Seguramente has oído cómo el «pi-pó» de la sirena de una ambulancia que se acercaba desde lejos se vuelve de repente más grave y prolongado justo cuando pasa a tu lado. Si la ambulancia no ha cambiado el tono de la sirena, ¿por qué nos suena tan distinto? La ley física que se esconde tras este fenómeno tan familiar es el «efecto Doppler (Doppler Effect)».
En términos sencillos, el efecto Doppler es el fenómeno por el cual cambia la frecuencia observada de una onda cuando se mueve el objeto que la emite o la persona que la observa. Este principio se aplica por igual al sonido, a la luz y a las ondas de radio, y se utiliza en ámbitos tan diversos como los controles de velocidad, la previsión meteorológica, las pruebas médicas y la astronomía, que permitió descubrir la expansión del universo.
En este artículo se explican de forma accesible los conceptos básicos del efecto Doppler, cómo funciona, cómo se manifiesta en la luz mediante el corrimiento al rojo y al azul y qué aplicaciones tiene en la vida cotidiana.
Principio y aplicaciones del efecto Doppler
¿Qué es el efecto Doppler?
El nombre del efecto Doppler procede del físico austriaco Christian Doppler. En un artículo publicado en 1842, planteó la hipótesis de que el color de la luz de una estrella parecería cambiar si esta se acercara a nosotros o se alejara.
Esta hipótesis se demostró por primera vez con el sonido 3 años después. En 1845, el científico neerlandés Buys Ballot hizo subir a varios trompetistas a un tren en marcha para que tocaran continuamente la misma nota y pidió a músicos con oído absoluto situados junto a la vía que identificaran el tono. El resultado fue el previsto. Al acercarse el tren, la nota sonaba más aguda y, al alejarse, más grave.
- Al acercarse (Approaching), disminuye la separación entre las ondas y el sonido se oye más agudo.
- Al alejarse (Receding), aumenta la separación entre las ondas y el sonido se oye más grave.
- En reposo (Stationary), el sonido se oye con su frecuencia original.
Cómo cambia el tono del sonido
El sonido es una onda que se propaga por el aire. Cuanto mayor es su frecuencia (Hz), que indica cuántas veces vibra en 1 segundo, más agudo se oye. En el efecto Doppler, el movimiento de la fuente sonora hace que el observador perciba una frecuencia distinta.
(1) Las ondas se comprimen por delante de la fuente
Cuando una fuente sonora avanza mientras emite un sonido, se desplaza tras las ondas que ya ha emitido a medida que emite las siguientes. Como resultado, por delante de la fuente las ondas quedan muy juntas, como pequeñas ondulaciones, y por detrás se separan.
(2) Cuanto menor es la longitud de onda, más agudo es el tono
En el mismo aire, la velocidad del sonido se mantiene constante en unos 340 m/s. Por eso, si disminuye la separación entre las ondas (la longitud de onda), llegan más ondas al oído en 1 segundo. Esto se percibe como un tono más agudo.
(3) Un ejemplo con cifras
Supongamos que una ambulancia circula a 72 km por hora (20 m por segundo) con una sirena que emite un sonido de 700 Hz. Al acercarse, se oye a unos 744 Hz y, al alejarse, a unos 661 Hz. Justo al pasar, la frecuencia cae de golpe unos 80 Hz o más.
Si la fuente se mueve a la velocidad del sonido (Mach 1), las ondas comprimidas se superponen en un mismo lugar y generan una enorme onda de choque. El estampido sónico (Sonic Boom) que retumba cuando un caza supersónico surca el cielo es una manifestación extrema del efecto Doppler.
El efecto Doppler en la luz y los corrimientos al rojo y al azul
Tal como imaginó Doppler en un principio, el mismo principio se aplica a la luz porque también es una onda. Como la velocidad de la luz alcanza unas 30 decenas de miles de kilómetros por segundo, el cambio resulta imperceptible en la vida cotidiana y se observa con claridad en cuerpos celestes que se mueven a velocidades enormes, como las estrellas o las galaxias.
- Corrimiento al azul (Blueshift). Cuando un cuerpo celeste se acerca, la longitud de onda de su luz disminuye y el espectro se desplaza hacia el azul.
- Corrimiento al rojo (Redshift). Cuando un cuerpo celeste se aleja, la longitud de onda de su luz aumenta y el espectro se desplaza hacia el rojo.
En 1929, el astrónomo estadounidense Edwin Hubble descubrió que cuanto más lejos está una galaxia, mayor es su corrimiento al rojo. Esto se convirtió en una prueba decisiva de que las galaxias se alejan de nosotros y de que el universo entero se expande. En sentido estricto, se trata de un «corrimiento al rojo cosmológico» causado por la expansión del propio espacio, aunque el efecto Doppler fue el punto de partida para interpretarlo.
En 1995, Michel Mayor y Didier Queloz analizaron variaciones minúsculas en la luz de una estrella debidas al efecto Doppler y descubrieron por primera vez un planeta extrasolar que orbitaba una estrella similar al Sol. Por este logro recibieron el Premio Nobel de Física en 2019. Pudieron detectar incluso las oscilaciones en la luz que se producen cuando el planeta hace que la estrella se bambolee ligeramente.
3 aplicaciones del efecto Doppler en la vida cotidiana
El efecto Doppler va más allá de la teoría de los libros de texto. Se utiliza en muchos ámbitos de la vida cotidiana para medir con precisión y a distancia la velocidad de objetos en movimiento.
[Caso 1] Pistola radar para el control de velocidad
La pistola radar de la policía emite ondas de radio hacia un automóvil en marcha y mide cuánto cambia la frecuencia de las ondas que regresan tras reflejarse en él. Cuanto mayor es el cambio de frecuencia, más rápido se mueve el vehículo, de modo que se puede calcular su velocidad en un instante.
[Caso 2] Radar meteorológico Doppler
El radar meteorológico analiza las ondas de radio reflejadas por las gotas de lluvia dentro de las nubes para determinar en qué dirección y a qué velocidad se desplazan las nubes de lluvia. Así es posible anticipar la rotación de los tifones o la llegada de lluvias intensas localizadas.
[Caso 3] Ecografía Doppler
En el hospital, la ecografía Doppler dirige ultrasonidos hacia los glóbulos rojos que circulan por los vasos sanguíneos para medir el flujo de la sangre y su velocidad. En la pantalla, el flujo que se acerca al transductor suele mostrarse en rojo y el que se aleja, en azul. Así se localizan los puntos donde los vasos se han estrechado u obstruido.
El efecto Doppler parte de un principio sencillo según el cual el movimiento modifica las ondas. Con este mismo principio podemos entender el sonido de la sirena de una ambulancia, medir la velocidad de los automóviles en carretera, observar cómo circula la sangre por el cuerpo e incluso descubrir que se alejan galaxias situadas a miles de millones de años luz.
La próxima vez que el sonido de una sirena se vuelva más grave mientras se aleja, recuerda que en ese sonido está la clave que permitió descubrir la expansión del universo. Preguntarse «¿por qué?» ante un fenómeno cotidiano es el primer paso más seguro para comprender el mundo con los ojos de la ciencia.
