Efecto Doppler
Perfilador acústico de corrientes Doppler
Un perfilador acústico de corrientes Doppler (ADCP) es un medidor hidroacústico de corrientes similar a un sonar, utilizado para medir las velocidades de las corrientes de agua en un rango de profundidad utilizando el efecto Doppler de las ondas sonoras dispersadas por las partículas de la columna de agua. El término ADCP es un término genérico para todos los perfiladores acústicos de corriente, aunque la abreviatura tiene su origen en una serie de instrumentos introducidos por RD Instruments en la década de 1980. El rango de frecuencias de trabajo de los ADCPs va desde 38 kHz hasta varios Megahercios. El dispositivo utilizado en el aire para el perfilado de la velocidad del viento mediante el sonido se conoce como SODAR y funciona con los mismos principios subyacentes.
RobóticaEditar
La planificación dinámica de la trayectoria en tiempo real en robótica para ayudar al movimiento de los robots en un entorno sofisticado con obstáculos en movimiento a menudo toma la ayuda del efecto Doppler. Este tipo de aplicaciones se utilizan especialmente en la robótica de competición, donde el entorno cambia constantemente, como el robosoccer.
SirenasEditar
Play media
Una sirena de un vehículo de emergencia que pasa comenzará más alta que su tono estacionario, se deslizará hacia abajo mientras pasa, y continuará más baja que su tono estacionario mientras 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 directamente al observador, el tono se mantendría constante, en un tono más alto que el estacionario, hasta que el vehículo lo golpeara, y entonces saltaría inmediatamente a un nuevo tono más bajo. Como el vehículo pasa junto al 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:
v radial = v s ⋅ cos θ {\displaystyle v_{text{radial}}=v_{text{s}{cdot \cos {\theta }}
donde θ {\displaystyle \theta }
es el ángulo entre la velocidad de avance del objeto y la línea de visión del objeto al observador.
AstronomíaEditar
El efecto Doppler para las ondas electromagnéticas, como la luz, es de gran utilidad en astronomía y da lugar al llamado corrimiento al rojo o al azul. Se ha utilizado para medir la velocidad a la que las estrellas y las galaxias se acercan o se alejan de nosotros, es decir, sus velocidades radiales. Esto puede servir para detectar si una estrella aparentemente única es, en realidad, una binaria cercana, para medir la velocidad de rotación de las estrellas y galaxias, o para detectar exoplanetas. Este corrimiento al rojo y al azul se produce a una escala muy pequeña. Si un objeto se moviera hacia la Tierra, no habría una diferencia perceptible en la luz visible, a simple vista.
Nótese que el corrimiento al rojo también se utiliza para medir la expansión del espacio, pero que esto no es realmente un efecto Doppler. Más bien, el corrimiento al rojo debido a la expansión del espacio se conoce como corrimiento al rojo cosmológico, que puede derivarse puramente de la métrica de Robertson-Walker bajo el formalismo de la Relatividad General. Dicho esto, también ocurre que hay efectos Doppler detectables a escalas cosmológicas, que, si se interpretan incorrectamente como de origen cosmológico, conducen a la observación de distorsiones del espacio por corrimiento al rojo.
El uso del efecto Doppler para la luz en astronomía depende de nuestro conocimiento de que los espectros de las estrellas no son homogéneos. Presentan líneas de absorción a frecuencias bien definidas que están correlacionadas con las energías necesarias para excitar los electrones de varios elementos de un nivel a otro. El efecto Doppler se reconoce en el hecho de que las líneas de absorción no siempre están en las frecuencias que se obtienen del espectro de una fuente de luz estacionaria. Dado que la luz azul tiene una frecuencia más alta que la luz roja, las líneas espectrales de una fuente de luz astronómica que se acerca presentan un desplazamiento azul y las de una fuente de luz astronómica que se aleja presentan un desplazamiento rojo.
