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Esa onda con Doppler y su efecto

Autor
Categoría
Astronomía
Física
Tecnología
Fecha de Publicación
2016/12/12
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Queremos comenzar el post de hoy con un video. Sabemos que muchos de ustedes lo reconocerán de inmediato, mientras que el resto se deleitará por primera vez con un comercial que, quizás sin quererlo, acercó la física a la gente.
Lo que acaban de ver es, probablemente, uno de los fenómenos físicos más fácilmente reconocibles en nuestro diario vivir. Y es también la inspiración para el post de hoy, ya que el pasado 29 de noviembre fue el natalicio del físico-matemático austríaco Christian Doppler, a quien debemos este fenómeno que inspiró aquel triste disfraz que ocupa ese despreciable personaje de esa deplorable serie a la que no nos referiremos en este post.
Imagen no encontrada.

Doppler Begins

Christian Doppler naci√≥ en Salzburgo en 1803. Tras completar su educaci√≥n escolar, Doppler dio la PSU del imperio austro-h√ļngaro y le alcanz√≥ justito para estudiar filosof√≠a en Salzburgo, adem√°s de matem√°ticas y f√≠sica en el Instituto Polit√©cnico Real e Imperial (actual Universidad T√©cnica de Viena). En 1835 comenz√≥ su trabajo en el Instituto Polit√©cnico de Praga. Tan s√≥lo un a√Īo despu√©s se hizo famoso (manteniendo las proporciones, claro) al descubrir que la frecuencia observada de las ondas de luz y de sonido eran afectadas por el movimiento relativo entre la fuente y el detector.
Christian Doppler
Aquí un retrato de Christian. Sospechamos que su eterna lucha contra la peineta lo motivó a estudiar todo tipo de ondas.
En 1842 Doppler dio una lectura en la Sociedad de Ciencias en Bohemia (Rep√ļblica Checa, no confundir con la bohemia porte√Īa). Doppler propuso este efecto en su tratado ¬ę√úber das farbige Licht der Doppelsterne und einiger anderer Gestirne des Himmels¬Ľ (¬ęSobre el color de la luz en estrellas binarias y otros astros¬Ľ).

Una percepción aguda de los bajos

En 1845, Christophe Ballot, un meteor√≥logo dan√©s (algo as√≠ como el Iv√°n Torres de la √©poca) realiz√≥ una demostraci√≥n p√ļblica del efecto. Ballot viv√≠a al lado de una l√≠nea del tren y not√≥ el cambio de tono en los pitos y sonidos a medida que el tren pasaba. Moviendo algunos contactos, logr√≥ llenar un tren y el and√©n con trompetistas y los hizo tocar la misma nota mientras que el tren se mov√≠a a una velocidad de 65 km/h. Si bien los m√ļsicos en el and√©n se mantuvieron en la nota, los que iban en el tren se escuchaban con un tono un poco alto, el que baj√≥ a medida que el tren pasaba la estaci√≥n. Todas las personas que estaban presentes en la estaci√≥n fueron testigos del cambio en el tono con el paso del tren, con lo que se reconoci√≥ p√ļblicamente una de las herramientas m√°s √ļtiles de la f√≠sica.
Si Ballot hubiese sido chileno, el experimento ser√≠a m√°s entretenido a√ļn...

