A student reading a book over a background of equations
Efecto Doppler Energía Ondas

Efecto Doppler y el Cono Sónico

August 20, 2024
Elba M Sepulveda
Una ambulancia rápida (Fast ambulance)
Una ambulancia doblando rápidamente en una intersección (Fast ambulance). en Pexels por Mathias Reding en https://www.pexels.com/photo/ambulance-driving-along-road-in-sunny-city-4489423/

Objetivos:

Terminada la lección:

Elba M Sepulveda

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Introducción:

Si te haz detenido a la orilla de la carretera mientras se acerca un auto tocando su bocina, habrás notado el cambio en el tono del sonido según el auto se acerca y luego se aleja.  Esta variación en el tono se debe al llamado efecto Doppler.  Este fenómeno fue nombrado en honor a Christian Doppler, científico austriaco, quien fue el primero en describirlo. Te invitamos a estudiar este interesante tema.

Definición del Efecto Doppler

El efecto doppler se trata del cambio aparente en la frecuencia de una onda emitida por una fuente en movimiento.  El efecto doppler aplca tanto para las ondas mecánicas como para las ondas electromagnéticas.  Además se utiliza para determinar el movimiento de las estrellas.  La luz de una estrella puede mostrar corrimiento hacia un extremo u otro del espectro de luz visible.  Este corrimiento evidencia si la estrella o galaxia se est”a acercando o alejando de nosotros.  En esta lección nos enfocaremos en el efecto doppler aplicado al sonido.

Fuente de sonido en reposo

Cuando un objeto vibra a razón de 20 Hz a 20kHz en un medio, produce ondas sónicas.  Estas ondas se propagan simétricamente en todas direcciones a través del medio y con rapidez constante.  Como los frente de onda se desplazan con igual rapidez, el largo de onda, al igual que la frecuencia son iguales en todas direcciones.  Así que para cualquier observador alrededor de la fuente el sonido emitido será el mismo.

Cono Sónico

En física, el cono sónico es un concepto asociado con el efecto Doppler en el contexto del sonido y la acústica. Se refiere a la región en el espacio que se forma alrededor de una fuente de sonido que se mueve a una velocidad mayor que la velocidad del sonido en el medio.

Explicación del Cono Sónico

Cuando una fuente de sonido se mueve a una velocidad menor que la velocidad del sonido en el medio, las ondas sonoras se propagan en todas direcciones de manera normal. Sin embargo, cuando la fuente de sonido se mueve a una velocidad igual o superior a la velocidad del sonido, el patrón de propagación de las ondas sonoras cambia significativamente:

  • Fuente a velocidad menor que el sonido: Las ondas se propagan en un patrón esférico hacia fuera desde la fuente.
  • Fuente a velocidad igual a la del sonido: La fuente produce un patrón cónico de ondas sonoras conocido como cono sónico. En este caso, las ondas se concentran en una forma de cono detrás de la fuente en movimiento, ya que la fuente está “empujando” las ondas sonoras hacia delante en un patrón más concentrado.
  • Fuente a velocidad mayor que el sonido: La fuente de sonido crea un patrón de ondas conocido como onda de choque o cono de Mach, y las ondas sonoras se concentran en una forma cónica conocida como cono de Mach que se extiende desde la fuente.

El cono supersónico o cono de Mach es un concepto en física y aerodinámica que se refiere a la forma que toma el frente de onda de un objeto que viaja a una velocidad superior a la velocidad del sonido en un medio. Este fenómeno está asociado con el concepto de velocidad supersónica.

Descripción del Cono Supersónico

Cuando un objeto se mueve a una velocidad mayor que la del sonido (supersónica), las ondas acústicas que produce no pueden superar la velocidad del objeto. En lugar de propagarse en todas direcciones, las ondas se concentran en un patrón cónico conocido como el cono de Mach. El cono de Mach es la región en la que se acumulan las ondas de presión y se forma un frente de onda concentrado.

Características del Cono Supersónico

  1. Forma: El cono de Mach tiene una forma de cono que se extiende hacia atrás desde la fuente de sonido (o el objeto en movimiento). La superficie del cono es donde se concentran las ondas de presión. El vértice del cono está en la posición del objeto en movimiento y el ángulo del cono depende de la velocidad del objeto en relación con la velocidad del sonido.
  2. Ángulo del Cono: El ángulo del cono de Mach se puede calcular usando la velocidad del objeto y la velocidad del sonido en el medio. El ángulo es mayor cuanto más rápido es el objeto en relación con la velocidad del sonido.
  3. Onda de Choque: En la frontera del cono de Mach, se pueden formar ondas de choque, que son discontinuidades abruptas en la presión, la temperatura y la densidad del aire. Estas ondas de choque son responsables de los estruendos de sonic boom que se escuchan cuando un objeto supera la velocidad del sonido.

Contexto en la Física

El cono de Mach es una manifestación del fenómeno conocido como efecto Doppler supersónico, que se observa cuando una fuente de ondas se mueve a velocidades superiores a la velocidad del sonido en un medio. Este fenómeno es clave en la aerodinámica de aeronaves y proyectiles que viajan a velocidades hipersónicas, y en la física de ondas en general.

En resumen, el cono supersónico o cono de Mach es una estructura que se forma alrededor de un objeto que se mueve a velocidades superiores a la del sonido, mostrando cómo se concentran las ondas sonoras y cómo se forman ondas de choque a su alrededor.

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Enlaces externos para explorar

Simulación

Vídeo

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Referencias

Hewitt, Paul G. (2002).  Conceptual Physics. Estados Unidos: Prentice Hall
Walker, James S. (2002).  Physics.  Estados Unidos:  Prentice Hall.

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