Efecto Doppler - Doppler effect

	Pasando la bocina del coche
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El efecto Doppler o desplazamiento Doppler (o simplemente Doppler , cuando está en contexto) es el cambio en la frecuencia de una onda en relación con un observador que se mueve en relación con la fuente de onda. Lleva el nombre del físico austriaco Christian Doppler , quien describió el fenómeno en 1842.

Un ejemplo común de desplazamiento Doppler es el cambio de tono que se escucha cuando un vehículo que hace sonar una bocina se acerca y se aleja de un observador. En comparación con la frecuencia emitida, la frecuencia recibida es mayor durante la aproximación, idéntica en el instante de paso y menor durante la recesión.

La razón del efecto Doppler es que cuando la fuente de las ondas se mueve hacia el observador, cada cresta de onda sucesiva se emite desde una posición más cercana al observador que la cresta de la onda anterior. Por lo tanto, cada ola tarda un poco menos en llegar al observador que la ola anterior. Por lo tanto, el tiempo entre las llegadas de las sucesivas crestas de las ondas al observador se reduce, lo que provoca un aumento de la frecuencia. Mientras viajan, la distancia entre los sucesivos frentes de onda se reduce, por lo que las ondas se "amontonan". Por el contrario, si la fuente de ondas se aleja del observador, cada onda se emite desde una posición más alejada del observador que la onda anterior, por lo que el tiempo de llegada entre ondas sucesivas aumenta, reduciendo la frecuencia. A continuación, se aumenta la distancia entre los sucesivos frentes de onda, de modo que las ondas se "extienden".

Para las ondas que se propagan en un medio, como las ondas sonoras , la velocidad del observador y de la fuente son relativas al medio en el que se transmiten las ondas. Por tanto, el efecto Doppler total puede resultar del movimiento de la fuente, del movimiento del observador o del movimiento del medio. Cada uno de estos efectos se analiza por separado. Para las ondas que no requieren un medio, como las ondas electromagnéticas o las ondas gravitacionales , solo se debe considerar la diferencia relativa de velocidad entre el observador y la fuente. Cuando esta velocidad relativa no es despreciable en comparación con la velocidad de la luz , surge un efecto Doppler relativista más complicado .

Historia

Doppler propuso por primera vez este efecto en 1842 en su tratado " Über das farbige Licht der Doppelsterne und einiger anderer Gestirne des Himmels " (Sobre la luz coloreada de las estrellas binarias y algunas otras estrellas del cielo). La hipótesis fue probada por ondas sonoras por Buys Ballot en 1845. Confirmó que el tono del sonido era más alto que la frecuencia emitida cuando la fuente de sonido se acercó a él, y más bajo que la frecuencia emitida cuando la fuente de sonido se alejó de él. Hippolyte Fizeau descubrió de forma independiente el mismo fenómeno en ondas electromagnéticas en 1848 (en Francia, el efecto a veces se llama "efecto Doppler-Fizeau", pero ese nombre no fue adoptado por el resto del mundo, ya que el descubrimiento de Fizeau fue seis años después de la propuesta de Doppler). En Gran Bretaña, John Scott Russell realizó un estudio experimental del efecto Doppler (1848).

General

En la física clásica, donde las velocidades de la fuente y el receptor en relación con el medio son más bajas que la velocidad de las ondas en el medio, la relación entre la frecuencia observada y la frecuencia emitida viene dada por: ${\ Displaystyle f}$${\ Displaystyle f _ {\ text {0}}}$

dónde

• ${\ Displaystyle c}$ es la velocidad de propagación de las ondas en el medio;
• ${\ Displaystyle v _ {\ text {r}}}$es la velocidad del receptor en relación con el medio, sumada a si el receptor se está moviendo hacia la fuente, restada si el receptor se está alejando de la fuente;${\ Displaystyle c}$
• ${\ Displaystyle v _ {\ text {s}}}$es la velocidad de la fuente en relación con el medio, sumada a si la fuente se está alejando del receptor, restada si la fuente se está moviendo hacia el receptor.${\ Displaystyle c}$

Tenga en cuenta que esta relación predice que la frecuencia disminuirá si la fuente o el receptor se alejan del otro.

