¿Qué sería del Efecto Doppler sin las ambulancias?"
LAS ONDAS Y EL SONIDO
Las ondas sonoras son ondas mecánicas longitudinales; por lo tanto, necesitan un medio material para propagarse, y las compresiones y dilataciones se producen en las misma dirección de propagación de la onda.
Velocidad de propagación de las ondas sonoras:
En un medio homogéneo, las ondas sonoras se propagan a velocidad constante. El sonido se propaga a través de todos los estados de agregación de la materia.
v sólidos>v líquido>v gases
En la velocidad de las ondas sonoras no influye ni su frecuencia, ni su longitud de onda, ni su amplitud. En los sólidos y en los líquidos la velocidad del sonido tampoco depende de la temperatura; en cambio, ésta sí influye en la velocidad del sonido en los gases.
En aeronáutica se usa a veces el número de Mach: Es el cociente entre la velocidad del avión y la velocidad del sonido en las mismas condiciones.
Reflexión de las ondas sonoras:
Reflexión: Cambio de dirección que experimentan las ondas cuando inciden sobre un obstáculo y vuelven al medio del que proceden. El eco se produce por la reflexión de las ondas de los sonidos.
Eco: Audición repetida de un mismo sonido: primero del sonidos directo y después reflectado en una superficie que está suficientemente alejada.
El oído humano distingue dos sonidos consecutivos cuando los percibe con una diferencia de una décima de segundo. Suponiendo que la velocidad del sonido en el aire es 340 m/s, en una décima de segundo el sonido recorre 34 m, y como ha de ir y volver, necesitará para percibirse que el obstáculo este, por lo menos, a una distancia de 17 m.
Cuando la distancia es menor, el sonido directo y los reflectados se superponen y la audición se hace confusa, los sonidos no se perciben con nitidez. Éste fenómeno se denomina reverberación.
LA LUZ
Onda transversal electromagnética que no necesita un medio material para propagarse: se propaga en el vacío, como todas las ondas electromagnéticas, con una velocidad aproximada de 3.108 m/s La luz viaja en línea recta. A estas líneas las llamamos rayos.
ONDA SONORA
Oscilación de presión que se propaga por un medio.
NATURALEZA Y PROPAGACIÓN DE LA LUZ
Luz: Onda transversal electromagnética que no necesita un medio material para propagarse: se propaga en el vacío, como todas las ondas electromagnéticas, con una velocidad aproximada de 3.108 m/s La luz viaja en línea recta. A estas líneas las llamamos rayos.
Rayo: Línea imaginaria dibujada en la dirección según la cual se propagan las ondas.
REFLEXIÓN DE LA LUZ
Cuando la luz incide sobre la superficie de un medio no transparente, opaco, vuelve al mismo medio en el que se propagaba. Éste fenómeno se denomina reflexión. En cambio, si incide sobre la superficie de separación de dos medios transparentes distintos, una parte vuelve al mismo medio en el que se propagaba (se reflecte) y otra parte al segundo medio (se refracta).
La luz que se reflecte cambia de dirección pero conserva la misma velocidad. La luz que se refracta cambia de dirección y de velocidad.
El ángulo formado por el rayo incidente y la normal N es el ángulo de incidencia (i). El ángulo de reflexión (r) es el formado por la normal y el rayo reflectado. Experimentalmente se comprueban las leyes de Snell de la reflexión:
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El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.
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El rayo incidente, la normal, y el rayo reflectado se encuentran en el mismo punto.
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Cuando colocamos un objeto delante de un espejo plano, creemos ver su imagen situada detrás del espejo. La imagen es igual al objeto y simétrica respecto del espejo.
Cuando la luz incide sobre una superficie no pulida, los rayos reflectado sale en todas las direcciones, es lo que se conoce con el nombre dereflexión difusa.
REFRACCIÓN DE LA LUZ
La luz se propaga en línea recta y con velocidad constante en un medio uniforme, pero cuando la luz pasa oblicuamente de un medio transparente a otro, por ejemplo, aire y agua, experimenta un cambio de dirección de propagación y de velocidad que se denominarefracción.
