Doppler
12 feb, 2013
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PDFCambiando frecuencias
PRESENTACIÓN: Se coloca un diapasón en el extremo de un hilo que se hace rotar en círculos. El sonido pulsante que se escucha es diferente de la nota pura que emite el diapasón cuando está en reposo relativo. La frecuencia del sonido emitida se hace más alta cuando se acerca al observador y más baja cuando se aleja de él.
- Doppler frequency shift of sound apparatus, Walter Schier, Phys. Teach. 49, 246 (2011)
- Noise Doppler-Shift Measurement of Airplane Speed, Ivan F. Costa and Alexandra Mocellin, Phys. Teach. 45, 356 (2007)
INTRODUCCIÓN: El efecto Doppler, llamado así por el austríaco Christian Andreas Doppler, es el aparente cambio de frecuencia de una onda producido por el movimiento relativo entre la fuente, el emisor y/o el medio. En la vida cotidiana observamos dicho efecto constantemente. Un claro ejemplo es cuando una ambulancia (con la sirena encendida) se acerca a nosotros, llega a nuestra altura y nos pasa.
OBJETIVO: Producir el efecto Doppler con una fuente de sonido constante que produce una onda armónica cuadrada.
MATERIALES: altavoz, pila 9V, placa de circuitos, oscilador, 3 resistencias, condensador electrolítico, condensador cerámico, chip 555N, 1 brida, 1 cuerda.
MONTAJE: En la placa de circuitos montamos el oscilador, las resistencias el chip y los condensadores, los alimentamos con la pila y lo conectamos al altavoz, de esta forma obtenemos nuestra fuente de sonido. Para la experiencia ataremos la brida al aparato y a ella la cuerda.
EXPLICACIÓN: Las ondas de sonido se propagan en todas direcciones. Cuando la fuente emisora está estática las ondas se desplazan concéntricamente y éste llega sin cambios de tono a una persona que se encuentre cerca. Ahora bien, si la fuente se está desplazando, las ondas de sonido que despide por ejemplo nuestro pequeño invento, se “amontonan” en la dirección del movimiento. Esto hace que una persona ubicada digamos a unos 50 m adelante del móvil perciba mayor número de ondas por unidad de tiempo y esto se traduce como un sonido con tono agudo, pero también ocurre a la inversa, cuando el móvil se aleja, las ondas que van quedando atrás en dirección a la persona se separan más unas de otras, es decir llegan menos ondas por unidad de tiempo lo cual se traduce como un sonido grave. Nosotros haremos girar nuestra fuente de sonido para esta experiencia.
CONCEPTOS: efecto Doppler, onda armónica cuadrada, frecuencia, tono.
MÁS INFORMACIÓN:
TEXTOS:
- Tipler P.A. Física. Barcelona: Reverté, 2010.
- De Juana J.M., Física General, Pearson, 2009.
- Serway R.A y J.W.Jewett. Física, Thomson-Paraninfo, 2010.
- R. Ehrlich, Turning the World Inside Out and 174 Other Simple Physics Demonstrations, Princeton University Press, 1997.
ALUMNADO 2010-2011: Marcos González, Andrea Gómez, Atanasio Gerassis.
ENLACE pdf ALUMNADO:
27 responses to "Doppler"
Este concepto es esencial en el desarrollo de la oceanografía física. Teniendo en cuenta esta propiedad se han desarrollado aparatos que nos permiten medir las velocidades a lo largo de la columna de agua. Estos aparatos se denominan perfiladores de corrientes acústico Doppler (ADCP, “Acoustic Doppler Current Profiler”). Sirven tanto para muestrear en ríos como en océano. Pueden estar fijos en un punto midiendo la variación de la corriente en ese lugar como ir en una plataforma móvil (ej. en la quilla de un buque) e ir midiendo las corrientes en la trayectoria de navegación.
O efecto Doppler recórdame ao meu inicio na secundaria. Deume por preguntarlle ao profesor por qué a ambulancia se escoitaba diferente cando viña respecto a cando marchaba. El aludiu ao efecto Doppler e nese momento non o compredín demasiado ben. Lendo este artigo cheguei a comprender realmente ao que se refería ese profesor.
Como decía el Doctor Sheldon Copper en “The Big Bang Theory”; el efecto Doppler es el aparente cambio de frecuencia de onda causado por el movimiento relativo de la fuente con respecto al observador.
En este vídeo se puede ver una explicación de cómo actúan las ondas para emitir el sonido que nosotros escuchamos, al final del vídeo, pone un ejemplo (similar al que dice Xandre en el comentario anterior) pero con el sonido del claxon de un coche.