De manera equivalente, bajo el supuesto de que la fuente se está acercando o alejándose directamente del observador:

dónde

• ${\ Displaystyle v_ {wr}}$ es la velocidad de la onda relativa al receptor;
• ${\ Displaystyle v_ {ws}}$ es la velocidad de la onda relativa a la fuente;
• ${\ Displaystyle \ lambda}$ es la longitud de onda.

Si la fuente se acerca al observador en un ángulo (pero aún con una velocidad constante), la frecuencia observada que se escucha por primera vez es más alta que la frecuencia emitida por el objeto. A partir de entonces, hay una disminución monótona en la frecuencia observada a medida que se acerca al observador, a través de la igualdad cuando proviene de una dirección perpendicular al movimiento relativo (y se emitió en el punto de acercamiento más cercano; pero cuando se recibe la onda , la fuente y el observador ya no estarán más cerca), y una disminución monótona continua a medida que se aleja del observador. Cuando el observador está muy cerca de la trayectoria del objeto, la transición de alta a baja frecuencia es muy abrupta. Cuando el observador está lejos de la trayectoria del objeto, la transición de alta a baja frecuencia es gradual.

Si las velocidades y son pequeñas en comparación con la velocidad de la onda, la relación entre la frecuencia observada y la frecuencia emitida es aproximadamente ${\ Displaystyle v _ {\ text {s}}}$${\ Displaystyle v _ {\ text {r}} \,}$${\ Displaystyle f}$${\ Displaystyle f _ {\ text {0}}}$

Frecuencia observada	Cambio de frecuencia
${\ Displaystyle f = \ left (1 + {\ frac {\ Delta v} {c}} \ right) f_ {0}}$	${\ Displaystyle \ Delta f = {\ frac {\ Delta v} {c}} f_ {0}}$

dónde

• ${\ Displaystyle \ Delta f = f-f_ {0}}$
• ${\ Displaystyle \ Delta v = - (v _ {\ text {r}} - v _ {\ text {s}})}$ es lo opuesto a la velocidad del receptor con respecto a la fuente: es positivo cuando la fuente y el receptor se mueven uno hacia el otro.

• 

  La fuente de sonido estacionaria produce ondas sonoras a una frecuencia constante f , y los frentes de onda se propagan simétricamente lejos de la fuente a una velocidad constante c. La distancia entre los frentes de onda es la longitud de onda. Todos los observadores escucharán la misma frecuencia, que será igual a la frecuencia real de la fuente donde f = f ₀ .

• 

  La misma fuente de sonido irradia ondas sonoras a una frecuencia constante en el mismo medio. Sin embargo, ahora la fuente de sonido se mueve con una rapidez υ _s = 0,7 c . Dado que la fuente se está moviendo, el centro de cada nuevo frente de onda ahora está ligeramente desplazado hacia la derecha. Como resultado, los frentes de onda comienzan a agruparse en el lado derecho (delante de) y se separan más en el lado izquierdo (detrás) de la fuente. Un observador frente a la fuente escuchará una frecuencia más alta f = c + 0/c - 0,7 c f ₀ = 3.33 f ₀ y un observador detrás de la fuente escuchará una frecuencia más baja f =c - 0/c + 0,7 c f ₀ = 0,59 f ₀ .

• 

  Ahora la fuente se mueve a la velocidad del sonido en el medio ( υ _s = c ). Los frentes de onda frente a la fuente ahora están agrupados en el mismo punto. Como resultado, un observador frente a la fuente no detectará nada hasta que llegue la fuente y un observador detrás de la fuente escuchará una frecuencia más baja f =c - 0/c + c f ₀ = 0,5 f ₀ .

