El efecto Doppler y la ambulancia que se aleja

Cuando las ambulancias se alejan su sirena suena curiosamente cada vez más graves, parecen esas cintas de cassette cuando el Walkman estaba escaso de pila. A este "efecto" se le conoce como efecto Doppler.

El sonido se transmite en forma de ondas mecánicas elásticas longitudinales, esto que suena tan técnico e incomprensible quiere decir que básicamente las ondas sonoras son como un muelle que se mueve de adelante a atrás transmitiendo el movimiento:

Estas ondas se transmiten comprimiéndolo y expandiéndolo unas contra otras las moléculas de aire, agua o del medio a través del cuál se transmita (¡por esto no existe sonido en el vacío! porque no hay ningún medio que pueda transmitir estas ondas) hasta que impactan contra nuestro tímpano que interpreta esas ondas transformándolas en lo que conocemos como música, ruido o sirenas de ambulancia; o si el sonido es muy fuerte podemos llegar a sentir el impacto contra nuestro pecho como ocurre en algunas discotecas y conciertos.

El sonido tiene tres cualidades, intensidad (es decir si es fuerte o piano el sonido), tono (si es grave o agudo) y timbre (que es lo que hace que se puedan diferenciar unos instrumentos de otros aunque toquen las mismas notas). Cada una de estas cualidades, es en realidad una cualidad de la onda. La intensidad sólo depende de la amplitud, un buen símil sería cuando una piedra cae en el agua, cuanto más fuerte cae, mayor es la onda de agua (ola) que se produce, es decir mayor es la amplitud de la onda. El timbre es bastante complicado y depende de los armónicos (o sonidos ocultos) que tiene un sonido y que no corresponde explicar en este tema. La cualidad que nos importa es el tono. el tono depende de lo apretadas que estén las ondas, es decir de la longitud de onda. Cuanto más apretadas está, mayor es su frecuencia, o lo que es lo mismo, más ondas pasan por un punto en una unidad de tiempo y más agudo es el sonido. El oído humano oye frecuencias desde 20 Hz (la onda pasa 20 veces por segundo) hasta 20000Hz, y según lo que he dicho 20 Hz sería un sonido muy grave y 20000Hz muy agudo.

La velocidad del sonido a través del aire es aproximadamente de 332 metros/segundo, es decir que avanza unos 332 metros cada segundo. Esto puede ser rápido o lento según se compare con otras velocidades. Por ejemplo la velocidad de una pelota cayendo es lenta ya que la aceleración de la gravedad es de 9,8m/s2 así que tendría que caer durante unos cuarenta segundos para alcanzar una velocidad superior a la del sonido, y eso sin tener en cuenta el rozamiento del aire que frenaría la citada pelota. Sin embargo la luz circula a través del aire a unos 300000km/segundo, es decir, para nosotros es prácticamente instantáneo, ya que en un segundo da casi ocho vueltas a la tierra y el sonido en un segundo apenas recorre cuatro campos de fútbol (de esta diferencia de velocidades ocurre que los fuegos artificiales "primero explotan" y luego se oyen, o los rayos primero se ven y después "truenan")

Esto es relativamente sencillo hasta aquí, un emisor, por ejemplo un violinista, toca su instrumento desde el escenario, si la última fila se sitúa a 100 metros del violinista, tardara un tercio de segundo en llegarle el sonido que él emite. el violinista es un emisor fijo, es decir, el sonido que produce sale desde un punto estacionario, su violín, quieto en el escenario.

Sin embargo una ambulancia, coche de bomberos o galaxia, no son emisores de sonido o luz estáticos, sino que se mueven, a veces a velocidades bastante grandes comparándolas con la velocidad del sonido o incluso de la luz. Por ejemplo una ambulancia a 100 km/hora, recorre unos 28 metros cada segundo. Ahora, y haciendo un ejercicio algo complejo de visión espacial, vamos a pensar que esta ambulancia circula a 28m/segundo con la sirena encendida (el sonido 332m/segundo). Vamos a imaginar que la sirena de la ambulancia tiene dos notas una es conocida popularmente como ni y la otra como no (el tradicional ninoninoninonino) y para facilitar aún más la situación vamos a pensar que las ambulancias producen el sonido ni paran un segundo y después producen el sonido no, paran otro segundo y vuelven a empezar ni-1 segundo-no-1 segundo-ni-... Ahora entonces será muy fácil darse cuenta que las notas ni y no no se van a distribuir igual en el espacio por delante que por detrás de la ambulancia: por delante de la ambulancia los sonidos estarán separados por los 332 metros que recorre el sonido ni en el segundo antes de que se produzca el sonido no, menos los 28 metros que ha recorrido la ambulancia, es decir 304 metros los separan, así que si yo me sitúo por delante de la ambulancia y estoy quieto oiré el sonido ni y el no separados en el tiempo menos de un segundo porque el sonido va a recorrer invariablemente esos 332metros en un segundo (por lo tanto 0.91segundos en recorrer ese 304 metros). Sin embargo si el observador se sitúa por detrás de la ambulancia la distancia que habrá entre ambos sonidos serán los 332 metros que recorre el sonido, más los 28 que recorre la ambulancia, o sea, 360 metros, es decir, oiré el sonido no 1,1 segundos después de haber oído el sonido ni.

Eso sí, todos sabemos que la ambulancia emite un sonido continuo y no ni y después no. Lo que ocurre entonces es fácil de imaginar, es justo lo que representa el magnífico Velázquez que he puesto ahí encima. Las ondas sonoras por el efecto de la velocidad de la ambulancia se comprimen en la parte delantera y se estiran en la trasera. Al comprimirse las ondas quedan más apretadas y pasan más ondas por el mismo sitio en menos tiempo, es decir, el sonido se hace más agudo. Sin embargo en la parte trasera las ondas se estiran y pasan pasan menos frentes de onda por el mismo sitio en la misma cantidad de tiempo por lo que el sonido se hace más grave.