Este término también es muy conocido por los químico-físicos, ya que el efecto Doppler es el causante del ensanchamiento de las bandas en la espectrometría molecular lo que provoca una peor resolución a la hora de identificar compuestos. Las moléculas de gas que se estudian se mueven en todas direcciones y por lo tanto poseen un movimiento relativo respecto a la radiación, lo que implica que se vean absorciones y emisiones en un intervalo de frecuencia y no en un valor único.
Una de las aplicaciones más importantes del Efecto Doppler es la del radar (sistema electrónico que permite detectar objetos fuera del alcance de la vista y determinar la distancia a que se encuentran proyectando sobre ellos ondas de radio). El radar Doppler, que se utiliza a menudo para medir la velocidad de objetos como un coche o una pelota, transmite con una frecuencia constante. Las señales reflejadas por objetos en movimiento respecto a la antena presentarán distintas frecuencias a causa del efecto Doppler.
He seguido leyendo acerca de este efecto, ya que he encontrado que tiene muchas aplicaciones, y aquí os dejo un enlace donde explica cómo funciona en el uso de ultrasonidos durante el embarazo, para detectar el sexo de los bebes, entre otras cosas.
Es curioso que el efecto Doppler no solo se aplica a los sonidos. Funciona con todo tipo de ondas, incluyendo la luz. He estado leyendo un poco sobre el tema y encontré un blog donde comentaba como Edwin Hubble encontró que la luz de galaxias distántes está “corrida” hacia frecuencias más elevadas. Que coinciden con el rojo final des espectro. Esto se conoce como desplazamiento Doppler.
Me parecen muy interesantes todas las aplicaciones que estáis comentando sobre este efecto, que incluso ha ayudado a descubrir el fenómeno de la expansión de universo. Como dice Xandre, el efecto Doppler no sólo lo experimenta el sonido, sino también la luz. El descubrimiento de la expansión del Universo empieza en 1912, con los trabajos del astrónomo norteamericano Vesto M. Slipher. Mientras estudiaba los espectros de las galaxias observó que, excepto en las más próximas, las líneas del espectro se desplazan hacia el rojo. Y es que en el caso del espectro visible de la radiación electromagnética, si un objeto se aleja, su luz se desplaza a longitudes de onda más largas, desplazándose hacia el rojo. Si el objeto se acerca, su luz presenta una longitud de onda más corta, desplazándose hacia el azul. Esta desviación hacia el rojo o el azul es muy leve incluso para velocidades elevadas, como las velocidades relativas entre estrellas o entre galaxias, y el ojo humano no puede captarlo, solamente medirlo indirectamente utilizando instrumentos de precisión como espectrómetros. Si el objeto emisor se moviera a fracciones significativas de la velocidad de la luz, sí sería apreciable de forma directa la variación de longitud de onda.
Y esto demuestra que la mayoría de las galaxias se alejan de la Vía Láctea ya que, corrigiendo este efecto en los espectros de las galaxias, se demuestra que las estrellas que las integran están compuestas de elementos químicos conocidos.
¿Y por qué imaginar siempre los experimentos en el laboratorio o con instrumentación compleja? El holandés Christian Buys Ballot reunió a un grupo de trompetistas y les puso a tocar en un vagón de tren sin paredes, y en el andén de la estación, reunió a varias personas con oído musical para que sacaran sus propias conclusiones.
Me parece interesante citar una posible aplicación del efecto Doppler que estudié en el último curso de mi carrera en la asignatura de Bioquímica clínica, gracias a la cual descubrí la existencia de este fenómeno, ya que antes nunca lo había estudiado.
El efecto Doppler describe el cambio de frecuencia que se produce en cualquier onda cuando existe movimiento relativo entre la fuente emisora y el receptor. Así pues, en la práctica clínica, el efecto Doppler se usa para valorar el movimiento de la sangre.
Se emplea un transductor que actúa en principio como fuente estática emitiendo una onda de ultrasonidos sobre el vaso. Si hay movimiento, esta onda es reflejada hacia el transductor por los hematíes, que constituyen el mayor componente de la sangre. El cambio de frecuencia detectado dependerá en proporción directa de la frecuencia de onda emitida, de la velocidad de
los hematíes y del coseno del ángulo entre el haz ultrasónico y la dirección del flujo. Como el resto de variables son conocidas, se puede calcular la velocidad de las ondas de flujo de los hematíes y por lo tanto, el flujo sanguíneo.