Entre las estrellas cercanas, las mayores velocidades radiales con respecto al Sol son de +308 km/s (BD-15°4041, también conocida como LHS 52, a 81,7 años luz) y -260 km/s (Woolley 9722, también conocida como Wolf 1106 y LHS 64, a 78,2 años luz). Una velocidad radial positiva significa que la estrella se está alejando del Sol, y una negativa que se está acercando.
RadarEdit
El efecto Doppler se utiliza en algunos tipos de radar, para medir la velocidad de los objetos detectados. Un haz de radar se dispara hacia un objetivo en movimiento -por ejemplo, un coche, ya que la policía utiliza el radar para detectar a los conductores que van a gran velocidad- a medida que se acerca o se aleja de la fuente de radar. Cada onda de radar sucesiva tiene que viajar más lejos para llegar al coche, antes de ser reflejada y detectada de nuevo cerca de la fuente. A medida que cada onda tiene que desplazarse más lejos, el espacio entre cada onda aumenta, incrementando la longitud de onda. En algunas situaciones, el haz de radar se dispara hacia el coche en movimiento a medida que se acerca, en cuyo caso cada onda sucesiva recorre una distancia menor, disminuyendo la longitud de onda. En cualquiera de las dos situaciones, los cálculos del efecto Doppler determinan con precisión la velocidad del coche. Además, la espoleta de proximidad, desarrollada durante la Segunda Guerra Mundial, se basa en el radar Doppler para detonar los explosivos en el momento, la altura, la distancia, etc. correctos.
Debido a que el desplazamiento doppler afecta tanto a la onda que incide sobre el objetivo como a la onda que se refleja en el radar, el cambio de frecuencia observado por un radar debido a un objetivo que se mueve a una velocidad relativa Δ v {\displaystyle \\NDelta v}
es el doble que el del mismo objetivo que emite una onda: Δ f = 2 Δ v c f 0 {\displaystyle \Delta f={frac {2\Delta v}{c}f_{0}}
.
MedicalEdit
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 ultrasonidos debe ser lo más paralelo posible al flujo sanguíneo. Las mediciones de la velocidad permiten evaluar las áreas y la función de las válvulas cardíacas, las comunicaciones anormales entre el lado izquierdo y el derecho del corazón, las fugas de sangre a través de las válvulas (regurgitación valvular) y el cálculo del gasto cardíaco. La ecografía con contraste que utiliza medios de contraste de microburbujas llenas de gas puede utilizarse para mejorar la velocidad u otras mediciones médicas relacionadas con el flujo.
Aunque «Doppler» se ha convertido en sinónimo de «medición de la velocidad» en la imagen médica, en muchos casos no se mide el desplazamiento de frecuencia (desplazamiento Doppler) de la señal recibida, sino el desplazamiento de fase (cuando llega la señal recibida).
La medición de la velocidad del flujo sanguíneo también se utiliza 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 del flujoEditar
Se han desarrollado instrumentos como el velocímetro Doppler láser (LDV), y el velocímetro Doppler acústico (ADV) para medir las velocidades en un flujo de fluidos. El LDV emite un haz de luz y el ADV emite una ráfaga acústica ultrasónica, y miden el desplazamiento Doppler en las longitudes de onda de las reflexiones 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 realizar mediciones de flujo no intrusivas, con alta precisión y alta frecuencia.
Medición del perfil de velocidadEditar
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 totalmente no invasiva.