• 

  La fuente de sonido ha superado ahora la velocidad del sonido en el medio y viaja a 1,4 c . Dado que la fuente se mueve más rápido que las ondas de sonido que crea, en realidad lidera el frente de onda que avanza. La fuente de sonido pasará por un observador estacionario antes de que el observador escuche el sonido. Como resultado, un observador frente a la fuente no detectará nada y un observador detrás de la fuente escuchará una frecuencia más baja f =c - 0/c + 1,4 c f ₀ = 0,42 f ₀ .

Consecuencias

Con un observador estacionario en relación con el medio, si una fuente en movimiento emite ondas con una frecuencia real (en este caso, la longitud de onda cambia, la velocidad de transmisión de la onda se mantiene constante; tenga en cuenta que la velocidad de transmisión de la onda no depende sobre la velocidad de la fuente ), entonces el observador detecta ondas con una frecuencia dada por ${\ Displaystyle f_ {0}}$${\ Displaystyle f}$

Un análisis similar para un observador en movimiento y una fuente estacionaria (en este caso, la longitud de onda se mantiene constante, pero debido al movimiento, la tasa a la que el observador recibe ondas y, por lo tanto, la velocidad de transmisión de la onda [con respecto al observador] se cambia) produce la frecuencia observada:

Suponiendo un observador estacionario y una fuente que se mueve a la velocidad del sonido, la ecuación Doppler predice una frecuencia infinita momentánea percibida por un observador frente a una fuente que viaja a la velocidad del sonido. Todos los picos están en el mismo lugar, por lo que la longitud de onda es cero y la frecuencia es infinita. Esta superposición de todas las ondas produce una onda de choque que para las ondas sonoras se conoce como boom sónico .

Cuando la fuente se mueve más rápido que la velocidad de la onda, la fuente supera a la onda. La ecuación da valores de frecuencia negativos , que no tienen sentido físico en este contexto (el observador no oirá ningún sonido hasta que la fuente los pase).

Lord Rayleigh predijo el siguiente efecto en su libro clásico sobre el sonido: si el observador se moviera desde la fuente (estacionaria) al doble de la velocidad del sonido, una pieza musical emitida previamente por esa fuente se escucharía con el tempo y el tono correctos, pero como si se reproduce al revés .

Aplicaciones

Perfilador de corriente acústico Doppler

Un perfilador de corriente Doppler acústico (ADCP) es un medidor de corriente hidroacústica similar a un sonar , que se utiliza para medir las velocidades de la corriente del agua en un rango de profundidad utilizando el efecto Doppler de las ondas sonoras dispersadas desde las partículas dentro de la columna de agua. El término ADCP es un término genérico para todos los perfiladores de corriente acústica, aunque la abreviatura se origina en una serie de instrumentos introducida por RD Instruments en la década de 1980. El rango de frecuencias de trabajo de los ADCP varía de 38  kHz a varios megahercios . El dispositivo utilizado en el aire para perfilar la velocidad del viento utilizando sonido se conoce como SODAR y funciona con los mismos principios subyacentes.

Robótica

La planificación dinámica de trayectorias en tiempo real en robótica para ayudar al movimiento de robots en un entorno sofisticado con obstáculos en movimiento a menudo necesita la ayuda del efecto Doppler. Estas aplicaciones se utilizan especialmente para robótica competitiva donde el entorno cambia constantemente, como el robosoccer.

Sirenas

Una sirena en un vehículo de emergencia que pasa comenzará más alto que su tono estacionario, se deslizará hacia abajo a medida que pasa y continuará más bajo que su tono estacionario a medida que se aleja del observador. El astrónomo John Dobson explicó el efecto así:

La razón por la que la sirena se desliza es porque no te golpea.

