Efecto Doppler

Cambio de frecuencia percibida por movimiento relativo entre fuente y receptor.

Contexto conceptual

Cuando una ambulancia pasa a toda velocidad junto a un observador, el tono de la sirena sube al acercarse y baja al alejarse. La ambulancia no cambia de frecuencia en ningún momento: el efecto es perceptivo, no de la fuente. Este cambio aparente de frecuencia por movimiento relativo entre emisor y receptor recibe el nombre de efecto Doppler, y es uno de los fenómenos ondulatorios más generales de la física: aparece en sonido, luz, ondas de radio y cualquier otro tipo de onda que se propague a una velocidad finita por un medio o en el vacío.

El mecanismo físico es geométrico y directo. Una fuente sonora en movimiento comprime los frentes de onda delante de ella y los estira detrás. Un receptor en movimiento intercepta más frentes de onda por segundo cuando avanza hacia ellos o menos cuando se aleja. En los dos casos, el resultado es una frecuencia percibida $f_{obs}$ distinta de la frecuencia emitida $f_s$.

Comprender el efecto Doppler no es solo un ejercicio académico: es la base física del radar de velocidad en carretera, de la ecografía Doppler cardiaca, del sonar de navegación submarina y de la medición de velocidades de estrellas y galaxias.

🟢 Nivel esencial

Cuando una fuente sonora se acerca al receptor, los frentes de onda se apilan uno encima del otro: llegan con mayor frecuencia de la que son emitidos. El tono sube. Cuando la fuente se aleja, los frentes de onda se estiran: llegan con menor frecuencia. El tono baja.

Lo mismo ocurre si es el receptor quien se mueve: acercarse a una fuente sonora fija equivale a interceptar más frentes de onda por segundo, y alejarse, interceptar menos.

El factor clave es la velocidad relativa radial entre fuente y receptor respecto a la velocidad de propagación del sonido en el medio $v$. Cuanto mayor es esa velocidad relativa como fracción de $v$, mayor es el desplazamiento de frecuencia $\Delta f$.

[!NOTE] El efecto Doppler clásico no es simétrico: una fuente que se acerca a un receptor fijo produce un cambio de frecuencia distinto al de un receptor que se acerca a una fuente fija, incluso si la velocidad relativa es la misma. Esto contrasta con el efecto Doppler relativista (para la luz), donde solo importa la velocidad relativa entre fuente y receptor.

La regla práctica: si la fuente y el receptor se acercan, $f_{obs}$ mayor que $f_s$; si se alejan, $f_{obs}$ menor que $f_s$; si están en reposo relativo, $f_{obs}$ igual a $f_s$.

🔵 Nivel formal

Fórmulas básicas

La fórmula general del efecto Doppler relaciona todas las velocidades en juego:

Fórmula general del efecto Doppler

donde el convenio de signos estándar es:

• $v_r$ positivo cuando el receptor se mueve hacia la fuente
• $v_s$ positivo cuando la fuente se mueve acercándose al receptor

Para el caso más común de receptor fijo y fuente en movimiento:

Efecto Doppler con fuente móvil y receptor fijo

Para el caso de fuente fija y receptor en movimiento:

Efecto Doppler con receptor móvil y fuente fija

Preguntas reales del alumno

¿Por qué no basta con la velocidad relativa?

Porque el sonido se propaga respecto al medio. Mover la fuente cambia la separación espacial entre frentes; mover el receptor cambia cuántos frentes atraviesa por segundo.

¿El boom sónico es una frecuencia muy alta?

No. Es una onda de choque asociada a una fuente supersónica. En ese régimen $f_{obs}$ como frecuencia periódica frontal deja de ser una magnitud bien definida.

Síntesis final

El efecto Doppler es la modificación de la frecuencia percibida por movimiento relativo entre fuente y receptor. La relación general encapsula dos mecanismos: compresión de frentes por fuente móvil e intercepción acelerada por receptor móvil. El convenio de signos es la clave práctica, y $v_s$ igual a $v$ marca el límite físico del modelo.