El efecto
Doppler consiste en una variación de la frecuencia y
la longitud de onda recibidas respecto de la frecuencia
y la longitud de onda emitidas, que es causada por el movimiento
relativo entre el foco emisor de las ondas y el
receptor. Fue propuesto por
Cristian Doppler
(1803-1853) en 1842 en un trabajo llamado "Sobre
el color de la luz en estrellas binarias y otros
astros". Fizeau descubrió independientemente el
mismo fenómeno en 1848 (en Francia se conoce como efecto Doppler-Fizeau). |
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Para ayudar a
entender el efecto Doppler se puede usar la
animación Modellus adjunta en la que un foco
puntual emite ondas circulares de una determinada
frecuencia y longitud de onda. Permite
modificar la velocidad del foco y la longitud de
onda emitida, comprobando el efecto que
tiene sobre las ondas recibidas. Mientras el foco emisor permanece
en reposo, los frentes de onda son
concéntricos alrededor de él y tienen la misma
separación en todas las direcciones. En
cualquier lugar, la longitud de onda y la
frecuencia recibidas son iguales a las emitidas. No
se produce efecto Doppler. Sin
embargo, cuando el foco se desplaza va emitiendo
los frentes de onda sucesivos desde diferentes
posiciones. Como la velocidad de propagación de
la onda es independiente de ese movimiento del
foco, los frentes de onda dejan de ser
concéntricos: se aprietan en el sentido hacia
donde avanza el foco y se separan en el sentido
desde donde se aleja dicho foco. En
consecuencia, la longitud de onda recibida es
mayor en las zonas que ven alejarse al emisor y es menor en las zonas que lo
ven acercarse. Lo contrario le ocurre a la
frecuencia.
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Con la cubeta de ondas se puede observar
fácilmente el efecto Doppler. En el clip de
video adjunto, filmado en el laboratorio, una
estudiante utiliza la punta fina de un
destornillador para generar sucesivos pulsos de
onda con el foco alejándose de la cámara.
Se
observa perfectamente como los frentes de onda
que viajan delante del foco alejándose de la
cámara están más próximos entre sí (la longitud
de onda ahí es menor) y los que viajan detrás
del foco y en sentido contrario a él (se acercan
hacia la cámara) están más separados entre ellos
(la longitud de onda es mayor) |
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Lógicamente el efecto
Doppler aumenta al incrementarse la velocidad de
propagación del foco aumenta (puedes consultar en
este documento la ley que calcula este incremento). Si
dicha velocidad supera a la propia velocidad de
propagación de la onda por el medio, los frentes de onda
se agolpan en la dirección hacia la
que avanza el foco, adquiriendo un perfil especial. Se
dice en este caso que se produce una onda de choque, porque el foco emisor "rompe" una barrera
que forman en el medio los frentes de onda que él mismo
emite. Así lo hace, por ejemplo, la proa afilada de un
barco cuando avanza a una velocidad suficiente y
atraviesa las olas que el propio barco genera o un avión
cuando avanza por el aire a una velocidad mayor que la
del sonido. Oímos entonces una detonación producida
cuando el avión atraviesa los frentes de onda. |
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En 1845, el científico holandés
Buys-Ballot (1817-1890)
estudió el efecto Doppler en el
sonido. Utilizó trompetistas montados en
trenes en marcha para comprobar que el tono de un sonido
emitido por una fuente que se aproxima al
observador es más agudo que si la fuente se aleja. Este
hecho se
experimenta cotidianamente cuando escuchamos el
sonido emitido desde un coche por una bocina o
por una sirena. El
conductor, dentro del coche, escucha ese sonido con
normalidad, porque su situación es de reposo
relativo respecto del foco emisor. En cambio,
desde la calle se percibe el sonido con un tono
más agudo que el emitido (es decir, con mayor
frecuencia y menor longitud de onda) mientras
vemos al vehículo acercarse, y con un tono más grave que el emitido
(menor frecuencia) mientras vemos al vehículo
alejarse. Tal como muestra la figura animada
adjunta, si el
vehículo se aproxima hacia donde estamos y luego
se aleja oímos un cambio de tonalidad peculiar
en el sonido que llega procedente de la bocina o la
sirena. |
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Entre las muchas aplicaciones del
efecto Doppler mencionamos el papel destacado que
jugó en la formulación en 1929 de la teoría del big bang
y la expansión del Universo. La
luz procedente otras galaxias que se recibe en
observatorios astronómicos llega con una
frecuencia menor (longitud de onda mayor) que la
de emisión (se dice que está desplazada hacia el
rojo). El astrónomo estadounidense
Hubble (1889-1953)
planteó en 1929 que este hecho debía deberse al efecto Doppler y lo
interpretó como una evidencia de que dichas galaxias se
están alejando de nosotros. Aplicando la ley del efecto Doppler
comprobó que la velocidad de alejamiento de las galaxias
es mayor cuanto más distantes estén de nosotros, lo que
resulta coherente con la concepción de un Universo en
expansión. |
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Dos años
antes
Lamaitre (1894-1966),
astrofísico belga, había llegado a la misma
conclusión, basándose en la solución dinámica de las
ecuaciones de Einstein que había obtenido el físico,
astrónomo y matemático holandes
Willem de Sitter
(1872-1924) y en los datos astronómicos de
Slipher (1875-1969) y
del propio Hubble. |
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"El
astrónomo Hubble, libre de toda sospecha" (artículo de
prensa sobre las aportaciones de Lamaitre y Hubble
acerca de la expansión del Universo) (16-11-2011) |