domingo, 27 de febrero de 2011

Los murcielagos "conocen" el efecto Doppler

La increíble facultad de percepción del murciélago se vincula a su sistema de ubicación por resonancia (eco), es decir, se orientan emitiendo sonidos de orientación de alta frecuencia y recibiendo los ecos. De esta forma detectan los objetos que hay a su alrededor, pudiendo percibir una antena que no tenga más de 1 mm de diámetro, insectos del tamaño de un mosquito u objetos tan finos como un pelo humano.

  El murciélago produce un sonido con su laringe (esencialmente igual a la humana, pero más grande en relación al tamaño del murciélago) y los modifica con extrañas formaciones en su boca y nariz. Cuando los ecos retornan, alcanzan sus tímpanos que cambian el sonido en vibraciones hacia los huesos del oído interno e informan al cerebro sobre los ecos recibidos.
La frecuencia de los sonidos de orientación emitidos llega a los 50000 y 70000 c.p.s. en presencia de un obstáculo y alrededor de 30000 c.p.s. al aire libre. El murciélago radia sonidos de alta frecuencia para detectar los objetos en su alrededor. La reflexión de esos sonidos, inaudibles para los humanos, le permite trazar un "mapa" de su entorno al analizar en vuelo todos los sonidos que retornan. Esto les permite no sólo navegar en la completa oscuridad de las cuevas y en la luz de baja intensidad dentro del bosque, sino también dirigirse hacia insectos voladores.
Por ejemplo, capta la onda sonora que emite y rebota en una mosca y compara lo emitido con lo recibido. El tiempo que transcurre entre la emisión y la recepción le provee una información precisa sobre la dirección, movimiento, forma o distancia a la que se halla el insecto u otro elemento.
Otra característica asombrosa de este sistema es que el oído de los murciélagos no puede percibir ningún otro sonido más que el propio. El espectro de frecuencias audibles está muy acotado en estas criaturas, cosa que normalmente debería crearles un gran problema debido al efecto Doppler (véase glosario). Es decir, si la fuente de sonido y el receptor están relativamente quietos, el receptor detectará en la misma frecuencia emitida por la fuente. Sin embargo, si uno de los dos se mueve, la frecuencia en que se lo detecta será distinta a la de emisión. En ese caso la frecuencia de la onda reflejada puede caer dentro de las que resultan inaudibles para el murciélago. Por lo tanto podría enfrentar el problema de no oír los ecos del sonido que emitió y que se refleja en la presa en movimiento. Pero esa situación no se le presenta debido a que ajusta la frecuencia de los sonidos que emite hacia objetos en movimiento, como si conociera el efecto Doppler. Por ejemplo, envía el sonido en la frecuencia más alta hacia la presa que se desplaza, de manera que las ondas reflejas no se pierdan en la banda inaudible.

En el cerebro de los murciélagos existen dos tipos de neuronas (células nerviosas) que controlan su sistema de sonar. Uno de ellos ordena a los músculos producir señales de ubicación por eco y el otro percibe el ultrasonido reflejado. Ambas clases de neuronas trabajan perfectamente sincronizadas, por lo que una mínima desviación en las señales reflejas alerta al primer tipo de neuronas y le indica la frecuencia de la señal que esté en sintonía con la frecuencia del eco. De esta manera se modifica el tono del ultrasonido del murciélago para operar en concordancia y lograr una eficiencia máxima.

Existen ciertas neuronas específicas de la orientación espacial, que combinan la duración y la intensidad de las entradas de las señales de los sonidos. Asimismo, es posible identificar mapas de neuronas en la corteza auditiva de los murciélagos, que registran pequeñas variaciones en cada una de las componentes del sonido. El cerebro de los murciélagos utiliza tales mapas neuronales para registrar los cambios a su alrededor. Los humanos podrían usar mapas semejantes para procesar los patrones acústicos básicos del habla, aunque la misma requiere mecanismos adicionales superiores. Los mapas neuronales pueden jugar un papel importante en el reconocimiento de la voz de los humanos, la habilidad de reconocer quién habla y también qué se está diciendo.