En otras palabras, si la sirena se acercara al observador directamente, el tono permanecería constante, en un tono más alto que el estacionario, hasta que el vehículo lo golpeara, y luego saltaría inmediatamente a un nuevo tono más bajo. Debido a que el vehículo pasa por el observador, la velocidad radial no permanece constante, sino que varía en función del ángulo entre su línea de visión y la velocidad de la sirena:

donde es el ángulo entre la velocidad de avance del objeto y la línea de visión desde el objeto hasta el observador. ${\ Displaystyle \ theta}$

Astronomía

El efecto Doppler para ondas electromagnéticas como la luz es de uso generalizado en astronomía para medir la velocidad a la que las estrellas y galaxias se acercan o se alejan de nosotros, lo que resulta en el llamado desplazamiento al azul o al rojo , respectivamente. Esto puede usarse para detectar si una estrella aparentemente única es, en realidad, una binaria cercana , para medir la velocidad de rotación de estrellas y galaxias, o para detectar exoplanetas . Este efecto suele ocurrir a muy pequeña escala; no habría una diferencia notable en la luz visible a simple vista. El uso del efecto Doppler en astronomía depende del conocimiento de las frecuencias precisas de líneas discretas en los espectros de las estrellas.

Entre las estrellas cercanas , las mayores velocidades radiales con respecto al Sol son +308 km / s ( BD-15 ° 4041 , también conocida como LHS 52, 81,7 años luz de distancia) y -260 km / s ( Woolley 9722 , también conocido como Wolf 1106 y LHS 64, a 78,2 años luz de distancia). La velocidad radial positiva significa que la estrella se está alejando del Sol, negativa que se está acercando.

Redshift también se usa para medir la expansión del espacio , pero esto no es realmente un efecto Doppler. Más bien, el desplazamiento al rojo debido a la expansión del espacio se conoce como desplazamiento al rojo cosmológico , que puede derivarse puramente de la métrica de Robertson-Walker bajo el formalismo de la relatividad general . Habiendo dicho esto, también ocurre que no son efectos Doppler detectables en escalas cosmológicas, que, si se interpreta erróneamente como cosmológica en origen, conducir a la observación de las distorsiones desplazamiento hacia el rojo en el espacio .

Radar

El efecto Doppler se utiliza en algunos tipos de radar para medir la velocidad de los objetos detectados. Un rayo de radar se dispara a un objetivo en movimiento, por ejemplo, un automóvil, ya que la policía usa el radar para detectar a los automovilistas a exceso de velocidad, a medida que se acerca o se aleja de la fuente del radar. Cada onda de radar sucesiva tiene que viajar más lejos para llegar al automóvil, antes de reflejarse y volver a detectarse cerca de la fuente. A medida que cada onda tiene que moverse más lejos, la brecha entre cada onda aumenta, aumentando la longitud de onda. En algunas situaciones, el rayo del radar se dispara al automóvil en movimiento a medida que se acerca, en cuyo caso cada onda sucesiva recorre una distancia menor, disminuyendo la longitud de onda. En cualquier situación, los cálculos del efecto Doppler determinan con precisión la velocidad del automóvil. Además, la espoleta de proximidad , desarrollada durante la Segunda Guerra Mundial, se basa en el radar Doppler para detonar explosivos en el momento, altura, distancia, etc. correctos.

Debido a que el desplazamiento Doppler afecta la onda que incide sobre el objetivo, así como la onda reflejada de vuelta al radar, el cambio de frecuencia observado por un radar debido a que un objetivo se mueve a velocidad relativa es el doble que el del mismo objetivo que emite una onda: ${\ Displaystyle \ Delta v}$

Médico

Un ecocardiograma puede, dentro de ciertos límites, producir una evaluación precisa de la dirección del flujo sanguíneo y la velocidad de la sangre y el tejido cardíaco en cualquier punto arbitrario utilizando el efecto Doppler. Una de las limitaciones es que el haz de ultrasonido debe estar lo más paralelo posible al flujo sanguíneo. Las mediciones de velocidad permiten evaluar las áreas y la función de las válvulas cardíacas, las comunicaciones anormales entre el lado izquierdo y derecho del corazón, la fuga de sangre a través de las válvulas (regurgitación valvular) y el cálculo del gasto cardíaco . El ultrasonido de contraste mejorado que usa medios de contraste de microburbujas llenas de gas se puede usar para mejorar la velocidad u otras mediciones médicas relacionadas con el flujo.