El eco-Doppler tiene particular utilidad en los estudios cardiovasculares (ecografía del sistema vascular y del corazón) y es esencial en muchas áreas, tales como la determinación del flujo invertido de sangre en los vasos del hígado en casos de hipertensión. También se usa para la determinación del riesgo de preeclampsia en mujeres embarazadas y es la mejor prueba para el diagnóstico no invasivo de anemia fetal.
El efecto Doppler posee muchas aplicaciones y en diferentes campos como bien citaron mis compañeros.
Los detectores de radar lo utilizan para medir la rapidez de los automóviles en las carreteras y también la velocidad de las pelotas en determinados deportes.
Los astrónomos utilizan el efecto Doppler de la luz de galaxias distantes para medir su velocidad y deducir su distancia.
Los médicos usan fuentes de ultrasonido para detectar las palpitaciones del corazón de un feto;
En el mundo animal son los murciélagos los que lo emplean para detectar y cazar a un insecto en pleno vuelo. Cuando el insecto se mueve más rápidamente que el murciélago, la frecuencia reflejada es menor, pero si el murciélago se está acercando al insecto, la frecuencia reflejada es mayor.
Hoy también se usa el Doppler transcraneal, técnica que se ha convertido en una herramienta imprescindible en el mundo de la medicina para conocer tanto el funcionamiento de las arterias cerebrales como sus posibles alteraciones, es decir, diagnosticar lesiones arteriales. Gracias a esta técnica se ha mejorado la detección de enfermedades mortales como las microembolias o la posibilidad de diagnosticar infartos cerebrales.
Otra aplicación del efecto Doppler es que resulta imprescindible para el diagnóstico de las alteraciones de los órganos y estructuras nefrológicas y urológicas.
Aqui dejo el enlace de la serie Big Bang Theory que ya nombró Iria anteriormente, donde Sheldon Cooper decide disfrazarse de efecto Doppler.
El efecto Doppler nos rodea constantemente, en este ejemplo utilizan el sonido para poder observarlo.
Sin embargo los astrónomos usan una característica idéntica que tiene la luz. Cuando un objeto se acerca o aleja de nosotros, la luz que emite varia un poco hacia el rojo o el azul debido a este efecto. Gracias a él los astrónomos saben a que velocidad se mueve un objeto, viendo la intensidad del cambio y además pueden conocer su dirección.
Siguiendo con lo que comentan mis compañeros, os dejo un enlace donde podéis comprar esas camisetas tan “molonas” del efecto Doppler.
Un chiste relacionado tanto con el efecto Dopler como con la enseñanza:
Le pregunta el profesor a un alumno:
– A ver Fulanito, ¿Sabrías decirme algún ejemplo del efecto Dopler afectando a la luz y no al sonido?
– Claro profe, ¡Eso está chupado!: Si vas paseando de noche y te fijas en los coches puedes ver como cuando se acercan sus luces se ven blancas y cuando se alejan rojas.
El efecto Doppler también se utiliza ampliamente en oceanografía para medir la velocidad de corriente en diferentes capas, el oleaje y la turbidez (concentración de materia particulada). La aparición de estos aparatos fue una revolución en este campo ya que permiten medir la velocidad en las diferentes capas de la columna de agua a partir de un solo punto (con un único aparato). Los aparatos que miden usando este principio se conocen como ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler). Los ADCP calculan la velocidad a partir del cambio de frecuencia entre el pulso acústico emitido y el recibido. Los pulsos acústicos “rebotan” en las partículas que están en movimiento dentro del agua generando ecos con una frecuencia diferente, dependiendo si se alejan del emisor (frecuencia más baja que la emitida) o si se acercan al emisor (frecuencia más alta que la emitida), o con la misma frecuencia si las partículas se mueven en dirección transversal al emisor.
En este enlace hay una explicación un poco más detallada en inglés. Y una explicación en vídeo de cómo se aplica (ver desde el minuto 2:15 al 2:35).
El efecto Doppler, como ya comentaron muchos de mis compañeros presenta muchas aplicaciones cotidianas. Una de ellas es el radar, sistema electrónico que permite detectar objetos fuera del alcance de la vista y determinar la distancia a que se encuentran proyectando sobre ellos ondas de radio. Se utiliza a menudo para medir la velocidad de objetos como coches. Transmite una onda con una frecuencia constante y las señales reflejadas por objetos en movimiento respecto a la antena presentarán distintas frecuencias a causa del efecto Doppler. Esa diferencia permite conocer su velocidad.