Con manzanitas, porfis

Para explicar el efecto Doppler, necesitamos partir con algunas caracter√≠sticas b√°sicas del movimiento de ondas. Las ondas existen en distintas formas: en las ondulaciones en la superficie de una laguna, en los sonidos, en la luz, en los temblores, en el onda onda; adem√°s, todos estos fen√≥menos poseen un movimiento peri√≥dico. Dos de las caracter√≠sticas comunes utilizadas para describir todos los tipos de movimiento ondulatorio son la longitud de onda y la frecuencia. Imaginemos una onda como una serie de cerros y valles. La longitud de onda corresponde a la distancia entre dos cimas consecutivas y la frecuencia es la cantidad de cimas que pasan a trav√©s de un punto de referencia en un periodo de tiempo dado. Imagine ahora que existe un generador de cerros y valles, desde el cual van saliendo de forma continua cerros y valles (obviamente). Si este generador est√° detenido en un punto (que, para que se vea a√ļn m√°s cient√≠fico, llamaremos x=0) y nos situamos sobre √©l, veremos algo como la siguiente figura:
Generador de sonido estacionario. [1]
Para un observador situado en cualquier punto, el flujo de cerros generados ‚ÄĒel ¬ętren de ondas¬Ľ‚ÄĒ llegar√° con la misma frecuencia con la que fue emitido desde el generador. Tomando el ejemplo del experimento de Ballot, este caso corresponde a los m√ļsicos parados en la estaci√≥n.
Si ahora montamos nuestro generador de ondas (o sea, cerros) en un vehículo y lo empezamos a mover a una velocidad constante, veremos algo similar a la siguiente figura:
El generador de ondas se mueve a una velocidad menor a la del sonido. [2]
A medida que el generador se mueve y contin√ļa emitiendo ondas, la frecuencia con la que un observador recibir√° el frente de la onda variar√° respecto de la posici√≥n en la que se encuentre. Podemos ver en la figura que si el generador se mueve hacia el observador (ubicado, por ejemplo, en x=10), la frecuencia aparente con la que recibe las ondas aumenta (o sea, ser√≠a un observador m√°s ondero), mientras que para un observador ubicado en x=-10, la frecuencia aparente es menor a la emitida por el generador.
Ahora consideremos que nuestro generador de ondas emite ondas sonoras. ¬ŅQu√© pasa si la velocidad con la que movemos el generador es igual a la velocidad a la que se emite el sonido? Recordemos de nuestras clases de f√≠sica en el colegio que la velocidad a la que se desplazan las ondas sonoras por el aire es de aproximadamente 340 m/s (alrededor de 1200 km/h). A medida que aumentamos la velocidad de movimiento del generador, nos acercaremos a un punto en que un observador ubicado en la direcci√≥n a la que se mueve el generador no recibe las ondas sonoras sino hasta que el mismo generador pasa por su posici√≥n.
El generador alcanza la velocidad del sonido. [3]
Finalmente supongamos que el generador se mueve a una velocidad superior a la del sonido, o a velocidad supersónica. Como podrán deducir de los casos anteriores, teniendo en cuenta que el generador se está moviendo a una velocidad mayor que la de las ondas que emite, irá por delante del tren de ondas, por lo que un observador estacionario verá pasar el generador y posteriormente oirá el sonido emitido por él.
El generador se mueve a una velocidad supersónica. [4]
Queremos destacar el comportamiento del fen√≥meno a velocidades supers√≥nicas. El observador estacionario no recibir√° ning√ļn sonido hasta despu√©s de que el generador haya pasado por su posici√≥n. Cuando el generador pase justo por su lado, recibir√° una explosi√≥n de sonido (sonic boom) y posteriormente oir√° dos sonidos: el primero corresponder√° a las ondas emitidas luego de pasar por su posici√≥n, a un tercio de la frecuencia original (algo as√≠), y el segundo, m√°s interesante, ser√° el creado por las ondas antes de pasar por su posici√≥n, pero con una frecuencia negativa (bien mala la onda), es decir, lo escuchar√≠a al rev√©s.

Bonito efecto, ¬Ņpero pa‚Äô qu√© sirve?

En el tratado que describi√≥ por primera vez el fen√≥meno, Doppler predijo que el efecto ser√≠a utilizado ampliamente por la astronom√≠a. Su uso es directo en la medici√≥n actual de la velocidad con la cual estrellas o galaxias se alejan o acercan a la tierra mediante el cambio de la longitud de onda (del color) de la luz que llega a nuestros telescopios. Esto se llama corrimiento al rojo o redshift para los comunistas (?): si las estrellas se alejan de nosotros, la longitud de onda se hace m√°s roja (longitudes de onda m√°s grandes) y, si se acercan, m√°s azul (longitudes de onda m√°s peque√Īas).
Hoy utilizamos el efecto Doppler en muchas interesantes aplicaciones. Por ejemplo, el radar Doppler usa microondas reflejadas para determinar la velocidad de movimiento de objetos distantes; en meteorología, el efecto se usa para caracterizar el movimiento de las nubes y los patrones de clima.
En medicina, el efecto Doppler se utiliza para obtener informaci√≥n sobre co√°gulos, arterias bloqueadas y funciones card√≠acas en adultos y durante el embarazo (de hecho, el uso del efecto Doppler en embarazos se encuentra ampliamente difundido por ser confiable y no invasivo). ¬ŅY c√≥mo se puede hacer esto? Emitiendo ondas de ultrasonido que rebotan contra los √≥rganos y estructuras que se est√°n estudiando. A medida que los ultrasonidos avanzan por el cuerpo, sufren atenuaci√≥n, dispersi√≥n y reflexi√≥n dependiendo de las propiedades f√≠sicas de las estructuras que encuentran a su paso. As√≠, cuando las ondas regresan al aparato, son interpretadas por una computadora y transformadas en im√°genes.
En resumen, nuestro entendimiento del efecto Doppler nos ha permitido aprender m√°s sobre el universo del que somos parte, medir el mundo en el que vivimos y mirar el interior de nuestros cuerpos sin abrirlo (lo que debe haber dejado sin trabajo a varios cirujanos...). Mientras tanto, futuras aplicaciones apuntan a una mejor navegaci√≥n computarizada y hasta ¬ęrevertir¬Ľ el efecto, lo que nos podr√≠a llevar al desarrollo de capas de invisibilidad. Ch√ļpate esa, Harry Potter.