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Christian Johann Doppler (1803-1853)

El efecto doppler fue descubierto en 1842 por Christian Johan Doppler y es un efecto de la física ondulatoria que ocurre cuando una fuente en movimiento emite ondas. En esta situación, un observador que esté situado delante de la fuente observará como la frecuencia de las ondas es mayor que la realmente emitida, mientras que un observador situado detrás de la fuente observará una mayor distancia entre los frentes de onda y por lo tanto una menor frecuencia. Alguna vez hemos escuchado el sonido de una sirena de un vehículo; recordaremos cómo va cambiando el sonido a medida que el móvil se nos acerca, y especialmente el cambio del tono, en el momento que acaba de pasarnos. Si hubiésemos viajado en el coche no hubiéramos observado este cambio.


[Más sobre el efecto Doppler]


 

Christian Andreas Doppler nació el 29 de noviembre de 1803 en Salzburgo, Austria, en el seno de una próspera familia burguesa dedicada desde 1674 a los negocios. Debido a su frágil salud no siguió la tradición familiar. Realizó los estudios primarios en Salzburgo y los secundarios en Linz. Pronto llegó a manifestar un especial talendo para las matemáticas y, por consejo de uno de sus profesores del liceo, ingresó en el Instituto Politécnico de Viena, que se había fundado en 1815. Allí permaneció entre 1822 y 1825, año en el que se graduó. Regresó a Salzburgo y, poco después, continuó sus estudios en la Universidad de Viena, mostrando especial interés en materias como la astronomía, mecánica y matemáticas avanzadas. Cuando terminó sus estudios, en 1929, fue contratado como asistente del profesor Burg, cuya especialidad era la mecánica y las matemáticas. Durante los cuatro años que estuvo ocupando este puesto publicó cuatro artículos de tema matemático.

Christian Doppler

A la edad de 30 años comenzó a buscar un puesto más estable. Probó en las escuelas de Linz, Salzburgo, Gorizia, Viena, Zurich, y Praga, entre otras. Recibió respuestas negativas de muchas de ellas y de otras no le contestaron. Tuvo que pasar 18 meses trabajando de contable en una fábrica de hilaturas de algodón. Cansado de su situación puso su mirada en América. No obstante, recibió ofertas para enseñar en Suiza o Praga, que entonces formaban parte ambas del Imperio Austrohúngaro. Eligió Praga, pero no llegó a enseñar por problemas burocráticos. Se preparó para opositar para profesor de matemáticas avanzadas en el Instituto Politécnico de Viena y en el de Praga. No tuvo éxito, pero impartió clases cuatro horas a la semana entre 1836 y 1838.
En 1836 contrajo matrimonio con Mathild Sturm, de Estrasburgo. A finales de 1837 quedó vacante el puesto de matemáticas y geometría práctica en Praga. Lo ocupó y en 1839 se convocó la oposición. No tomó parte, pero fue contratado como profesor a tiempo completo en 1841.

Presentó la idea que le inmortalizó en un congreso de ciencias naturales que se celebró en Praga en mayo de 1842. Contaba con 38 años y era profesor de matemáticas y geometría práctica en el Instituto Técnico de Praga, como hemos dicho. La comunicación llevaba por título Über das farbige Licht der Doppelsterne. Sus ideas las tomó después de observar durante mucho tiempo los fenómenos de la naturaleza.

En 1844 su salud no era nada buena. La situación empeoró porque sus estudiantes lo denunciaron por ser demasiado duro y exigente en los exámenes. Se le separó de la enseñanza durante un tiempo hasta 1846.
En junio de 1845 un meteorólogo de Utrech, Christoph H.D.Ballot, confirmó el principio de Dopplert durante el trayecto en tren de Utrech a Amsterdam. Doppler realizó un experimento poco después. Utilizó una locomotora para realizar sus observaciones. Colocó un grupo de músicos en un ferrocarril y les indicó que tocaran la misma nota musical mientras que otro grupo de músicos, en la estación del tren, registraba la nota musical que oían mientras el tren se acercaba y alejaba de ellos sucesivamente. Una idea engorrosa, pero brillante. Es curioso que el ejemplo clásico para ilustrar el efecto Doppler es el silbato de una locomotora en movimiento acercándose y luego alejándose de un observador inmóvil; el no tuvo en cuenta este hecho en su experimento.