Aunque "Doppler" se ha convertido en sinónimo de "medición de velocidad" en imágenes médicas, en muchos casos no es el desplazamiento de frecuencia (desplazamiento Doppler) de la señal recibida lo que se mide, sino el desplazamiento de fase ( cuando llega la señal recibida).

Las mediciones de la velocidad del flujo sanguíneo también se utilizan en otros campos de la ecografía médica , como la ecografía obstétrica y la neurología . La medición de la velocidad del flujo sanguíneo en arterias y venas basada en el efecto Doppler es una herramienta eficaz para el diagnóstico de problemas vasculares como la estenosis .

Medición de flujo

Se han desarrollado instrumentos como el velocímetro láser Doppler (LDV) y el velocímetro Doppler acústico (ADV) para medir velocidades en un flujo de fluido. El LDV emite un haz de luz y el ADV emite una ráfaga acústica ultrasónica y mide el desplazamiento Doppler en las longitudes de onda de los reflejos de las partículas que se mueven con el flujo. El flujo real se calcula en función de la velocidad y la fase del agua. Esta técnica permite mediciones de flujo no intrusivas, con alta precisión y alta frecuencia.

Medición del perfil de velocidad

Desarrollada originalmente para mediciones de velocidad en aplicaciones médicas (flujo sanguíneo), la Velocimetría Doppler Ultrasónica (UDV) puede medir en tiempo real el perfil de velocidad completo en casi cualquier líquido que contenga partículas en suspensión como polvo, burbujas de gas, emulsiones. Los flujos pueden ser pulsantes, oscilantes, laminares o turbulentos, estacionarios o transitorios. Esta técnica es completamente no invasiva.

Satélites

Posibles cambios Doppler en función del ángulo de elevación ( LEO : altitud de la órbita = 750 km). Estación terrestre fija.${\ Displaystyle h}$

Geometría para efectos Doppler. Variables: es la velocidad de la estación móvil, es la velocidad del satélite, es la velocidad relativa del satélite, es el ángulo de elevación del satélite y es la dirección de conducción con respecto al satélite.${\ Displaystyle v _ {\ text {mob}}}$${\ Displaystyle v _ {\ text {Sáb}}}$${\ displaystyle v _ {\ text {rel, sat}}}$${\ Displaystyle \ phi}$${\ Displaystyle \ theta}$

Efecto Doppler en el canal móvil. Variables: es la frecuencia portadora, es el desplazamiento Doppler máximo debido al movimiento de la estación móvil (ver Extensión Doppler ) y es el desplazamiento Doppler adicional debido al movimiento del satélite.${\ Displaystyle f_ {c} = {\ frac {c} {\ lambda _ {\ rm {c}}}}}$${\ Displaystyle f _ {\ rm {D, max}} = {\ frac {v _ {\ rm {mob}}} {\ lambda _ {\ rm {c}}}}}$${\ displaystyle f _ {\ rm {D, sáb}}}$

Navegación satelital

El desplazamiento Doppler se puede aprovechar para la navegación por satélite , como en Transit y DORIS .

Comunicación por satélite

El Doppler también debe compensarse en las comunicaciones por satélite . Los satélites que se mueven rápidamente pueden tener un desplazamiento Doppler de docenas de kilohercios en relación con una estación terrestre. La velocidad, por tanto la magnitud del efecto Doppler, cambia debido a la curvatura terrestre. La compensación dinámica de Doppler, donde la frecuencia de una señal cambia progresivamente durante la transmisión, se utiliza para que el satélite reciba una señal de frecuencia constante. Después de darse cuenta de que el cambio Doppler no se había considerado antes del lanzamiento de la sonda Huygens de la misión Cassini-Huygens 2005 , la trayectoria de la sonda se alteró para acercarse a Titán de tal manera que sus transmisiones viajaron perpendicularmente a su dirección de movimiento en relación con Cassini. reduciendo en gran medida el desplazamiento Doppler.

