Aplicaciones de la reflexión de ondas: el sonar

Experientia docet Ondas Artículo 14 de 27

Imagen sonar del fondo marino en la que destaca con increíble detalle el pecio del dragaminas de la marina soviética T-297, hundido en aguas de la actual República de Estonia. Imagen: Wikimedia Commons

Hemos visto que los principios básicos de la reflexión de ondas son muy sencillos. No solo eso, con el concepto de rayo son incluso fáciles de ilustrar. Vamos a usar este conocimiento para intentar entender la base de las tecnologías que empleamos diariamente, aunque no seamos conscientes de ello, y consolidarlo. Estas tecnologías se basan en el uso de reflectores de ondas. Podemos encontrar reflectores en los radares de tráfico o en los calefactores infrarrojos, por ejemplo.

Un poco de geometría elemental nos será muy útil. La Figura 1 (a) y (b) muestra cómo los rayos se reflejan en dos reflectores circulares. Recordemos que en estos esquemas solo se muestran algunos rayos incidentes y reflejados. (Las líneas de puntos son perpendiculares a la superficie de la barrera, para recordarlos que el ángulo incidente es igual al ángulo del rayo reflejado, Θi = Θr .) Los rayos reflejados desde el semicírculo (a) se alejan en todas direcciones. Sin embargo, los rayos reflejados desde un pequeño segmento del círculo (b) se acercan hasta casi juntarse en un solo punto. Los reflectores en forma de semicírculo no son muy útiles.

Figura 1. Fuente: Cassidy Physics Library

Una barrera con la forma de una parábola (c) enfoca los rayos con bastante precisión en un punto, el foco de la parábola. En otras palabras, una superficie parabólica refleja ondas planas y las concentra en un punto. Un ejemplo impresionante es un radiotelescopio. Su enorme superficie parabólica refleja ondas de radio muy débiles del espacio exterior para enfocarlas en un detector. El mismo principio lo emplean las antenas parabólicas para la recepción de señales de satélites, para ver la televisión, por ejemplo.

Radiotelescopio de Parkes (NSW, Australia), de 64 metros de tamaño, durante la puesta de Sol. La antena tiene forma parabólica y el detector está en su foco. Crédito: Ángel R. López-Sánchez (AAO/MQU).

Nada impide que las trayectorias de de los rayos indicadas en los diagramas se inviertan. Por ejemplo, si producimos ondas esféricas producidas en el foco las convertimos en ondas planas cuando se reflejan desde una superficie parabólica. La linterna y o el faro delantero de un coche son aplicaciones familiares de este principio. En estos casos una fuente de luz, ya sea una filamento incandescente, una bombilla halógena o un LED, colocados en el foco de un reflector parabólico producen rayos de luz casi paralelos.

En este punto es posible que sea necesario recordar que todas las afirmaciones que hemos hecho a lo largo de la serie se refieren a ondas mecánicas, auqnue estemos empleando la parte común con las ondas electromagnéticas en estos ejemplos.

Una aplicación con ondas sonoras es el sonar (del acrónimo inglés que se traduce como navegación y localización por sonido), empleado en la navegación y localización de objetos en el mar: desde barcos de pesca buscando bancos de peces, pasando por buques oceanográficos cartografiando el fondo marino o cazatesoros buscando barcos hundidos, a submarinos buscando su ruta o enemigos. Su desarrollo fue una cuestión de supervivencia durante la Primera Guerra Mundial, y para 1918 ya existían instrumento SONAR tanto activos (emiten sonido) como pasivos (solo “escuchan”). La Segunda Guerra Mundial llevó al desarrollo de su equivalente electromagnético, también como una cuestión de supervivencia para la bombardeada Inglaterra, el radar. Ambos sistemas se basan en dos principios básicos de la reflexión de ondas: el efecto eco y el desplazamiento Doppler.

El eco es un fenómeno muy familiar: grita tu nombre en una gran sala vacía y las paredes parecen gritarte a ti. Este tipo de eco es el resultado de la reflexión de las ondas de sonido en una superficie. Un pulso de ondas de sonido enviadas desde una antena se reflejará desde cualquier objeto que golpee, y parte de la onda volverá a donde se originó. El tiempo que transcurre entre la emisión del pulso y la recepción de la parte reflejada del pulso se puede usar para determinar la distancia entre el punto y la superficie reflectante. Esta es la descripción de un sonar activo.

El desplazamiento Doppler, también muy común en la vida diaria, ocurre cuando las ondas de cualquier tipo son emitidas o reflejadas por un cuerpo en movimiento. (Todo el mundo lo ha experimentado como el cambio en la frecuencia del ruido de un coche o el silbato de un tren mientras está en movimiento). Si las ondas enviadas desde un punto se reflejan en un cuerpo en movimiento, las ondas que regresan parecerán tener una mayor frecuencia si el objeto se mueve hacia el punto de emisión y una frecuencia más baja a medida que el objeto se aleja de él. Por lo tanto, la medición del desplazamiento Doppler de las ondas reflejadas se puede utilizar para determinar rápidamente la velocidad y la dirección de la superficie reflectante.

El sonar funciona muy bien en el agua y lo utilizan con gran éxito los submarinos para “ver” sin ver, tanto el entorno como a las amenazas. Pero el sonar no es práctico para su uso en el aire, porque en éste las ondas de sonido ordinarias no viajan lo suficientemente lejos, y su eco es demasiado débil para ser útil en detecciones precisas.

En este fragmento de “La caza del Octubre Rojo” vemos (y oímos) el uso del SONAR en todo su esplendor:

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance

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