6.1.2: La Simulación del Efecto Doppler

Esta simulación mira el efecto Doppler para el sonido; el círculo negro es la fuente y el círculo rojo es el receptor. El tiempo se mide en centisegundos (\(10^{-2}\text{ s}\)), las distancias son en metros. Un efecto similar ocurre para la luz pero en ese caso la fuente y el receptor no pueden viajar más rápido que la velocidad de onda (la velocidad de la luz).

Preguntas de Simulación:

1. Haga clic en el botón de reproducción para ver una fuente y un receptor estacionarios (Animación 1). Restablecer y usar los botones de pausa y paso para verificar que el periodo en el receptor (tiempo transcurrido desde que una onda llega al receptor hasta que la siguiente lo alcanza) es\(5.0\times 10^{-3}\text{ s}\). ¿Cuál es la frecuencia de esta onda?
2. Después de que haya varias ondas en la simulación, haga una pausa y utilice el ratón para encontrar la longitud de onda (distancia entre dos crestas sucesivas). ¿Cuáles son la longitud de onda y la velocidad de la onda (longitud de onda/período)?
3. Ahora mira Animación 2, donde se mueve el receptor. Usa el botón de paso anterior para encontrar el periodo (tiempo entre crestas) medido por el receptor móvil cuando está a la derecha de la fuente (moviéndose hacia la fuente). ¿Cuál es la frecuencia en el receptor si se está moviendo hacia la fuente?
4. Cuando el receptor llega a la izquierda de la fuente (alejándose de la fuente) pausa la simulación y mide el periodo. ¿Cuál es la frecuencia en el receptor si se aleja de la fuente?
5. Ahora mira Animación 3 que muestra la fuente moviéndose pero el receptor estacionario. Nuevamente encuentra la frecuencia mientras la fuente está a la izquierda, moviéndose hacia el receptor y la frecuencia cuando está a la derecha alejándose.

Preguntas Avanzadas:

La animación 4 muestra los efectos de una fuente móvil y un observador en movimiento al mismo tiempo. La ecuación para el desplazamiento Doppler tanto con una fuente móvil como con un observador viene dada por\(f'=f(v\pm v_{o})/(v\mp v_{s})\) dónde\(f'\) está la frecuencia recibida,\(f\) es la frecuencia original,\(v\) es la velocidad de la onda,\(v_{o}\) es la velocidad del observador y\(v_{s}\) es la velocidad de la fuente. Los signos superiores en la ecuación se usan si el observador o la fuente se mueven uno hacia el otro y los signos inferiores se usan si cualquiera de los dos objetos se aleja del otro (así que si el observador se mueve hacia la fuente pero la fuente se aleja del observador, la ecuación a usar es\(f'=f(v+v_{o})/(v+v_{s})\) ).

