¿Qué es el efecto Doppler?

El efecto Doppler es uno de los principios físicos más comunes y de los qué más partido ha sacado la innovación científica y tecnológica a lo largo de la historia, siendo una particularidad física muy utilizada en múltiples áreas, como la navegación, la medicina, la astronomía o la meteorología.

Este efecto, llamado así por su descubridor Christian Andreas Doppler, físico austriaco del siglo XIX, afirma que la percepción de la frecuencia de una onda es diferente cuando la onda se acerca que cuando la onda se aleja.

Primer paso: ¿Qué es la frecuencia de una onda?

Cualquier onda, ya sea luz, sonido, radio u olas del mar, tiene una determinada frecuencia, la frecuencia indica cuantas veces por segundo se repite esa onda. 

La unidad de medida de la frecuencia de una onda es el Herzio (Hz) por lo que una onda con una frecuencia de por ejemplo 20Hz, significa que se repite 20 veces por segundo.

La frecuencia de una onda es su característica más importante, junto con su longitud de onda y su amplitud, pero es la que determina su naturaleza:

• Si hablamos de luz, la frecuencia de las ondas de luz determina que esa luz sea luz visible, luz infrarroja (utilizada en mandos a distancia o cámaras termográficas), o luz ultravioleta (utilizada para esterilizar superficies o análisis forenses).
• Si hablamos de ondas electromagnéticas, la frecuencia de las ondas determina que las ondas sean ondas de radio, ondas microondas u ondas de rayos X.
• Si hablamos de sonido, la frecuencia de una onda es la que determina que el sonido se grave (frecuencias bajas) o agudo (frecuencias altas).

Ahora que ya está explicado el concepto de la frecuencia de onda, pasamos al tema principal, pero no sin antes dejar claro un concepto clave: La velocidad de propagación de cualquier onda, es igual a la longitud de onda multiplicada por su frecuencia.

velocidad = longitud x frecuencia

Fundamentos del efecto Doppler

Para explica el efecto Doppler se utilizan las ondas sonoras, ya que es el caso cotidiano más común y que todos conocemos.

El efecto Doppler se basa en el principio de que si el emisor de una onda está en movimiento hacia un observador, la velocidad de propagación de la onda será la velocidad de la onda más la velocidad del desplazamiento, ya que el movimiento a favor favorece que la onda llegue antes al observador, mientras que cuando el emisor se aleja del observador, la velocidad de propagación de la onda será la velocidad de la onda menos la velocidad del emisor, ya que el movimiento en contra retrasa la llegada de onda al observador.

Aplicado al sonido, cuya velocidad en condiciones normales es de 344 metros por segundo.

• Si un coche se acerca a una persona a 108km/h (30 metros/s) el sonido que emite el coche se acerca a la persona a los 344 m/s del sonido + los 30 m/s de la velocidad del coche = 374 m/s.
• Cuando el coche se aleja de una persona a 108km/h (30 metros/s) el sonido que emite el coche se aleja a la persona a los 344 m/s del sonido - los 30 m/s de la velocidad del coche = 314 m/s.
• Esto provoca que cuando el coche se acerca, la frecuencia de la onda se perciba como (100 x (374-344))/344 = 9% más alta (más aguda) mientras que cuando se aleja la frecuencia se perciba como (100 x (314-344))/344 = -9%, es decir, un 9% más baja, es decir, más grave.

Por lo tanto, el sonido de un coche al acercarse a 108km/h se vuelve casi un 18% más grave cuando pasa por delante de nosotros.

Ahora ya sabes por qué las sirenas de una ambulancia suenan diferente cuando la ambulancia se acerca de cuando la ambulancia se aleja.

Aplicaciones del efecto Doppler

El caso del sonido es el más representativo ya que es el más fácil de percibir para los seres humanos, ya que el sonido tiene una velocidad relativamente baja.

Cuando pasamos a ondas electromagnéticas, como la luz, radio, rayos x, microondas, televisión, fibra óptica, radiación, radares..., que se mueven a la velocidad de la luz, este efecto es imperceptible por el ser humano, ya que si aplicamos el ejemplo del coche en movimiento a sus luces, la diferencia de la luz cuando se acerca a cuando se aleja es de solamente un 0.00002%, por lo que un observador humano nunca va a notar la diferencia, pero sí un sensor electrónico. 

Y por eso se utilizan sensores para aprovechar estas características de las ondas electromagnéticas en múltiples disciplinas.

Medicina: En las ecografías Doppler que se emplean para observar el flujo sanguíneo dentro del cuerpo. Esto es vital para diagnosticar condiciones como bloqueos en las arterias, el flujo sanguíneo a través del corazón y los vasos sanguíneos, y para evaluar la salud fetal.

Meteorología: Se usa en los radares Doppler para medir la velocidad y la dirección del viento. Esto ayuda a predecir el clima, especialmente para la detección de condiciones severas como tornados, al observar cómo se mueven las gotas de lluvia y los cristales de hielo en la atmósfera.

Radar y Sonar: Tanto para aplicaciones civiles como militares, el efecto Doppler se aplica para determinar la velocidad de objetos, como vehículos, aviones, submarinos y otros objetos en movimiento, mejorando la precisión de la navegación y la detección de amenazas.

Ingeniería Acústica: Se utiliza para analizar cómo el sonido se propaga o se percibe en movimiento, lo que tiene aplicaciones en el diseño de salas de conciertos.

Astrofísica: Se utiliza para determinar el movimiento y la velocidad de acercamiento o alejamiento de estrellas y galaxias respecto a la Tierra. Mediante el análisis del cambio en la longitud de onda de la luz (desplazamiento hacia el rojo o hacia el azul), los astrónomos pueden inferir si un objeto celeste se está alejando o acercando y a qué velocidad.

También Se utiliza para estudiar la expansión del universo, incluido el corrimiento al rojo de galaxias lejanas, lo que indica que el universo se está expandiendo. 

Industria automotriz: En el desarrollo de sistemas de radar para asistencia al conductor, como los sistemas de frenado automático de emergencia y los sistemas de advertencia de colisión, que detectan la velocidad relativa de los vehículos cercanos.

Geofísica: Aplicación en técnicas sísmicas para estudiar la estructura interna de la Tierra. El análisis de las ondas sísmicas utilizando el Efecto Doppler puede ayudar a mapear discontinuidades y estructuras subterráneas.

Tecnología de redes inalámbricas y móviles: En la mejora de la comunicación móvil y la reducción de interferencias. La compensación de Doppler es crucial en sistemas de comunicación que operan en altas velocidades, como los utilizados en trenes de alta velocidad y comunicaciones entre vehículos y satélites.

Oceanografía: Mediante el uso de sonares Doppler, los científicos pueden medir las corrientes oceánicas subacuáticas, lo cual es crucial para entender la dinámica oceánica, el clima global y los patrones de circulación.

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