La refracción se produce cuado la luz pasa de un medio a otro donde su velocidad es diferente.
La velocidad de propagación de la luz en el vacío (c) es siempre mayor que en cualquier otro medio transparente (v).
Índice de refracción (n): Es el cociente entre estas dos velocidades (n=c/v).
Lentes:
Lente: Medio material transparente limitado por dos superficies que acostumbran a ser planas o esféricas.
Lente convergente: Son las lentes que son más gruesas por el centro que por los bordes. Concentran en un punto los rayos que llegan paralelos a la lente.
Lente divergente: Son las lentes que son más gruesas por los lados que por los bordes. Separan los rayos que llegan paralelos a la lente.
El ojo humano funciona como un instrumento óptico. En ocasiones presenta defectos que pueden corregirse con lentes. El ojo miope no ve bien de lejos. Éste efecto se corrige con lentes divergentes. El ojo hipermétrope es el caso opuesto al anterior, no ve bien de cerca. Se corrige con lentes convergentes. El ojo astigmático se corrige con lentes cilíndricas.
Dispersión de la luz-Espectro lumínico.
La luz blanca es realmente una mezcla de luces de diferentes colores: rojo, naranja, amarillo, verde, azul, añil y violeta.
Dispersión: Descomposición de la luz más compleja en otras luces más simples, la separación de la luz en las longitudes de onda que la componen.
Se puede conseguir usando un prisma de vidrio. Al pasar la luz blanca, las distintas luces se separan por presentar diferentes velocidades en el vidrio del prisma: la luz roja se propaga con mayor velocidad, por lo que es menos desviada; la luz violeta es la más desviada porque tiene la menor velocidad.
Las luces de distintos colores se propagan en los medio materiales con velocidades distintas, solo en el vacío se propagan con la misma velocidad.
Al conjunto de luces que aparecen dispersadas se le llama espectro lumínico o espectro visible.
LA DIVISIÓN DEL COLOR
Cuando se proyectan sobre una pantalla rayos luminosos de color rojo, verde y azul, se obtiene, junto con otros colores, luz blanca. Con estos tres colores (rojo, verde y azul), llamados colores primarios, se puede reproducir una gran gama de colores.
Con la mezcla de dos colores primarios se obtiene un tercer color llamado color secundario. Hay tres colores secundarios: turquesa, amarillo o púrpura.
La obtención de color por medio de luces de colores se denomina mezcla aditiva o síntesis aditiva.
Los colores de los cuerpos dependen del tipo de luz que los ilumina y de la naturaleza de su superficie. Si son opacos, su color se debe a la luz reflectada, si son transparentes a la luz que transmiten. Por ejemplo, un vidrio es verde porque absorbe total o parcialmente las luces que no son verdes y transmite solo la verde. Un traje es rojo porque absorbe total o parcialmente las luces que nos son rojas y reflecte solo la roja.
Una superficie que absorbe toda la luz que le llega se verá de color negro. Si reflecte toda la luz que incide sobre ella, su color será la misma que la de la luz utilizada.
Cuando se mezclan pinturas el resultado es diferente al de la mezcla de las luces. La mezcla de pintura siempre resta luz, por lo que se denomina mezcla substractiva o síntesis substractiva.
Al mezclar pinturas roja, azul y verde se obtiene color negro, no blanco. Este comportamiento se debe a que el color rojo absorbe al azul y al verde; el verde al azul y al rojo; y el azul absorbe al rojo y al verde. El resultado final tiene que ser el color negro.
En este caso, los colores primarios son púrpura, turquesa y amarillo. Cuando se mezclan se obtienen los colores secundarios, que son más oscuras: rojo, azul y verde.
Un foco luminoso puntual A y un cuerpo opaco B que origina una zona de sombra S, no iluminada.