1. Para el caso del receptor móvil y la fuente estacionaria (\(v_{s}=0\)) usa la frecuencia original que encontraste en la pregunta uno, la frecuencia desplazada (\(f'\)) que encontraste en la pregunta tres y la velocidad del sonido que encontraste en dos para encontrar la velocidad del observador.
2. La animación 5 muestra una fuente moviéndose más rápido que la velocidad de la onda de sonido. En este caso todas las crestas de onda llegan juntas formando una onda de choque o “boom sónico”. ¿Por qué esto no puede suceder en el caso de la luz de una fuente de luz móvil?
3. Las ondas electromagnéticas también sufrirán un desplazamiento Doppler excepto que la velocidad relativa entre la fuente y el observador nunca puede ser mayor que la velocidad de la luz y la fórmula para calcular el desplazamiento es ligeramente diferente. Para las ondas electromagnéticas tenemos\(f' = f((c + v)/(c - v))^{1/2}\) donde\(v\) está la velocidad relativa entre el observador y la fuente (positiva si se acercan y negativa si se están alejando entre sí) y\(c\) es la velocidad de la luz.
4. Si se conoce la velocidad de la onda y se conocen las frecuencias originales y recibidas, se puede encontrar la velocidad de la fuente u observador. Explica cómo podrías determinar la velocidad de un automóvil o tormenta eléctrica rebotando radio o microondas fuera de ellos. (El radar policial y el rastreo de tormentas eléctricas utilizan el Efecto Doppler).
5. Si un automóvil pasa con su radio a todo volumen, escuchamos fácilmente el cambio Doppler para obtener sonido a medida que pasa el automóvil (el sonido parece cambiar de un tono que es demasiado alto a uno que es demasiado bajo). (Nota: Estamos hablando del cambio de tono, no del cambio de volumen.) Pero si un auto pasa con sus luces encendidas no notamos el cambio Doppler para la luz (el color no parece cambiar hacia las frecuencias rojas). Explique por qué esto es así. (Pista: Intente conectar algunos números para la velocidad de un automóvil en la ecuación para el cambio Doppler para la luz).
6. Si un astrónomo nota que el espectro de colores provenientes de una estrella se desplaza hacia el extremo rojo del espectro (las frecuencias son más bajas de lo que deberían ser) ¿qué puede concluir sobre el movimiento de la estrella en relación con la tierra? (Esta es una de las pruebas de que el universo se está expandiendo; casi todas las estrellas y galaxias que nos rodean se están alejando de nosotros).

Resumen del Capítulo Siete

Las ondas (de todo tipo): reflejarán (difusas o especulares) en el mismo ángulo cuando chocan con una superficie sólida; se doblarán si su velocidad cambia (refracción); se doblan si se topan con un objeto o abertura que está cerca del mismo tamaño que la longitud de onda (difracción); cambiar la frecuencia (¡NO sonoridad!) si la fuente o el receptor se están moviendo (desplazamiento Doppler). Dos ondas pueden agregar constructiva o destructivamente para dar una ola con mayor amplitud (sonido más fuerte o luz más brillante) o cancelación de sonido, ondas estacionarias, latidos, interferencia (colores en burbujas de jabón, alas de polilla, plumas de pájaro).

Preguntas sobre el comportamiento de las olas:

