Sonar de un murciélago

De Laplace

(Diferencias entre revisiones)

Revisión de 12:57 3 sep 2009

1 Enunciado

Un murciélago que vuela hacia una pared emite un ultrasonido de frecuencia $f 0$ . Recibe el eco un tiempo $Δ t$ más tarde y con una frecuencia $f 1$ . Determine la velocidad con la que se mueve el murciélago y la distancia a la que se encuentra de la pared en el momento de recibir el eco. (Dato: c = 343 m/s)

2 Solución

Vamos a calcular en primer lugar la velocidad del murciélago utlizando el corrimiento de frecuencias debido al efecto Doppler. El murciélago emite un sonido con frecuencia $f 0$ . Esta onda llega a la pared, donde rebota y es emitida hacia el murciélago con una frecuencia $f p$ . Finalmente este sonido llega al murciélago con una frecuencia $f 1$ .

En el primer proceso la pared actúa como receptor y el murciélago como emisor. Así pues la frecuencia que percibe la pared es

$f_p = f_0\frac{c}{c-v_m}$

La velocidad $v m$ se considera positiva pues el murciélago se acerca a la pared.

El sonido proviniente de la pared tiene frecuencia $f p$ . Al llegar al murciélago, éste es el receptor y la pared es el emisor. Así pues la frecuencia que percibe el animal es

$f_1=f_p\frac{c+v_m}{c}=f_0\frac{c}{c-v_m}\frac{c+v_m}{c}=f_0\frac{c+v_m}{c-v_m}$

Despejando obtenemos la velocidad del murciélago en función de las frecuencias y la velocidad del sonido en el aire

$v_m=c\frac{f_1-f_0}{f_1+f_0}$

La velocidad del murciélago siempre será mucho menor que la del sonido en el aire. Entonces las frecuencias $f 0$ y $f 1$ son muy parecidas. Se cumple por tanto, $f_1-f_0=\Delta f\ll f_0$ . Obtenemos así una expresión más sencilla de la velocidad del murciélago

$v_m=c\frac{\Delta f}{2f_0+\Delta f}=\frac{c\Delta f}{2f_0}(1+\frac{\Delta f}{2f_0})^{-1}\simeq \frac{c\Delta f}{2f_0}(1-\frac{\Delta f}{2f_0})$

Vamos a calcular ahora la distancia a la que estaba el murciélago de la pared cuando emitió el sonido. Consideramos tres instantes de tiempo como se indica en la figura. En $t = 0$ el murciélago está a una distancia $d 0$ de la pared y emite el ultrasonido. En $t = Δ t 1$ el ultrasonido llega a la pared y rebota. En ese momento el murciélago está a la distancia $d 1$ de la pared. Finalmente, el ultrasonido emitido por la pared llega al murciélago en el instante $Δ t$ , estando el animal a la distancia $d 2$ del muro.

Durante el tiempo $Δ t$ el murciélago ha seguido avanzando hacia la pared con velocidad $v m$ . Por tanto, cuando recibe el ultrasonido la distancia $d 2$ es

$d 2 = d 0 - v m Δ t$

Tenemos que calcular $d 0$ . Para ello vemos que los intervalos de tiempo $Δ t 1$ y $Δ t 2$ valen

$\begin{array}{lccr} \displaystyle \Delta t_1 = \frac{d_0}{c},&&\displaystyle\Delta t_2=\frac{d_2}{c}=\frac{d_0-v_m\Delta t}{c} \end{array}$

Sumando los dos tenemos

$\Delta t_1+\Delta t_2=\Delta t=\frac{d_0}{c}+\frac{d_0-v_m\Delta t}{c}$

Despejando $d 0$ queda

$d_0=\frac{(c+v_m)\Delta t}{2}=\frac{c\Delta t}{2}(1+\frac{\Delta f}{f_1+f_0})\simeq \frac{c\Delta t}{2}(1+\frac{\Delta f}{2f_0})$

Observemos que si el murciélago no se mueve, tenemos $Δ f = 0$ y por tanto $d 0 = c Δ t / 2$ .