Más tarde el físico francés Armand Hippolyte L. Fizeau (1818-1896), que hizo las primeras medidas de la velocidad de la luz, generalizó el trabajo de Doppler al aplicar su teoría no sólo al sonido sino a la luz. Así en el año de 1848, éste determinó que los cuerpos celestes que se acercan hacia la Tierra son vistos de color azul y los que se alejan se ven de color rojo. Esto, en términos generales, significa que las ondas de luz, cuando se aproximan hacia el observador se dirigen hacia el extremo ultravioleta del espectro y cuando se alejan, se aproximan hacia el extremo infrarrojo del espectro, es decir, que sus ondas, al igual que las sonoras, se vuelven más altas cuando se aproximan y más bajas cuando se distancian.

Ya con un éxito relevante se le ofreció a Doppler un puesto de profesor de matemáticas, física y mecánica en la Academia de Minas y Bosques en una pequeña ciudad de Checoeslovaquia. No sospechaba que su estancia allí sería muy corta. Los acontecimientos de 1848 acabaron por afectarle.

En 1849 fue contratado como profesor en el Instituto Politécnico de Viena, lugar donde había comenzado sus estudios. El 17 de enero de 1850 fue nombrado primer director del nuevo Instituto de Física de la Universidad Imperial de Viena. Un hecho curioso es que allí examinó a un chico de 20 años que era monje y se llamaba Mendel. Parece que sus matemáticas no llegaron a impresionar a Dopplert y fue rechazado. Después se le aceptó.

Este periodo duró poco para Doppler. Enfermó de tuberculosis y pronto afectó a su laringe. Dada la gravedad marchó seis meses a Venecia para descansar. Murió el 17 de marzo de 1853 a la edad de 50 años. La ciudad le hizo un solemne funeral y le dedicó una placa en su honor en el cementerio.

Aparte de lo señalado Doppler publicó sobre temas de magnetismo, electricidad, óptica y astronomía. Creó muchos instrumentos, especialmente de tipo óptico, y mejoró otros ya existentes. Era conocido por tener ideas muy originales. Algunas no podían llevarse a la práctica, pero en otros casos fueron el germen de algunas que tendrían que desarrollarse más tarde. Así, su principio se empleó en medicina en el siglo XX. Lo hizo de la mano de otro principio de acústica, el ultrasonido.

El examen de los ultrasonidos es muy conocido en la actualidad. Su uso durante el embarazo es prácticamente universal dado que es inócuo y muy fiable. La técnica del Doppler está basada en un aparato que emite ultrasonidos (sonidos cuya frecuencia es superior a los 20.000 Hz, es decir, que están por encima del límite de audición humana). Cuando se sitúa un objeto frente al aparato, los ultrasonidos chocan contra la estructura objeto de estudio y regresan al aparato, donde un ordenador los interpreta y transforma cada ultrasonido en un punto luminoso. Esta operación repetida millones de veces, da lugar a millones de puntos luminosos que, en conjunto, forman una imagen. Los ultrasonidos avanzan, pues, según los principios de las ondas mecánicas, es decir, sufren fenómenos de atenuación, dispersión y reflexión ("rebote") dependiendo de las propiedades físicas de las estructuras que encuentran a su paso.

Se considera que una de las primeras publicaciones sobre el empleo de ultrasonidos en medicina la hizo K. T. Dussite en 1942; se publicó en una revista alemana de neuropsiquiatría. En 1955, el escocés Ian Donald, médico que durante la II Guerra Mundial trabajó para la Royal Air Force (RAF) en asuntos de radar y sonar, asociado con un técnico llamado Tom Brown, de la compañía Kelvin & Hughes de Instrumentos Científicos, empezó a trabajar en el desarrollo de los ultrasonidos. Tres años más tarde demostró la utilidad de la nueva técnica al identificar una masa ovárica en una paciente diagnosticada erróneamente de cáncer inoperable.
En 1964, Callagan y sus colaboradores aplicaron el principio de Doppler a la investigación de flujo de sangre fetal lo que permitió su estudio con detalle. Hilo y colaboradores, de la Universidad de Washington, usaron una onda de ultrasonido de forma continua para estudiar el flujo en los vasos periféricos. Pourcelot, de Francia, en los años sesenta contribuyó también con sus trabajos sobre el flujo de sangre. Él y sus colegas estuvieron implicados en el desarrollo del primer equipo de Doppler para la vigilancia del sistema cardiovascular de astronautas en el espacio.