Las Sirenas y el Efecto Doppler

Cuando una ambulancia se acerca, su sirena nos suena más aguda que cuando se aleja. Para explicar a qué se debe esto, antes hay que aclarar qué es el sonido.

El sonido es una onda que se transmite por el aire o por cualquier otro material. Se llama por tanto onda mecánica u onda material. Es necesario el material, si no hay material, no hay sonido.

Volviendo a las ondas, una onda es una perturbación en un medio. Es lo que pasa en el agua cuando tiramos un objeto, que aparecen unos círculo que se van haciendo cada vez más grandes. Eso es la onda propagándose.

Sin embargo, no son iguales las ondas del agua que las del aire con el sonido. La piedra que tiramos perturba el agua de arriba a abajo, pero la onda se propaga hacia los lados, perpendicularmente (onda transversal). En el sonido, la perturbación y la propagación tienen la misma dirección (onda longitudinal). Es como un muelle que estiramos y soltamos. Empieza a oscilar en la misma dirección que hemos estirado (perturbado). El sonido en el aire va por ondas de presión. Cuando generamos sonido, al hablar por ejemplo, hacemos que la presión del aire varíe de forma cíclica (en un mismo punto la presión aumenta hasta un máximo, luego empieza a disminuir y luego vuelve a aumentar, repitiendo ese ciclo mientras dure el sonido). Esas diferencias de presión se van transmitiendo hasta llegar a nuestro tímpano, que las registra y genera una señal que manda al cerebro para que interprete.

Una de las magnitudes propias de las ondas es la frecuencia, que es el número de repeticiones por segundo. Por ejemplo, en el caso de la piedra y el agua, la frecuencia sería las veces que el agua de un punto en concreto de la superficie sube y baja dividido por el tiempo que estamos contando. En el caso del sonido, sería las veces que el aire cambia de presión como se ha descrito antes partido el tiempo. La frecuencia es lo que mide cómo de agudo o grave es el sonido. A mayor frecuencia, más agudo, y a menor frecuencia, más grave.

Otra magnitud muy relacionada con la frecuencia es la longitud de onda, que es la distancia que hay entre dos crestas (en el caso del sonido, las crestas son donde la presión es mayor).

Otra magnitud imporante, aunque ahora no nos interesa, es la amplitud, que es lo que determina el volumen de sonido. En nuestro caso particular, tiene relación con la diferencia que hay entre la presion máxima y la mínima. Cuanto mayor sea, más volumen, y vicecersa.

Ya entrando en el efecto Doppler, este es la variación de frecuencia que se produce entre la onda que se emite y la onda que se recibe, debido a que el emisor se esté moviendo respecto al receptor. Para entender por qué se produce esto, mirar estas imágenes.


El emisor emite siempre con las misma frecuencias (y por tanto misma longitud de onda). En este caso, el camión está parado respecto al hombrecillo de la imagen. Entonces el sonido que le llega tiene la misma longitud de onda (y por tanto frecuencia) que el que emite el camión, por lo que no hay variación en el tono. Ahora veamos que pasa si el camión se está moviendo.


Cuando el camión emite una cresta (la cresta es la mayor presión, valle es la menor presión), no lo hace desde el mismo sitio que la anterior, sino un poco más delante, por lo que hay menos distancia entre unas crestas y otras, es decir, menor longitud de onda, y por tanto más frecuencia, lo que se traduce en que nuestro hombrecillo recibe un tono más agudo. Cuando el camión se aleja, sucede justo lo contrario. Las crestas están más separadas, mayor longitud de onda, menor frecuencia y un tono más grave.

Aplicaciones del Efecto Doppler: Ecografia/Ultrasonico

Método no invasivo para medir el flujo y la velocidad circulatoria dentro de un vaso o un órgano, la misma se denomina “ecografía por efecto Doppler”.
Consiste en medir el cambio en la frecuencia recibida desde un receptor fijo, en relación a una fuente emisora en movimiento. Este principio aplicado al ultrasonido (sonidos con frecuencia de > 20 KHz) permite conocer ondas de velocidad de flujo en un vaso determinado.