SatélitesEdit
 Posibles desplazamientos Doppler en dependencia del ángulo de elevación (LEO: altitud de la órbita h {\displaystyle h}
 = 750 km). Estación terrestre fija. |
 Geometría para efectos Doppler. Variables: v m o b {\displaystyle v_{mob}}
 es la velocidad de la estación móvil, v S a t {{displaystyle v_{Sat}}  es la velocidad del satélite, v r e l , s a t {{displaystyle v_{rel,sat}}  es la velocidad relativa del satélite, ϕ {\displaystyle \phi }  es el ángulo de elevación del satélite y θ {\displaystyle \theta } es la dirección de conducción con respecto al satélite. |
 Efecto Doppler en el canal móvil. Variables: f c = c λ c {\displaystyle f_{c}={frac {c}{lambda _{rm {c}}}}}
 es la frecuencia de la portadora, f D , m a x = v m o b λ c {\displaystyle f_{\rm {D,max}}={\frac {v_{\rm {mob}} {\lambda _{\rm {c}}}}}  } es el máximo desplazamiento Doppler debido al movimiento de la estación móvil (ver Dispersión Doppler) y f D , S a t {{displaystyle f_{rm {D,Sat}}.  es el desplazamiento Doppler adicional debido al movimiento del satélite. |
Navegación por satéliteEditar
El desplazamiento Doppler puede ser aprovechado para la navegación por satélite como en Transit y DORIS.
Comunicación por satéliteEditar
El efecto Doppler también debe ser compensado en la comunicación por satélite. Los satélites que se mueven rápidamente pueden tener un desplazamiento Doppler de decenas de kilohercios con respecto a una estación terrestre. La velocidad, y por tanto la magnitud del efecto Doppler, cambia debido a la curvatura de la Tierra. Para que el satélite reciba una señal de frecuencia constante, se utiliza la compensación dinámica del efecto Doppler, que consiste en modificar progresivamente la frecuencia de la señal durante la transmisión. Tras darse cuenta de que no se había tenido en cuenta el desplazamiento Doppler antes del lanzamiento de la sonda Huygens de la misión Cassini-Huygens de 2005, se modificó la trayectoria de la sonda para que se acercara a Titán de forma que sus transmisiones viajaran perpendiculares a su dirección de movimiento con respecto a Cassini, reduciendo en gran medida el desplazamiento Doppler.
El desplazamiento Doppler de la trayectoria directa puede estimarse mediante la siguiente fórmula:
f D , d i r = v m o b λ c cos ϕ cos θ {\displaystyle f_{{rm {D,dir}}={frac {v_{rm {mob}}{lambda _{rm {c}}}}\cos \phi \cos \theta }
donde v m o b {{desplegable}}} {{lambda} {{c}}}}} {cos \phi \theta}}
donde v m o b {{desplegable}} {{desplegable}}
es la longitud de onda de la portadora, ϕ {\displaystyle \phi }
es el ángulo de elevación del satélite y θ {\displaystyle \theta }
es la dirección de conducción con respecto al satélite.
El desplazamiento Doppler adicional debido al movimiento del satélite puede describirse como:
f D , s a t = v r e l , s a t λ c {{displaystyle f_{rm {D,sat}}={frac {v_{rm {rel,sat}}{lambda _{rm {c}}}}}
donde v r e l , s a t a d e s e r v i s t a d o r e s d e v a l o r , s a n t e l a s c o n s t r u c c i o n e s d e v a l o r , s a t a n t e s d e v a l o r e s d e v a l o r , s a n t e l a s c o n s t r u c c i o n e s d e v a l o r , s a n t e l a s c o n s t r u c c i o n e s
AudioEdit
El altavoz Leslie, más comúnmente asociado y predominantemente utilizado con el famoso órgano Hammond, aprovecha el efecto Doppler utilizando un motor eléctrico para girar una bocina acústica alrededor de un altavoz, enviando su sonido en un círculo. Esto da como resultado en el oído del oyente las frecuencias rápidamente fluctuantes de una nota del teclado.
Medición de la vibraciónEditar
Un vibrómetro Doppler láser (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 la frecuencia de la vibración se extraen del desplazamiento Doppler de la frecuencia del rayo láser debido al movimiento de la superficie.
Biología del desarrolloEditar
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). Al llegar una onda al extremo anterior del mesodermo presomítico se forma un nuevo somito. En el pez cebra, se ha demostrado que el acortamiento del mesodermo presomítico durante la segmentación provoca un efecto Doppler a medida que el extremo anterior del tejido se desplaza hacia las ondas. Este efecto Doppler contribuye al periodo de segmentación.