1. Dar una definición de la ley de reflexión.
2. ¿Las ondas sonoras obedecen a la ley de la reflexión? Explique.
3. Un policía tiene una nueva pistola de sonido que aturde al delincuente. Pueden ver a su sospechoso que está a la vuelta de la esquina, reflejado en un espejo. ¿Debería simplemente apuntar a la imagen del objetivo en el espejo? Explique.
4. Los camiones a veces tienen un letrero en la parte posterior que dice “Si no me puedes ver en mi espejo, no te puedo ver”. Explique la física aquí.
5. ¿Por qué la imagen en un espejo se invierte de izquierda a derecha pero no de arriba a abajo? (Un dibujo podría ayudar a tu explicación.)
6. Algunas ventanas del escaparate están inclinadas por lo que la parte inferior está más adentro y la parte superior sale hacia la calle. Explique cómo esto ayudaría a reducir el deslumbramiento en un día brillante. (Un dibujo podría ayudar a tu explicación.)
7. ¿Cuál es la diferencia entre la reflexión difusa y la reflexión especular?
8. ¿Por qué los acabados mate para fotos y libros son generalmente mejores que los acabados brillantes?
9. ¿Por qué los estudios de sonido suelen tener las paredes cubiertas con espuma en forma de cartón de huevo?
10. ¿Por qué es más difícil ver el camino de noche bajo la lluvia?
11. Dar una definición de la ley de la refracción, explicando la diferencia entre reflexión y refracción.
12. ¿Cómo depende la refracción de la velocidad de una ola?
13. Dé algunos ejemplos de objetos comunes y cotidianos que utilizan la refracción para operar.
14. ¿Por qué las imágenes son borrosas bajo el agua si no tienes gafas?
15. ¿Por qué las imágenes no son borrosas bajo el agua si llevas gafas?
16. Si un pez usaba gafas para llegar por encima de la superficie, ¿por qué querría tener gafas llenas de agua?
17. Si colocas un tubo de ensayo de vidrio en agua aún puedes verlo pero si lo colocas en aceite de soja desaparece. ¿Qué te dice esto sobre la velocidad de la luz en vidrio, agua y aceite de soya?
18. Si quieres lanzar un pez bajo el agua desde la orilla ¿debes apuntar debajo de él, hacia él o por encima de ella? Explique.
19. Si quieres zap un pez con un láser, ¿deberías apuntar debajo de él, a él o por encima de él? Explique.
20. ¿Por qué un estanque o lago con agua muy clara se ve menos profunda de lo que realmente es? Explique usando un diagrama.
21. Supongamos que el color X se dobla más al pasar por el vidrio que el color Y. ¿Cuál se mueve más despacio en
22. ¿Qué es la reflexión interna total? ¿Cuándo ocurre?
23. ¿Qué dispositivos modernos depende de la reflexión interna total?
24. En un día ventoso, ¿por qué puedes escuchar a alguien claramente si está a favor del viento pero no puede escucharlo también si está a favor del viento?
25. ¿Por qué es difícil escuchar a alguien al otro lado de un lago durante el día cuando el aire sobre el lago es fresco pero muy fácil escuchar voces por la noche cuando el aire sobre el lago es más cálido que el aire más alto? (Pista: el sonido viaja más rápido en el aire más cálido.)
26. El término 'relámpago de calor' a veces se usa para describir relámpagos que podemos ver a distancia pero no escuchar. ¿Por qué no lo escuchamos como un rayo ordinario? (Pista: Piense en la pregunta anterior.)
27. ¿Qué es la dispersión y qué la causa? Dé un ejemplo.
28. ¿Qué es la interferencia constructiva y destructiva? ¿Cuándo ocurre cada uno?
29. ¿Explicar cómo la diferencia de ruta causa interferencias constructivas y destructivas?
30. Explique cómo ocurre el fenómeno de los latidos.
31. ¿Por qué algunas plumas de ave parecen ser iridiscentes, cambiando de color cuando se ven desde diferentes ángulos?
32. ¿Qué causa los diferentes colores en un disco CD?
33. ¿Qué causa los diferentes colores en una burbuja de jabón?
34. Supongamos que está parado directamente frente a un par de altavoces estéreo. ¿Por qué esperarías que el sonido no fuera tan fuerte si te mueves ligeramente hacia la izquierda o hacia la derecha?
35. ¿Qué es la difracción? Dar algunos ejemplos.
36. ¿En qué circunstancias espera ver los efectos de la difracción?
37. ¿Por qué puedes escuchar el sonido de la otra habitación, incluso cuando no puedes ver dentro de la habitación?
38. ¿Por qué la luz no se dobla cuando pasa por una puerta pero el sonido sí?
39. ¿Qué es la dispersión?
40. ¿Por qué el cielo es azul?
41. ¿Qué es el efecto Doppler?
42. Un amigo escucha pasar una ambulancia y dice que este es un ejemplo del efecto Doppler porque el sonido se hizo más fuerte y luego más suave. Corrige la definición equivocada de tu amigo del efecto Doppler.
43. Dé un ejemplo del efecto Doppler para la luz y otro para el sonido.
44. ¿El desplazamiento Doppler depende de si la fuente o el receptor se están moviendo?
45. ¿La velocidad de la onda cambia cuando hay un cambio Doppler? Explique.
46. Podemos escuchar fácilmente el cambio Doppler de un automóvil que pasa por aquí pero no notamos el desplazamiento Doppler de luz desde sus faros. ¿Por qué es eso?
47. Originalmente el radar solo se usaba para encontrar la distancia a un avión o nube de tormenta midiendo cuánto tiempo tardó en regresar la señal. ¿Qué información adicional proporciona la medición del efecto Doppler?
48. ¿Cuál es una pieza de información que nos dice que el universo se está expandiendo?