Sentido del humor científico en televisión: el efecto Doppler

(Imagen ilustrativa tomada de este enlace)

Recientemente me llama mucho la atención como una serie de televisión basada en el día a día de un grupo de jóvenes científicos, "The Big Bang Theory" (CBS),  ha ganado popularidad. Al principio pensé que la serie no tendría mayor futuro, después de todo muchas de las situaciones graciosas tenían un fondo científico y un contexto académico. Pronto descubrí que en realidad las situaciones que experimentan los personajes son graciosas para muchas personas desde muchos puntos de vista, aunque muy probablemente por motivos muy diferentes a los míos o de mis colegas. Sin embargo, creo que esta es una excelente oportunidad para explicar algunos conceptos físicos que podrían ayudar a que todos nos riamos de las mismas cosas.  Para quienes siguen la serie, ¿recuerdan aquel capítulo en el que los protagonistas asisten a una fiesta de disfraces en el apartamento de Penny? Los disfraces escogidos por ellos (después de decidir que ninguno se vestiría de Flash) fueron: Thor, Frodo, Robin Hood y....el efecto Doppler.  Pero,  ¿saben uds. qué es el efecto Doppler, y porqué Sheldon insistía en hacer ruidos como los de un auto que se acerca y luego se aleja para intentar dar pistas sobre su motivo de disfraz? Pueden revivirlo en este enlace.

Primero debemos entender lo que es el sonido. El sonido es una vibración del medio (aire, agua entre otros) que se propaga como una perturbación del  mismo. La perturbación en el medio es una compresión en el sentido en que se propaga el sonido. Para dar origen a la compresión de una región del medio es necesaria la rarefacción de las regiones vecinas.  Es como tener un resorte: para comprimir un región, estiramos otra. Así, podríamos describir el sonido como una alternación periódica de regiones densas y menos densas a través del medio. Este es justamente el concepto de una onda longitudinal. En una publicación anterior, Natalia escribió sobre otro tipo de ondas, las transversales, ver este enlace. 

Si colocamos una membrana en el camino de la onda , el cambio de densidad del aire debido al sonido (compresión-rarefacción) causaría la vibración de la membrana. Este el es principio de funcionamiento de nuestro oído, el cual tiene la capacidad de convertir las vibraciones del tímpano en impulsos eléctricos que pueden ser interpretados por nuestro cerebro . Note que para que exista sonido es necesaria la existencia de un medio. Es decir, contrario a lo que sucede en algunas películas de ciencia ficción, en el vacío no hay sonido. (imagen tomada de este enlace).

Para entender el efecto Doppler, imaginemos que el sonido son como las ondas que se forman en un estanque cuando se arroja una piedra. Si estuviéramos  en una balsa anclada en algun lugar del estanque, podríamos medir el tiempo que dura cada onda en llegar hasta la balsa. Si ahora la balsa avanza hacia el origen de las ondas, el tiempo que  mediríamos entre una onda y otra sería menor.  Decimos entonces que la frecuencia con que percibimos las ondas aumenta. En el caso contrario, cuando la balsa se aleja del punto de inicio de las ondas, el tiempo entre la llegada de las ondas sería mayor, es decir, disminuye la frecuencia con que percibimos las ondas. Lo mismo ocurriría si el punto donde se originan las ondas se moviera hacia nosotros, como en la figura a la izquierda, en la cual vemos una compresión de las ondas hacia la dirección en que se mueve la fuente y una rarefacción en la dirección en que se aleja.  Este cambio de la frecuencia en función del movimiento de la fuente y/o del observador se llama efecto Doppler ( llamado así por el austríaco Christian Doppler). Y por este motivo el disfraz de Sheldon tiene líneas (representando ondas) cuya separación aumenta o disminuye (representando ese aumento o disminución de la densidad de ondas). En el caso del sonido, ese cambio de frecuencia se percibe como un cambio en el tono que escuchamos. Esta es la razón por la sirena de una ambulancia que se acerca se oye diferente a la sirena de una ambulancia que se aleja. De ahí el hecho de que Sheldon intente dar pistas sobre el motivo de su disfraz imitando el sonido de un auto que se acerca y luego se aleja. (imagen tomada del enlace http://users.camk.edu.pl/jkliment/dwarf.html).

El efecto Doppler ocurre también en otros tipos de ondas, como la luz. En astrofísica, el efecto Doppler se conoce como corrimiento al rojo y ha permitido determinar que los objetos en el Universo se alejan unos de otros. Este efecto es también el que se utiliza en los radares diseñados para medir la velocidad de los autos en las carreteras.

Por último cabe decir, como apreciación personal de quien escribe este post, que en general los chistes de contexto científico en esta popular serie de televisión están muy bien fundamentados. Es imposible no notar que quien los escribe sabe de qué está hablando. Incluso, los detalles como las ecuaciones y diagramas escritos en las pizarras que forman parte de la escenografía son correctas. Así que esta es una oportunidad para reír y al mismo tiempo aprender ciencia.