Finalmente, la distancia pedida es

$d_2=d_0-v_m\Delta t=\frac{c-v_m}{2}\Delta t=\frac{c\Delta t}{2}(1-\frac{\Delta f}{f_1+f_0})\simeq \frac{c\Delta t}{2}(1-\frac{\Delta f}{2f_0})$

De nuevo podemos comprobar que si $Δ f = 0$ , se tiene $d 2 = c Δ t / 2$ , como es lógico.

Los murciélagos se desplazan con velocidades alrededor de 5 m/s. Podemos estimar el desplazamiento de frecuencias que produce esta velocidad. De la expresión que nos da la velocidad del murciélago obtenemos

$\frac{\Delta f}{f_0}=\frac{2v_m}{c}\frac{1}{1-\frac{v_m}{c}}$

Si $v m = 5$ m/s y $c = 343$ m/s tenemos $\Delta f/f_0\simeq 0.030$ . Por tanto está justificado utilizar las expresiones aproximadas.

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 ==Solución==
-[[Imagen:Sonar_de_un_murcielago.gif|right]]
-Consideramos tres instantes de tiempo como se indica en la figura. En <math>t=0</math> el murciélago está a una distancia
-<math>d_0</math> de la pared y emite el ultrasonido. En <math>t=\Delta t_1</math> el ultrasonido llega a la pared y rebota.
-En ese momento el murciélago está a la distancia <math>d_1</math> de la pared. Finalmente, el ultrasonido emitido por la
-pared llega al murciélago en el instante <math>\Delta t</math>, estando el animal a la distancia <math>d_2</math> del muro.
-La velocidad se determina a partir del corrimiento Doppler de las frecuencias. Cuando el murciélago recibe el ultrasonido,
+Vamos a calcular en primer lugar la velocidad del murciélago utlizando el corrimiento de frecuencias debido al efecto Doppler.
-la fuente es la pared, que está en reposo, y el receptor es él mismo, que se mueve hacia la pared, con velocidad
+El murciélago emite un sonido con frecuencia <math>f_0 </math>. Esta onda llega a la pared, donde rebota y es emitida
-<math>v_m</math>. Como se mueve hacia la fuente la velocidad <math>v_m</math> se considera positiva.
+hacia el murciélago con una frecuencia <math>f_p </math>. Finalmente este sonido llega al murciélago con una frecuencia <math>f_1 </math>.
-La expresión del efecto Doppler es
+En el primer proceso la pared actúa como receptor y el murciélago como emisor. Así pues la frecuencia que percibe la pared es
 <center>
 <math>
-f_1=f_0\frac{c+v_m}{c}
+f_p = f_0\frac{c}{c-v_m}
 </math>
 </center>
-Y la velocidad del murciélago es
+La velocidad <math>v_m </math> se considera positiva pues el murciélago se acerca a la pared.
+El sonido proviniente de la pared tiene frecuencia <math>f_p </math>. Al llegar al murciélago, éste es el receptor y la pared es
+el emisor. Así pues la frecuencia que percibe el animal es
 <center>
 <math>
-v_m=\frac{f_1-f_0}{f_0}c=\frac{\Delta f}{f_0}c
+f_1=f_p\frac{c+v_m}{c}=f_0\frac{c}{c-v_m}\frac{c+v_m}{c}=f_0\frac{c+v_m}{c-v_m}
 </math>
 </center>
+Despejando obtenemos la velocidad del murciélago en función de las frecuencias y la velocidad del sonido en el aire
+<center>
+<math>
+v_m=c\frac{f_1-f_0}{f_1+f_0}
+</math>
+</center>
+La velocidad del murciélago siempre será mucho menor que la del sonido en el aire. Entonces las frecuencias <math>f_0 </math> y