Un ultrasonido emitido con una frecuencia determinada, desde un transductor hacia una columna de partículas sanguíneas en movimiento (los glóbulos rojos) es dispersado y reflejado con una frecuencia diferente. La diferencia entre la frecuencia emitida y la reflejada se llama frecuencia Doppler (Fd) , esta diferencia es proporcional a la velocidad del flujo sanguíneo .

Doppler color es, en esencia, el mismo sistema computacional incorporado a la máquina de ultrasonido. Esta asigna unidades de color, dependiendo de la velocidad y dirección del flujo sanguíneo. Por convención se asigna el color rojo para el flujo hacia el trasductor y el azul para el que se aleja.

Es un método muy utilizado en obstetricia puesto que permite evaluar el caudal circulatorio en cualquier vaso sanguíneo en especial el cordón umbilical, la circulación uterina y áreas de importancia en el crecimiento fetal.

También se utiliza, a menudo, en cardiología para el estudio de los vasos del cuello, lo que permite apreciar la circulación carotídea en forma totalmente inocua e indolora para el paciente.

El Efecto Doppler en Astronomía

Como se ha señalado más arriba, en el caso de la radiación electromagnética emitida por un objeto en movimiento también se presenta el Efecto Doppler. La radiación emitida por un objeto que se mueve hacia un observador se comprime; su frecuencia se percibe aumentada y se dice que la frecuencia "se desplaza hacia el azul". Por el contrario, la radiación emitida por un objeto que se aleja se estira, "se desplaza hacia el rojo". Los desplazamientos hacia el azul o hacia el rojo que exhiben las estrellas, galaxias y nebulosas indican su movimiento con respecto a la Tierra.

En Astronomía, el Efecto Doppler fue estudiado originalmente en la parte visible del espectro electromagnético. Hoy, el "desplazamiento Doppler", como también se lo conoce, se estudia en todo el espectro de ondas. Debido a la relación inversa que existe entre frecuencia y longitud de onda, podemos describir el desplazamiento Doppler en términos de longitudes de onda. La radiación se corre hacia el rojo cuando la longitud de onda aumenta y se corre hacia el azul cuando la longitud de onda disminuye.
Los astrónomos se basan en el desplazamiento Doppler para calcular con precisión la velocidad de las estrellas y otros cuerpos celestes con respecto a la Tierra y para determinar si se acercan o se alejan. Por ejemplo, las líneas espectrales del gas hidrógeno en galaxias lejanas es frecuentemente observada con un corrimiento hacia el rojo considerable. La línea del espectro de emisión, que normalmente (en la Tierra) se encuentra en una longitud de onda de 21 centímetros, puede ser observada a 21,1 centímetros. Este milímetro de corrimiento hacia el rojo indicaría que el gas se está alejando de la Tierra a 1400 kilómetros por segundo.

Más aún, estudiando el Efecto Doppler, se puede obtener información acerca de estrellas específicas. Las galaxias son grupos de estrellas que en general rotan alrededor de su centro de masa. La radiación electromagnética emitida por cada estrella de una galaxia distante aparecerá desplazada hacia el rojo si la estrella al rotar se aleja de la Tierra. En el caso contrario aparecerá desplazada hacia el azul.
Pero debe tomarse en cuenta lo siguiente: Los desplazamientos de frecuencia pueden ser el resultado de otros fenómenos, no del movimiento relativo del observador y la fuente. Otros dos fenómenos pueden estar involucrados: la existencia de campos gravitacionales muy fuertes que dan origen al "desplazamiento gravitacional hacia el rojo"; y el llamado "desplazamiento cosmológico hacia el rojo", debido a la expansión del espacio producto de la Gran Explosión.

Explicación del efecto Doppler - Video

Ejemplo del efecto Doppler con un bicho.