Otra de las aplicaciones es la ecocardiografía, una tecnología sanitaria que permite el estudio morfológico y funcional cardíaco tanto en sujetos sanos como en aquellos con enfermedades cardíacas. Esta técnica, que está basada en la emisión y recepción de ultrasonidos, presenta considerables ventajas respecto a otros procedimientos diagnósticos.
Por último, en astrofísica el efecto Doppler permite determinar la estructura de las galaxias y la presencia de materia oscura, el estudio de estrellas dobles, el estudio de estrellas dobles o para medir los movimientos de las estrellas y de las galaxias.
Otro ejemplo de “efecto doppler” que explicaría la característica explosión sónica que producen los aviones cuando sobrepasan la barrera del sonido.
La barrera del sonido se sitúa en torno a los 340 m/s, pero depende ligeramente de la temperatura del aire. A velocidades subsónicas (< 340 m/s) las ondas de presión del avión se comportan como las de cualquier objeto en movimiento. Luego, cuando nos acercamos a la velocidad del sonido, las ondas de presión tienden a acumularse en un mismo punto con las producidas en instantes anteriores, de forma que la energía sonora se aglutina haciendo que la presión aumente. Finalmente, al alcanzar la barrera, se libera rápidamente la energía acumulada en una explosión sónica, lo que produce un cambio brusco de presión que crea la condensación de vapor de agua que vemos en la cola.
Adjunto un vídeo detallado donde se explica que sucede con las ondas cuando se sobrepasa la barrera del sonido.
Este experimento se pode traballar cos alumnos mediante actividades fora do horario escolar. Unha proposta pode ser que detecten o efecto doopler durante o seu día a día, por exemplo cando pasa unha ambulancia pola estrada, cando pasa un tren tocando a bociña, ou mesmo que sexan eles os que o provoquen, por exemplo lanzando nun patinete un aparello con son. Pódeselle pedir que o graven en vídeo cos móbiles e o expoñan na clase. Esta actividade ademais de fomentar a súa creatividade, xa que terán que buscar a mellor maneira de gravalo, axudaralles a entender mellor este efecto físico. Unha vez na clase poderase debater se todos os efectos gravados son realmente efecto doopler ou se algún non o é, e por que non sería efecto doopler.
O efecto doppler é o principio físico que máis se usa na oceanografía actual para medir velocidade de corrente, gracias á dispersión que unha onda emitida ten cando se achega as partículas que transporta unha masa de agua, e o tempo que tarda en ser de novo recibida. Os instrumentos que sirve para iso son os coñecidos como ADCP.
Os ADCP (coustic Doppler current profiler) que se usan para perfilar as velocidades de corrente na oceanografía pódense dispoñer de dúas formas principais: (1)fondeados o fixos, rexistrando as variacións de corrente nun punto fixo; (2) en movemento, solidarios a unha estrutura, rexistrando as correntes conforme esta estrutura móvese. Moitas das veces, combínanse ambos métodos para ter a maior fiabilidade nos datos. Vos deixo un vídeo dun ADCP fondeado a unha estrutura.
Realmente, a experiencia máis sinxela que se pode facer co efecto Doppler é que os propios alumnos e alumnas saian “á caza” de efectos Doppler por aí adiante, xa que, moitas veces sen decatármonos, o noso día a día está inzado das consecuencias deste fenómeno físico. Como propuxo un compañeiro máis arriba, poderían intentar detectar este fenómeno no seu día a día e logo cotexar na clase cales dos casos expostos son realmente debidos a el.
Sabiades que, como lles pasa a moitos outros científicos, as teorías de Christian Andreas Doppler foron totalmente ignoradas pola comunidade científica. A excepción do famoso matemático Bolzano, que lle profesou unha gran admiración.
Aunque considero que el montaje es excesivo, ya que simplemente con el móvil atado a una cuerda tendríamos los mismos resultados, me parece un vídeo interesante para explicar el efecto Doppler. La mayor dificultad a la hora de explicar este efecto, es la amplitud de posibilidades ante las que nos podemos encontrar, pues la frecuencia observada depende no sólo del movimiento o no del emisor si no también del receptor, teniendo 8 situaciones diferentes y por tanto podemos realizar diferentes pruebas para comprobarlo.