+<math> f_1 </math> son muy parecidas. Se cumple por tanto, <math>f_1-f_0=\Delta f\ll f_0 </math>. Obtenemos así una
+expresión más sencilla de la velocidad del murciélago
+<center>
+<math>
+v_m=c\frac{\Delta f}{2f_0+\Delta f}=\frac{c\Delta f}{2f_0}(1+\frac{\Delta f}{2f_0})^{-1}\simeq
+\frac{c\Delta f}{2f_0}(1-\frac{\Delta f}{2f_0})
+</math>
+</center>
+[[Imagen:Sonar_de_un_murcielago.gif|right]]
+Vamos a calcular ahora la distancia a la que estaba el murciélago de la pared cuando emitió el sonido.
+Consideramos tres instantes de tiempo como se indica en la figura. En <math>t=0</math> el murciélago está a una distancia
+<math>d_0</math> de la pared y emite el ultrasonido. En <math>t=\Delta t_1</math> el ultrasonido llega a la pared y rebota.
+En ese momento el murciélago está a la distancia <math>d_1</math> de la pared. Finalmente, el ultrasonido emitido por la
+pared llega al murciélago en el instante <math>\Delta t</math>, estando el animal a la distancia <math>d_2</math> del muro.
 Durante el tiempo <math>\Delta t</math> el murciélago ha seguido avanzando hacia la pared con velocidad <math>v_m</math>. Por
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 <center>
 <math>
-d_0=\frac{(c+v_m)\Delta t}{2}=\frac{c\Delta t}{2}\frac{f_1}{f_0}
+d_0=\frac{(c+v_m)\Delta t}{2}=\frac{c\Delta t}{2}(1+\frac{\Delta f}{f_1+f_0})\simeq
+\frac{c\Delta t}{2}(1+\frac{\Delta f}{2f_0})
 </math>
 </center>
-Observemos que si el murciélago no se mueve, tenemos <math>f_1=f_0</math> y por tanto <math>d_0=c\Delta t/2</math>.
+Observemos que si el murciélago no se mueve, tenemos <math>\Delta f=0</math> y por tanto <math>d_0=c\Delta t/2</math>.
 Finalmente, la distancia pedida es
 <center>
 <math>
-d_2=d_0-v_m\Delta t=c\Delta t\left(1-\frac{f_1}{2f_0}\right)
+d_2=d_0-v_m\Delta t=\frac{c-v_m}{2}\Delta t=\frac{c\Delta t}{2}(1-\frac{\Delta f}{f_1+f_0})\simeq
+\frac{c\Delta t}{2}(1-\frac{\Delta f}{2f_0})
 </math>
 </center>
-De nuevo podemos comprobar que si <math>f_1=f_0</math>, se tiene <math>d_2=c\Delta t/2</math>, como es lógico.
+De nuevo podemos comprobar que si <math>\Delta f=0</math>, se tiene <math>d_2=c\Delta t/2</math>, como es lógico.
-De la expresión del efecto Dopple podemos comprobar que
+Los murciélagos se desplazan con velocidades alrededor de 5 m/s. Podemos estimar el desplazamiento de frecuencias que produce
+esta velocidad. De la expresión que nos da la velocidad del murciélago obtenemos
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 <math>
-f_1=f_0\left(1+\frac{v_m}{c}\right)\Longrightarrow \frac{f_1}{f_0}=1+\frac{v_m}{c}<2 \Longrightarrow \frac{f_1}{2f_0}<1
+\frac{\Delta f}{f_0}=\frac{2v_m}{c}\frac{1}{1-\frac{v_m}{c}}
 </math>
 </center>
-y <math>d_2</math> es siempre positivo.
+Si <math>v_m=5 </math> m/s y <math>c=343 </math> m/s tenemos <math>\Delta f/f_0\simeq 0.030 </math>. Por tanto está justificado
+utilizar las expresiones aproximadas.
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