El Efecto Doppler se observa en ondas de todo tipo (ondas sonoras, ondas electromagnéticas, etc.). Consideremos el caso de las ondas en la superficie del agua: supongamos que en el centro de un estanque hay un bicho moviendo sus patas periódicamente. Si las ondas se originan en un punto, se moverán desde ese punto en todas direcciones. Como cada perturbación viaja por el mismo medio, todas las ondas viajarán a la misma velocidad y el patrón producido por el movimiento del bicho sería un conjunto de círculos concéntricos como se muestra en la figura. Estos círculos alcanzarán los bordes del estanque a la misma velocidad. Un observador en el punto A (a la izquierda) observaría la llegada de las perturbaciones con la misma frecuencia que otro B (a la derecha). De hecho, la frecuencia a la cual las perturbaciones llegarían al borde sería la misma que la frecuencia a la cual el bicho las produce. Si el bicho produjera, por ejemplo, 2 perturbaciones por segundo, entonces cada observador detectaría 2 perturbaciones por segundo.
Ahora supongamos que el bicho estuviera moviéndose hacia la derecha a lo largo del estanque produciendo también 2 perturbaciones por segundo. Dado que el bicho se desplaza hacia la derecha, cada perturbación se origina en una posición más cercana a B y más lejana a A. En consecuencia, cada perturbación deberá recorrer una distancia menor para llegar a B y tardará menos en hacerlo. Por lo tanto, el observador B registrará una frecuencia de llegada de las perturbaciones mayor que la frecuencia a la cual son producidas. Por otro lado, cada perturbación deberá recorrer una distancia mayor para alcanzar el punto A. Por esta razón, el observador A registrará una frecuencia menor. El efecto neto del movimiento del bicho (fuente de las ondas) es que el observador hacia el cual se dirige observe una frecuencia mayor que 2 por segundo y el observador del cual se aleja perciba una frecuencia menor que 2 por segundo.
El Efecto Doppler se observa siempre que la fuente de ondas se mueve con respecto al observador. Es el efecto producido por una fuente de ondas móvil por el cual hay un aparente desplazamiento de la frecuencia hacia arriba para los observadores hacia los cuales se dirige la fuente y un aparente desplazamiento hacia abajo de la frecuencia para los observadores de los cuales la fuente se aleja. Es importante notar que el efecto no se debe a un cambio real de la frecuencia de la fuente. En el ejemplo anterior, el bicho produce en los dos casos 2 perturbaciones por segundo; sólo aparentemente para el observador al cual el bicho se acerca parece mayor.El efecto se debe a que la distancia entre B y el bicho se reduce y la distancia a A aumenta.

Christian Andreas Doppler

Christian Andreas Doppler (Salzburgo, 29 de noviembre de 1803 – Venecia, 17 de marzo de 1853) fue un matemático y físico austríaco.

Principalmente conocido por su hipótesis sobre la variación aparente de la frecuencia de una onda percatada por un observador en movimiento relativo frente al emisor, el efecto Doppler.

Christian Doppler nació en el seno de una familia austriaca de albañiles establecidos en Salzburgo desde 1674. El próspero negocio familiar permitió construir una elegante casa en la Hannibal Platz en Salzburgo que se conserva en la actualidad y en la que nació Christian Doppler, el cual, debido a problemas de salud, no pudo seguir la tradición familiar.

Christian Doppler estudió física y matemáticas en Viena y Salzburgo. En 1841 comenzó a impartir clases de estas materias en la Universidad de Praga. Un año más tarde, a la edad de 39 años, publicó su trabajo más conocido en el que hipotetizaba sobre el efecto Doppler. Durante sus años como profesor en Praga publicó más de 50 artículos en áreas de matemáticas, física y astronomía. Durante este tiempo no tuvo gran éxito como profesor o como matemático con la notable excepción de la admiración hacia sus ideas profesada por el eminente matemático Bernard Bolzano.

Su carrera como investigador en Praga fue interrumpida por la revolución de marzo de 1848 y Doppler tuvo que dejar la ciudad trasladándose a Viena. En 1850 fue nombrado director del Instituto de Física Experimental de la Universidad de Viena pero su siempre frágil salud comenzó a deteriorarse. Poco después, a la edad de 49 años, falleció de una enfermedad pulmonar mientras intentaba recuperarse en la ciudad de Venecia.