (v = H₀d) combinada con los corrimientos al rojo observados permite a los astrónomos medir tanto la velocidad de recesión como la distancia de las galaxias.
Referencias y lecturas adicionales
- Hecht, E. Óptica, 5ª ed. Pearson, 2017.
- Young, H. D. y Freedman, R. A. Física Universitaria con Física Moderna, 15ª ed. Pearson, 2019.