Si un foco luminoso es extenso, da lugar a una región de sombra S y a otra de penumbra P
ONDAS
ONDA: Perturbación que se propaga de un lugar a otro. Las perturbaciones son normalmente vibraciones de las particulas de un medio material, una onda es la propagación en el espacio de un movimiento vibratorio.
Ondas Mecánicas
Necesitan un medio material para propagarse (ondas sonoras, ondas de la superficie del agua, ondas producidas por resortes y cuerdas)
Ondas Electromagnéticas
Propagan su energía por medio de perturbaciones eléctricas y magnéticas, y no precisan necesariamente de un medio material para propagarse ya que también lo hacen en el vacío (ondas de luz o de radio, rayos ultravioletas, rayos X)
Ondas Longitudinales:
La dirección de la vibración de las partículas y la dirección de propagación de la onda coinciden: las partículas del medio giran paralelamente a la dirección de la onda (resorte, ondas sonoras)
Ondas Transversales
La dirección de la vibración de las partículas es perpendicular a la dirección de propagación de la onda (cuerda, la luz, ondas de radio y televisión, rayos X)
Las ondas mecánicas transversales solo se propagan en los sólidos y en las superficies de separación entre líquidos o entre gas y líquido pero nunca en el interior de los gases o de los líquidos. En cambio, las ondas longitudinales pueden hacerlo en cualquier medio.
Sonoridad: Es la cualidad que permite identificar los sonidos como fuerte o débiles. Depende de la intensidad de la onda, es decir, de la energía transportada por la onda, que siempre es muy pequeña.
Para una determinada frecuencia, la intensidad de una onda es directamente proporcional al cuadrado de la amplitud e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia al foco sonoro. La intensidad física de la onda se mide en W/m2 y la sonoridad en dB.
Sin embargo, no existe proporcionalidad directa entre la intensidad física de un sonido y la sensación sonora (sonoridad)
El oído humano no puede percibir todos los sonido. Para cada frecuencia existe una intensidad física mínima (límite de audición) por debajo de la cual el oído no percibe el sonido. El límite de audición está a 10-12 W/m2, que equivalen a 0 dB.
EFECTO DOPPLER
El efecto Doppler es así conocido por Christian Dopplerr al que primero se le ocurrió la idea en 1842. El determinó que las ondas de sonido tendrían una frecuencia más alta si la fuente del sonido se movía en dirección al receptor y una frecuencia más baja si la fuente del sonido se alejaba del receptor.
Un ejemplo típico de esto es el tren. Cuando un tren se acerca, el sonido del silbato tiene un tono más alto que lo normal. Puede oir como el tono cambia mientras el tren pasa. Lo mismo ocurre con las sirenas de los autos de policía y con los motores de autos de carrera.
APLICACIONES DEL EFECTO DOPPLER
Una de sus aplicaciones más importantes es la del radar (sistema electrónico que permite detectar objetos fuera del alcance de la vista y determinar la distancia a que se encuentran proyectando sobre ellos ondas de radio.) El radar Doppler, que se utiliza a menudo para medir la velocidad de objetos como un coche o una pelota, transmite con una frecuencia constante. Las señales reflejadas por objetos en movimiento respecto a la antena presentarán distintas frecuencias a causa del efecto Doppler.
Detección y medición de distancias por radio.
EL RADAR
Su funcionamiento se basa en emitir un impulso de radio, que se refleja en el objetivo y se recibe típicamente en la misma posición del emisor. A partir de este "eco" se puede extraer gran cantidad de información. El uso de ondas electromagnética con diversas longitudes de onda permite detectar objetos más allá del rango de otro tipo de emisiones (luz visible, sonido, etc.)
