¿Qué principio físico hay detrás del funcionamiento de los radares de tráfico?

Si circulas demasiado rápido por la autopista, el radar podría delatarte y hacer que te llegue una multa a casa. Una pequeña cámara colocada en el lateral de la carretera dispara una onda que rebota en el coche, y la detecta cuando retorna. Pero, ¿cómo es posible conocer la velocidad de un objeto observándolo durante solo un instante?

La clave está en el cambio que sufre la onda al rebotar en el vehículo. En realidad, escuchamos el mismo cambio cuando oímos pasar una ambulancia: cuando se acerca, la sirena se vuelve más aguda y, cuando se aleja, suena cada vez más grave. Este efecto es una consecuencia natural de cómo se propaga el sonido por el aire y tiene implicaciones en una gran variedad de ámbitos, desde la astronomía hasta el terreno militar. El fenómeno se conoce como “efecto Doppler” en honor al físico y matemático austriaco Christian Andreas Doppler, aunque en su caracterización participaron muchas más personas.

El sonido son vibraciones

Cuando suena la sirena de una ambulancia (o cualquier otro sonido), la fuente que lo emite vibra, y esas vibraciones se transmiten, en este caso, al aire de alrededor. Las vibraciones del aire son las que forman la onda de sonido, que viaja a una determinada velocidad. Por ejemplo, en el aire seco a 20º C, el sonido viaja 343 metros en cada segundo. Si la fuente sigue vibrando, las vibraciones se transmiten cada vez más lejos hasta llegar a nuestros oídos, donde golpean el tímpano y se siguen propagando hasta llegar al oído interno. Allí se convierten en impulsos eléctricos que el cerebro interpreta como sonido.

Eso sí, las partículas de aire no se mueven demasiado, tan solo oscilan hacia delante y hacia atrás. Lo que se propaga es el patrón de vibración de las partículas: en algunas zonas están más juntas y en otras más separadas, y la posición de estas zonas va cambiando a medida que avanza la onda. Entonces, si la fuente que emite el sonido no se mueve (ni tú tampoco), oirás las vibraciones tal cual se produjeron. Pero, si la fuente se mueve, empujará a la parte de la onda que tenga delante mientras que estirará la parte que queda detrás. Este “tira y afloja” es el fenómeno conocido como efecto Doppler.

Cambio de frecuencia

¿Por qué provoca este efecto un cambio en el tono de la sirena? Precisamente la frecuencia a la que nos llegan las zonas de la onda donde las partículas están más juntas (es decir, la frecuencia de la onda) es lo que rige cómo de agudo o de grave será el sonido. Cuanto mayor sea la frecuencia, más agudo será el sonido. Por eso, cuando la ambulancia se acerca, empuja las ondas a medida que nos llegan, aumentando la frecuencia y volviendo el sonido más agudo. A medida que se aleja, estira las ondas que le quedan detrás, y el sonido que llega a nuestros oídos es más grave. Si la ambulancia está parada pero la escuchamos desde un coche en movimiento, el efecto será el mismo.

Si te resulta complicado visualizar partículas de aire transmitiendo vibraciones, puedes imaginar una situación comparable: supón que te lanzo una pelota cada segundo a una velocidad constante. Si estamos a la misma distancia, recibirás una pelota cada segundo. Pero si me voy acercando a ti, aunque yo siga lanzando una pelota por segundo, tú las recibirás más rápido: la velocidad de cada pelota no cambia, pero la frecuencia aumenta. Si te paso de largo y sigo avanzando, tú recibirás las pelotas a una frecuencia cada vez menor.

Más allá de una curiosidad cotidiana, el efecto Doppler es crucial en algunos tipos de radar, en astronomía e incluso tiene aplicaciones militares. Para controlar la velocidad de los coches en la carretera, se dispara un haz de radar hacia cada vehículo. Pero el coche está en movimiento, de modo que cada onda de radar viaja una distancia diferente hasta alcanzar el coche y rebotar. Según la velocidad del coche, la frecuencia de las ondas que regresan cambiará, permitiendo saber si está circulando demasiado rápido. Una idea similar fue la que se aplicó a la espoleta de proximidad, inventada durante la Segunda Guerra Mundial para detonar explosivos a una distancia predeterminada de un objetivo en movimiento.

En astronomía, las observaciones no se basan en ondas de sonido sino en las de luz (o, más generalmente, en ondas electromagnéticas). Aunque no consisten en vibraciones de partículas de aire, estas ondas también pueden experimentar el efecto Doppler, y es crucial tenerlo en cuenta para averiguar cómo de rápido se alejan de la Tierra algunas estrellas o galaxias distantes. De hecho, fue gracias a este fenómeno que se pudo saber, ya en los años 1920, que el universo está en expansión.

QUE NO TE LA CUELEN:

• Como hemos dicho, el efecto Doppler afecta al sonido pero también a la luz. La variación en la frecuencia se traduce en un cambio de color. Si es así, ¿por qué no se observa ninguna alteración en las luces de emergencia de las ambulancias? Para que se perciba la variación, la velocidad de movimiento tiene que ser comparable a la de la onda. Una ambulancia que circule a 50 km/h viajará al 4 % de la velocidad del sonido, pero esta velocidad es ínfima en comparación con los 300 000 kilómetros que recorre la luz en solo un segundo.

REFERENCIAS (MLA):

• Doppler, Christian. Ueber das farbige Licht der Doppelsterne und einiger anderer Gestirne des Himmels: Versuch einer das Bradley’sche Aberrations-Theorem als integrirenden Theil in sich schliessenden allgemeineren Theorie. K. Böhm Gesellschaft der Wissenschaften, 1903.
• Ballot, B., 1845. Akustische Versuche auf der Niederländischen Eisenbahn, nebst gelegentlichen Bemerkungen zur Theorie des Hrn. prof. Doppler. Annalen der Physik und Chemie, 142(11), pp. 321–351.
• Scott Russell, John (1848). “On certain effects produced on sound by the rapid motion of the observer”. Report of the Eighteenth Meeting of the British Association for the Advancement of Science, vol. 18, no. 7, 1849, pp. 37-38.