El desplazamiento Doppler de la trayectoria directa se puede estimar mediante la siguiente fórmula:

donde es la velocidad de la estación móvil, es la longitud de onda de la portadora, es el ángulo de elevación del satélite y es la dirección de conducción con respecto al satélite. ${\ Displaystyle v _ {\ text {mob}}}$${\ Displaystyle \ lambda _ {\ rm {c}}}$${\ Displaystyle \ phi}$${\ Displaystyle \ theta}$

El desplazamiento Doppler adicional debido al movimiento del satélite se puede describir como:

donde es la velocidad relativa del satélite. ${\ displaystyle v _ {\ rm {rel, sat}}}$

Audio

El altavoz Leslie , más comúnmente asociado y utilizado predominantemente con el famoso órgano Hammond , aprovecha el efecto Doppler mediante el uso de un motor eléctrico para hacer girar una bocina acústica alrededor de un altavoz, enviando su sonido en un círculo. Esto da lugar al oído del oyente en frecuencias rápidamente fluctuantes de una nota del teclado.

Medida de vibraciones

Un vibrómetro láser Doppler (LDV) es un instrumento sin contacto para medir la vibración. El rayo láser del LDV se dirige a la superficie de interés, y la amplitud y frecuencia de la vibración se extraen del desplazamiento Doppler de la frecuencia del rayo láser debido al movimiento de la superficie.

Biología del desarrollo

Durante la segmentación de los embriones de vertebrados , las ondas de expresión génica barren el mesodermo presomítico , el tejido a partir del cual se forman los precursores de las vértebras ( somitas ). Se forma un nuevo somita al llegar una onda en el extremo anterior del mesodermo presomítico. En el pez cebra , se ha demostrado que el acortamiento del mesodermo presomítico durante la segmentación conduce a un efecto similar al Doppler a medida que el extremo anterior del tejido se mueve hacia las ondas. Este efecto contribuye al período de segmentación.

Efecto Doppler inverso

Desde 1968, científicos como Victor Veselago han especulado sobre la posibilidad de un efecto Doppler inverso. El tamaño del desplazamiento Doppler depende del índice de refracción del medio por el que viaja una onda. Pero algunos materiales son capaces de refracción negativa , lo que debería conducir a un desplazamiento Doppler que funciona en una dirección opuesta a la del desplazamiento Doppler convencional. El primer experimento que detectó este efecto fue realizado por Nigel Seddon y Trevor Bearpark en Bristol , Reino Unido en 2003. Posteriormente, se observó el efecto Doppler inverso en algunos materiales no homogéneos y se predijo dentro del cono de Vavilov-Cherenkov.

Ver también

Fuentes primarias

Referencias

Otras lecturas

• Doppler, C. (1842). Über das farbige Licht der Doppelsterne und einiger anderer Gestirne des Himmels (Acerca de la luz coloreada de las estrellas binarias y algunas otras estrellas del cielo) . Editorial: Abhandlungen der Königl. Böhm. Gesellschaft der Wissenschaften (V. Folge, Bd. 2, S. 465–482) [Actas de la Real Sociedad de Ciencias de Bohemia (Parte V, Vol 2)]; Praga: 1842 (reeditado en 1903). Algunas fuentes mencionan 1843 como año de publicación porque en ese año el artículo fue publicado en las Actas de la Sociedad de Ciencias de Bohemia. El propio Doppler se refirió a la publicación como "Prag 1842 bei Borrosch und André", porque en 1842 tenía impresa una edición preliminar que distribuía de forma independiente.
• "Doppler y el efecto Doppler", EN da C. Andrade, Endeavour Vol. XVIII No. 69, enero de 1959 (publicado por ICI Londres). Relación histórica del artículo original de Doppler y desarrollos posteriores.
• David Nolte (2020). La caída y subida del efecto Doppler. Physics Today, v. 73, págs. 31 - 35. DOI: 10.1063 / PT.3.4429
• Adrian, Eleni (24 de junio de 1995). "Efecto Doppler" . NCSA . Archivado desde el original el 12 de mayo de 2009 . Consultado el 13 de julio de 2008 .

enlaces externos

• Medios relacionados con el efecto Doppler en Wikimedia Commons
• Efecto Doppler , ScienceWorld