Tal y como se menciona en otros comentarios arriba, el efecto Doppler se emplea especialmente en ciencias de la salud, donde, además de servir para visualizar las cámaras cardíacas, sirve también por ejemplo para valorar si el aporte sanguíneo a los miembros inferiores es suficiente o si es necesaria una intervención. Para enseñar esto a nuestros alumnos, sería interesante, además de realizar el experimento que hicieron estos chicos, conseguir un ecógrafo portátil (a veces incluso las casas comerciales prestan uno para realizar demostraciones) y que viesen cómo funciona en salud, y cómo es posible ver pasar su propia sangre.
Como se ha mencionado en comentarios anteriores el efecto Doppler es un fenómeno físico que consiste en la variación de la frecuencia de una longitud de onda emitida o recibida por un objeto en movimiento. El ejemplo más utilizado para explicar este efecto es el sonido que emite una ambulancia en movimiento, es decir, el sonido se escuchará de forma diferente dependiendo de la cercanía y de la velocidad a la que viaja el vehículo. Existen diversas formas de explicar este efecto como las que se muestran en los diferentes vídeos incluidos en esta página, está claro que es más práctico mostrar esta actividad en vivo a los alumnos y que ellos manipulen que comentar el ejemplo de la ambulancia. Puesto que este efecto tiene muchas aplicaciones en la vida real (tal como se comenta en los vídeos y en los comentarios anteriores, como en astronomía, ecocardiografía, radar…) convendría mostrar a los alumnos diferentes ejemplos mediante actividades manipulativas para una mayor comprensión por parte del alumnado
En esta experiencia se muestra el efecto Doppler: cuando una fuente de sonido se mueve respecto al observador, el tono del sonido cambia. A partir de este efecto se puede determinar si la fuente se mueve hacia el observador o se aleja de él, y también cómo de rápido se mueve. El efecto Doppler también se observa con la luz. En el caso de la luz, es el color el que cambia. La luz se compone de siete colores, cada color del espectro tiene un valor diferente de frecuencia: los colores extremos son el azul y el rojo. Los objetos celestes emiten luz y cuando estos objetos se acercan, al analizar su espectro, su longitud de onda disminuye, lo que aumenta su frecuencia y su energía, por lo que el color azul se vuelve más intenso y el rojo más débil. Este efecto permite a los astrónomos saber si las galaxias se están acercando o alejando de nosotros e incluso saber cómo de rápido se mueven: cuanto mayor sea el desplazamiento hacia el rojo o hacia el azul, más rápido se están moviendo. En este enlace hay una explicación sobre el Efecto Doppler y cómo se relaciona con el Big Bang.
El experimento, a pesar de su simpleza, permite mostrar de forma práctica la demostración de este efecto. El efecto, además de oírlo a diario (ambulancias, coches etc.), tiene múltiples usos, como los usos médicos que comentaba la usuaria SilviaL. Creo conveniente que más allá de mostrarle a los estudiantes el experimento podría reforzarse el proceso de enseñanza-aprendizaje de este concepto salpimentándolo con una aplicación móvil, que permite manejar un coche en diferentes direcciones y ver virtual pero interactivamente como se produce el efecto Doppler. La aplicación llamada Doppler Effect Visualization es completamente gratuita y ocupa muy poco espacio, sin embargo recomiendo bajar el sonido del móvil, ya que el sonido de la sirena es un poco molesto.
Me parece un efecto muy interesante debido a que este efecto presenta infinidad de aplicaciones, además este, se ha relacionado y ayuda a la explicación del “Big Bang”, lo que me resulta muy interesante para introducir varios temas con los alumnos. Además, por lo que se observa, dicho experimento resulta de fácil aplicación y creo que sería una buena experiencia para realizar con los alumnos de 2º bachillerato, ya que les permitiría a aplicar de forma práctica la teoría a un ejemplo concreto en el aula, así como de reconocer dicho efecto en otras situaciones cotidianas en las que se produce, como por ejemplo, el paso de una ambulancia. He buscado más información sobre el tema y en la página de FISICALAB, se hace una muy buena y breve descripción de dicho efecto, los casos en los que se puede observar y las aplicaciones del mismo.
El efecto Doppler lo percibimos de manera cotidiana en el sonido de las ambulancias, a medida que se acerca el sonido es más agudo y cuando se aleja es más grave. La ambulancia, al avanzar hacia nosotros, hace que las ondas de sonido que emite se agolpen en el sentido del movimiento y así haciendo que se escuchen más agudas. Sucede al revés, cuando se aleja. Esto pasa también con la luz, una fuente luminosa acercándose hacia nosotros es más azulada y enrojecida cuando se aleja. Ver este interesante vídeo que explica el efecto Doppler.