vivimos inmersos en un mundo lleno de sonidos: fuertes, débiles, agradables, desagradables, agudos, graves, etcétera. El sonido es una onda que viaja a través de un medio de transmisión que puede ser gaseoso como el aire, líquido como el agua o sólido como una puerta de madera. Si no hay medio de transmisión, no existe el sonido: el espacio exterior es totalmente silencioso.

Como toda onda, el sonido posee una frecuencia que corresponde al número de ciclos que pasan cada segundo por un punto determinado. Esto hace que la unidad para medir la frecuencia de las ondas sonoras sea ciclos por segundo, mismo que se abrevia ciclos/seg. A esta unidad también se le llama hertz. Los sonidos o tonos agudos –como el de una flauta piccolo– poseen una frecuencia alta, mientras que los tonos graves –como el de una tuba– tienen una frecuencia baja. No se debe olvidar que el oído  humano  tiene   una   capacidad   limitada   de   detección   de   sonidos,   de   20  a 20 000 ciclos por segundo. Existen animales cuya capacidad auditiva detecta sonidos por debajo de los 20 ciclos por segundo (infrasonido) –como el elefante–, o por arriba de los 20 000 ciclos por segundo (ultrasonido) –como el murciélago y el delfín.

Todos hemos oído desde un punto fijo, el cambio aparente en el tono o frecuencia del sonido que emite un claxon o la sirena de una ambulancia que se desplaza rápidamente, acercándose, pasando enfrente y alejándose de nosotros. Es necesario que el tono del claxon o la sirena no cambie con el tiempo, que sea constante. Si no te has dado cuenta de este fenómeno, te invitamos a que la próxima vez que escuches la sirena de una ambulancia, lo compruebes.

Hacia 1842, el físico, matemático y astrónomo austriaco Christian Doppler (1803-1853) explicó que el cambio aparente de tono o frecuencia se da cuando la fuente que emite el sonido, se mueve acercándose o alejándose de un observador en una posición fija. No obstante, ese tono o frecuencia es constante si se escucha junto a la fuente emisora. La explicación de ello es la siguiente:

Cuando la fuente se aproxima, las ondas sonoras se van acercando o aglutinando entre sí, por lo que la frecuencia del sonido que escucha el observador aumenta, y esto hace que el sonido sea más agudo. En contraste, cuando la fuente sonora se aleja, las ondas sonoras se separan entre sí, por lo que la frecuencia del sonido que llega al observador disminuye, haciéndolo más grave. Cuando la fuente pasa por enfrente del observador, el sonido se escucha como si la fuente sonora estuviera en reposo. Es importante hacer notar que este efecto también se produce si el observador está en movimiento y la fuente de sonido en reposo: lo que importa es el movimiento relativo entre las dos partes.

En 1845, el meteorólogo y fisicoquímico neerlandés C. H. D. Buys Ballot (1817-1890) realizó un ingenioso experimento que confirmó la explicación dada por Doppler. Utilizó un tren para transportar a trompetistas profesionales que tocaron una sola nota en forma constante, mientras que otro conjunto de músicos con muy buen oído fueron dispuestos en un punto fijo al lado de las vías a fin de escuchar los cambios aparentes en el tono que producían los trompetistas. Buys Ballot corroboró que el sonido detectado se agudizaba al acercarse el tren, mientras que se hacía más grave al alejarse, con lo que comprobó el efecto Doppler.

Una forma sencilla de explicar este fenómeno es imaginarnos que desde un tren que se mueve a velocidad constante, una persona auxiliada con un dispositivo de cierta potencia, lanza pelotas a un ritmo o frecuencia constante, digamos una pelota cada tres segundos, hacia un observador que se mantiene en una posición fija. Cuando el tren se aproxima al observador, las pelotas tardan poco menos de 3 segundos en llegar al puesto de observación ya que al acercarse a éste, la distancia recorrida por las pelotas es menor. Esto hace que conforme se acerca el tren, la frecuencia de las pelotas medida desde el punto de observación sea cada vez menor a los 3 segundos. Por lo tanto, al receptor le parecerá más rápido el ritmo de lanzamiento. Del mismo modo, cuando el tren se aleja, las pelotas tardan cada vez un poco más en llegar al observador, ya que deben recorrer una distancia mayor, con lo que la frecuencia de llegada que mide el receptor es mayor a 3 segundos, es decir que el ritmo es cada vez más lento. Si se pudiera cuantificar el cambio decadencia o ritmo en el lanzamiento de las pelotas, el observador podría calcular la rapidez del tren en el que se encuentra el lanzador. Por cierto, este principio es empleado por los radares, para medir la velocidad de los vehículos que transitan en avenidas o carreteras.

Asimismo, Doppler planteó la posibilidad de aplicar este efecto a la luz proveniente de una estrella, considerando que la luz también es una onda. El físico francés Armand Fizeau (1819-1896) sostuvo que el efecto Doppler es válido en el desplazamiento de todo tipo de ondas en movimiento, desde luego, incluyendo la luz.

Respecto a la aplicación del efecto Doppler en la astronomía, conviene recordar que la espectrografía permite conocer los elementos básicos que constituyen una estrella. La huella de la estrella se forma con las líneas de emisión y absorción que se identifican sobre el espectro luminoso de la luz de la estrella en estudio. Estas líneas corresponden a los elementos presentes en ella.

Al aplicar ese efecto al firmamento, es posible saber si una estrella se mantiene estática con respecto a la Tierra. Cuando se analiza el espectro de la luz de esa estrella, se encuentra que las líneas de dicho espectro permanecen en el mismo sitio. Pero si la estrella se aleja de la Tierra, las ondas luminosas observadas van disminuyendo su frecuencia (equivalente al tono grave) por lo que las líneas de su espectro luminoso se desplazan hacia el extremo rojo del espectro, que corresponde al extremo de menor frecuencia del espectro visible. Por el contrario, si la estrella se está acercando, la luz que se recibe se observa con una frecuencia mayor (equivalente al tono agudo), y las líneas del espectro luminoso se aproximan más al violeta, que es el extremo de mayor frecuencia de esta región. La aplicación del efecto Doppler a la astronomía constituye una poderosa herramienta en el estudio del universo.

Este efecto también se aplica en la medicina para medir el flujo sanguíneo y determinar sus anomalías. ♦