PRINCIPIOS DEL RADAR
REFLEXIÓN
Las ondas electromagnéticas se dispersan cuando hay cambios significativos en las constantes dieléctricas o diamagnéticas. Esto significa que un objeto sólido en el aire o en el vacío (es decir, un cambio en la densidad atómica entre el objeto y su entorno) producirá dispersión de las ondas de radio, como las del radar. Esto ocurre particularmente en el caso de los materiales conductores como el metal y la fibra de carbono, lo que hace que el radar sea especialmente indicado para la detección de aeronaves. En ocasiones los aviones militares utilizan materiales con sustancias resistivas y magnéticas que absorben las ondas del radar, reduciendo así el nivel de reflexión
La reflexión de las ondas del radar varía en función de su longitud de onda y de la forma del blanco. Si la longitud de onda es mucho menor que el tamaño del blanco, la onda rebotará del mismo modo que la luz contra un espejo. Los primeros radares utilizaban longitudes de onda muy elevadas, mayores que los objetivos; las señales que recibían eran tenues. Los radares actuales emplean longitudes de onda más pequeñas (de pocos centímetros o inferiores) que permiten detectar objetos del tamaño de una barra de pan.
HISTORIA DEL RADAR
Mucho antes de la construcción del primer sistema de radar ya se entendía su concepto. A finales de los 1930s todas las naciones importantes involucradas en la II Guerra Mundial se dedicaron a crear mejores sistemas de radar para ser usados en la guerra.
Gran Bretaña fue uno de los países que encabezó el desarrollo de los radares en los años que precedieron a la II Guerra Mundial. Sus investigaciones llevaron a un sistema de detección temprana conocido como "Chain Home". Construyeron estaciones de radares alrededor de las Islas Británicas para detectar con tiempo una invasión aérea.
Aunque el desarrollo del radar fue impulsado por las necesidades de la guerra, también existía el interés de usar radares como sistemas anti colisiones. Después que el Titanic se hundió después de chocar con un témpano de hielo en 1912, hubo mucho interés en maneras de evitar que esto ocurriera de nuevo.
PROCESO DE SEÑAL DE UN SISTEMA RADAR
Tiempo de tránsito
Una forma de medir la distancia entre el radar y un objeto es transmitir un pequeño pulso electromagnético y medir el tiempo que tarda el eco en volver. La distancia será la mitad del tiempo de tránsito multiplicado por la velocidad del pulso (300.000 km/s).
RADAR METERIOLÓGICO
El radar es importante para los pronosticadores del tiempo porque puede detectar lluvia y granizo . Las ondas de radio rebotan de las partículas de agua en las nubes . Una computadora mide cuanto tardaron las ondas de radio en regresar y usa ese tiempo para calcular cuán lejos están las partículas del radar. También mide cuanta energía es reflejada, lo que informa sobre cuantaprecipitación hay en las nubes.
Un nuevo tipo de radar, llamado Doppler, puede hacer mucho más. Además de determinar cuán lejos están las gotas de lluvia, también puede calcular si se están moviendo en dirección hacia o lejos del radar. Los metereólogos saben que si la lluvia se está moviendo, elviento debe estar empujándola. Es así como saben hacia dónde sopla el viento dentro de las nubes.
EL FUNCIONAMIENTO DEL RADAR Y EL EFECTO DOPPLER
Estos aparatos constan de un transmisor que emite señales electromagnéticas y un receptor para captar las ondas reflejadas. Este transmisor y receptor pueden ser una misma antena, que tendría que cambiar su estado para recibir o emitir, o pueden ser diferentes. Además, las señales recibidas tienen que ser procesadas mediante un ordenador, gracias al cual se podrá tener acceso a los datos.
Los radares utilizan por tanto ondas electromagnéticas de una determinada frecuencia (generalmente entre 3 MHz y unos 60 GHz). Su funcionamiento consiste en la emisión de una onda, la cual al chocar con un determinado objeto sufre una absorción y una reflexión. Para este sistema, lo que interesa es la onda reflejada, que regresa al punto de emisión donde es captada por la antena del sistema y proporciona información del objeto que ha provocado esa reflexión, como por ejemplo su altitud y distancia.