En estos mismos años el pediatra y fisiólogo americano Robert F. Rushmer, investigaba instrumentos que le permitieran evaluar funciones cardiovasculares en animales sin necesidad de operar. Estaba interesado en determinar las dimensiones cardiovasculares, las presiones intravasculares y el flujo sanguíneo por medio de técnicas incruentas. Tres miembros de su equipo de técnicos, Dean Franklin, Dick Ellis y Donald Baker lograron desarrollar un “flujómetro” multicanal de tránsito-tiempo que permitía detectar el flujo en un vaso sanguíneo por medio del Doppler al hacer incidir una onda sonora sobre los glóbulos rojos en movimiento dentro del vaso y luego recoger la señal de eco devuelta por esas mismas células. En el año de 1965, la primera aplicación comercial de la tecnología Doppler recibió el nombre de Doptone, un dispositivo que permitía la auscultación del latido fetal.

Doptone

El 'Doptone' fabricado por Smith Kline Instruments® in 1965, Tecnología desarrollada en la University of Washington Cardiovascular Instrumentation Program


 En 1967 se publicaron los diferentes perfiles de ondas obtenidos mediante Doppler en distintas enfermedades arteriales y venosas. En el año de 1970 Donald Baker pudo realizar el primer rastreo de flujo vascular al combinar el registro del Doppler con una imagen bidimensional de ultrasonidos. En el año de 1976 también se determinó por primera vez el flujo de las arterias renales por esta técnica.

A principios de los años ochenta Hatle pudo utilizar el Doppler para estudiar la velocidad del flujo sanguíneo. Se podía determinar el grado de disfunción de las válvulas cardiacas, por un lado, y medir el flujo y presiones intracavitarias de forma rápida y segura, por otro. La aplicación de las diversas modalidades tecnológicas permiten, por tanto, obtener una gran cantidad de información de los diferentes componentes del corazón y los grandes vasos tanto morfológica (ecografía en modo M, bidimensional y, recientemente, tridimensional) como funcional. Así, la aplicación del efecto Doppler permite calcular la velocidad de las estructuras en movimiento (como la sangre a su paso por las diversas cavidades y estructuras cardiovasculares). Con esa velocidad, a través de fórmulas matemáticas extraídas de principios físicos, se pueden calcular gradientes de presión a través de orificios o válvulas cardíacas e incluso el área de dichos orificios.

Hoy también se usa el Doppler transcraneal, técnica que se ha convertido en una herramienta imprescindible para conocer tanto el funcionamiento de las arterias cerebrales como sus posibles alteraciones. Además de diagnosticar lesiones arteriales, permite su seguimiento e incluso monitorizar los efectos de determinados tratamientos farmacológicos. Gracias a esta técnica se ha mejorado la detección de enfermedades mortales como las microembolias o la posibilidad de diagnosticar infartos cerebrales.

En nefrología y urología el desarrollo de esta técnica tuvo lugar en la segunda mitad del siglo XX. Comenzó con las imágenes obtenidas de un riñón y de la vejiga urinaria en los años 50, y en 1967 se obtuvo el registro de las señales de los vasos renales tras la introducción de la sonografía rectal. Hoy resulta imprescindible para el diagnóstico de las alteraciones de los órganos y estructuras nefrológicas y urológicas.

Como se aprecia, el descubrimiento de Doppler no tuvo aplicaciones hasta cien años después. Aparte de las utilidades en medicina también las tiene en cosmología, meteorología y otras áreas de la ciencia.

José L. Fresquet. Instituto de Historia de la Ciencia y Documentación (Universidad de Valencia - CSIC). Marzo de 2004.

Bibliografía

—Christian Andreas Doppler. Mathematicians born from 1800 to 1819. The MacTutor History of Mathematics archive (http://www-gap.dcs.st-and.ac.uk/~history/index.html).

—García-Fernández, M.A., ed. Principios y práctica del Doppler cardiaco. McGraw Hill. Madrid, 1995.

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—Rogin, A. Christian Johann Doppler: the man behind the effect, The British Journal of Radiology, 75 (2002), 615-619.

—Schwarz R, Duverges C, Gonzalo A, Fescina R. Ecografía bidimensional en obstetricia. En: Obstetricia. Cuarta Edición. Buenos Aires: El Ateneo, 1986

—Watanabe H. History of ultrasound in nephrourology. Ultrasound Med Biol 2001 Apr;27 (4): 447-537.

Selección de obras de Doppler

C.Doppler: Über das farbige Licht der Doppelsterne und einiger anderer Gestirne des Himmels, Abh. königl. böhm. Ges. Wiss. 2, 465-482, 1843.

Arithmetik und Algebra: mit besonderer Rücksicht auf die Bedürfnisse des practischen Lebens und der technischen Wissenschaften : nebst einem Anhange von 450 Aufgaben / von Christian Doppler. Prag: C. Doppler, 1844.

Beiträge zur fixsternenkunde. Prag, Druck von G. Haase söhne, 1846.