Además, gracias al efecto Doppler también puede conocerse la velocidad del objeto. Este efecto fue propuesto en 1842 por Christian Doppler y consiste en el cambio en la frecuencia de la onda dependiendo de hacia dónde se dirija el objeto respecto al observador, en este caso el propio radar.
Los usos del radar van desde el meteorológico al control de velocidad
Sus usos son múltiples y han supuesto considerables avances en determinadas áreas. Estos son los usos principales que tiene:
· En meteorología es uno de los sistemas que más ayudan en la vigilancia de situaciones adversas. El radar meteorológico detecta la precipitación que está cayendo en un determinado lugar, gracias a lo cual se pueden detectar estructuras que se correspondan con tormentas peligrosas, como las supercélulas, u otras. Además, puede dar datos de dirección y velocidad del viento en zonas de precipitación mediante el modo Doppler.
· En el control del tráfico terrestre, este aparato ayuda a detectar velocidades superiores a las permitidas de los vehículos.
· En el control del tráfico aéreo y marítimo se usan para navegación, para evitar colisiones y para la aproximación de los aviones a los aeropuertos. También se está trabajando en un sistema de radar que permita detectar cenizas volcánicas.
· En el ámbito científico se utilizan para medición del nivel del mar y observación de la superficie de la Tierra entre otros.
· Y también son utilizados en el ámbito militar, por ejemplo para detección de misiles. Además, cabe señalar que debido a los avances en la tecnología radar, también se trata de que los aviones militares puedan no ser captados por estas señales.
¿COMÓ FUNCIONA EL RADAR DE VELOCIDAD?
Todos los tipos de radar funcionan según mismo principio básico: emiten una onda electromagnética hacia el objeto a detectar, la onda rebota y vuelve a la antena. Analizando la señal devuelta, se pueden saber muchas características del objeto en cuestión.
Las ondas electromagnéticas son oscilaciones del campo electromagnético que se propagan en linea recta a la velocidad constante de 299 792 458m/s, un poco menos de 300 000km/s. Unos mil millones de kilómetros a la hora. A esta velocidad, se daría la vuelta a la tierra siete veces y media cada segundo.
El número de oscilaciones que se producen en cada segundo se llama frecuencia. Nuestros ojos son capaces de ver las ondas electromagnéticas que producen entre 400 y 800 mil millones de oscilaciones por segundo; este tipo de frecuencias electromagnéticas reciben el nombre de luz. Sin embargo, las ondas utilizadas en los radares son frecuencias mucho más bajas.
¿Cuales son los efectos de la contaminación acústica en el cuerpo humano?
Efecto Máscara: Cuando un sonido impide la percepción total o parcial de otros sonidos presentes, se dice que este sonido enmascara a los otros. Esto puede traer consigo graves inconvenientes cuando se trata del enmascaramiento de mensajes o señales de alerta, y de la comunicación hablada.
Acúfenos: Es ese silbido que alguna vez hemos escuchado dentro de nuestros oídos. Esto se produce por la alteración del nervio auditivo que, en casos extremos puede causar ansiedad en el afectado y cambios de carácter. Este efecto se le atribuye al ruido urbano. Por ejemplo: tras exponerse durante un tiempo a una obra ruidosa, la música alta de una verbena, etc.
Fatiga Auditiva: También conocido como TTS (Temporary Threshold Shift) o Cambio Temporal del Umbral Auditivo.Se trata de una pérdida temporal de la sensibilidad auditiva producido por la exposición a altos niveles de ruido. Al dejar de estar expuesto al ruido, esta fatiga disminuirá gradualmente hasta recuperarse completamente. Sin embargo, si el oído es expuesto nuevamente a altos niveles de ruido antes de producirse esta total recuperación, se producirá un nuevo cambio en el umbral, el cual podría hacerse permanente si estas exposiciones se vuelven habituales.
Pérdida Progresiva de la Audición: Conocida también como PTS (Permanent Threshold Shift) o Cambio Permanente del Umbral Auditivo. Es muy habitual escuchar decir a la gente, que frecuentemente está expuesta a altos niveles de ruido, que se han "acostumbrado al ruido". Más que "acostumbramiento", lo que ocurre es que el oído no ha alcanzado a recuperarse de la fatiga auditiva o TTS, convirtiéndose paulatinamente en un cambio permanente e irreversible. La causa de esta pérdida permanente es que el ruido va matando las células auditivas, las cuales no se regeneran. Cada ser humano nace con 10.000 de estas células en cada oído. Como muchas células de nuestro organismo, éstas van muriendo en forma natural, lo que explica la sordera en los ancianos. Como esta pérdida auditiva es paulatina, las personas tienden a pensar que se han acostumbrado al ruido, lo cual es erróneo.
ECO Y EFECTO DOPPLER
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El principio de funcionamiento de los radares se basa en dos sencillos fenómenos físicos: El eco y el efecto Doppler. |
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El retardo y las características de esta señal reflejada sirven al radar para determinar la posición, velocidad e incluso propiedades morfológicas del obstáculo encontrado.
Efecto Doppler. El efecto doppler consiste en la variación de frecuencia de una onda al ser emitida o recibida por un objeto en movimiento.
Cuando el emisor de una onda electromagnética se acerca al receptor, la frecuencia de la onda recibida será mayor que la frecuencia emitida. Si por el contrario la fuente de ondas se aleja del receptor, la frecuencia recibida será proporcionalmente menor.
TIPOS DE RADARES
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Tipos de radares En función de la señal transmitida se distinguen dos tipos de radares, el radar de pulsos y el radar de onda continua. |
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Los componentes básicos de un radar de pulsos sencillo son los siguientes: - Sincronizador. Es el bloque encargado de generar la señal que marca la transmisión del pulso radar. El receptor utiliza también esta señal para inicializar su reloj interno en espera del eco devuelto por el obstáculo. - Oscilador. El oscilador produce la señal de radiofrecuencia que se transmite a través de la antena. Las frecuencias utilizadas van desde los centenares de MHz hasta los 30-40GHz. El oscilador también debe incluir un amplificador para obtener la potencia necesaria, 2-3 Kw. - Receptor. Está sintonizado a la misma frecuencia de transmisión y se encarga de amplificar los ecos devueltos y transformarlos en información capaz de ser representada en pantalla. - Interruptor TX-RX. La mayoría de los radares de pulsos utilizan la misma antena para enviar y recibir la señal. Este bloque conecta la antena al receptor o al transmisor en función de la señal de sincronización. - Fuente de alimentación. Entrega la energía eléctrica que necesitan todos los componentes dentro del radar. - Pantalla. Representa los resultados obtenidos. |
RADAR DE ONDA CONTINUA
A diferencia del radar de pulsos en el que se alterna transmisión y recepción, en un radar de onda continua se transmite y recibe constantemente por lo que son necesarias dos antenas. Los principales componentes de este tipo de radares son los siguientes:
- Transmisor de onda continua. Genera la señal de salida hacia la antena. Esta suele ser senoidal de frecuencia y amplitud constante. Su potencia está entre 10 y 100 veces por debajo de la utilizada en el radar de pulsos.
- Antenas. Como ya se ha comentado los radares de onda continua requieren dos antenas, una de transmisión y otra de recepción. Para evitar que la señal transmitida vaya directamente de una antena a la otra se debe colocar una barrera fabricada con materiales y formas que absorban las ondas electromagnéticas.
- Mezclador. El mezclador forma la primera etapa de recepción, obtiene información sobre la amplitud y la variación de frecuencia del eco recibido con respecto a la señal enviada. La salida del mezclador vendrá dada en una frecuencia muy inferior a la radiada con lo que su procesado será mucho más sencillo y de menor coste económico.
- Amplificación y procesado de señal. En este punto el radar amplifica la señal y analiza su contenido. En un radar moderno esta operación se realiza bajo el control de un ordenador.
- Pantalla. Monitor donde se despliega la información recogida de las señales radar.