Ειδικές περιπτώσεις του φαινομένου Doppler

Το φαινόμενο Doppler είναι ένα συναρπαστικό φαινόμενο που παρατηρείται στη διάδοση των κυμάτων. Ασχολείται με τη φαινομενική παραμόρφωση που συμβαίνει στη διάδοση των κυμάτων όταν η πηγή ή ο παρατηρητής του κύματος βρίσκονται σε σχετική κίνηση.

Σύμφωνα με το φαινόμενο Doppler, η συχνότητα του κύματος έχει μια φαινομενική αλλαγή όταν λαμβάνεται από έναν παρατηρητή όταν η πηγή και ο παρατηρητής βρίσκονται σε κίνηση μεταξύ τους.

Τι είναι το φαινόμενο Doppler;

Η βασική μηχανική του φαινομένου Doppler υποδηλώνει ότι καθώς αλλάζει η απόσταση μεταξύ του παρατηρητή και της πηγής, αλλάζει το βήμα ή η συχνότητα του κύματος. Όταν η απόσταση που χωρίζει τον παρατηρητή από την πηγή αυξάνεται, το βήμα ή η συχνότητα μειώνεται. Ωστόσο, όταν η απόσταση που χωρίζει τον παρατηρητή από την πηγή μειώνεται, το βήμα ή η συχνότητα αυξάνεται.

Το φαινόμενο Doppler παρατηρείται κυρίως σε δύο τύπους κυμάτων:ηχητικά κύματα και κύματα φωτός. Στην περίπτωση των ηχητικών κυμάτων, περιλαμβάνει την αλλαγή στο ύψος με το οποίο ακούγεται ο ήχος. Αλλά στην περίπτωση του φωτός, η συχνότητα αλλάζει και επομένως το μήκος κύματος του φωτός αλλάζει. Αυτό σημαίνει ότι το φως υφίσταται αλλαγή στο χρώμα.

Ειδικές περιπτώσεις

• Η πηγή κινείται προς τον παρατηρητή αλλά ο παρατηρητής είναι ακίνητος

Όταν συμβαίνει αυτό, η σχετική ταχύτητα είναι τέτοια που ο διαχωρισμός του παρατηρητή από την πηγή μειώνεται συνεχώς. Αυτό σημαίνει ότι η συχνότητα του ηχητικού κύματος είναι προφανώς μεγαλύτερη από την αρχική του συχνότητα. Ο τύπος για τη φαινομενική συχνότητα σε αυτήν την περίπτωση δίνεται ως εξής: 

f=fo1-vs / v

Εδώ;

f είναι η συχνότητα που είναι εμφανής στον παρατηρητή

fo είναι η συχνότητα του κύματος στην πηγή

v είναι η ταχύτητα διάδοσης του κύματος

vo είναι η ταχύτητα του παρατηρητή

• Η πηγή απομακρύνεται από τον παρατηρητή αλλά ο παρατηρητής είναι ακίνητος

Όταν συμβαίνει αυτό, η σχετική ταχύτητα είναι τέτοια που ο διαχωρισμός του παρατηρητή από την πηγή αυξάνεται συνεχώς. Αυτό σημαίνει ότι η συχνότητα του ηχητικού κύματος είναι προφανώς μικρότερη από την αρχική συχνότητα του κύματος από την πηγή. Ο τύπος για τη φαινομενική συχνότητα σε αυτήν την περίπτωση δίνεται ως:

f=fo1+vs / v

Εδώ;

f είναι η συχνότητα που είναι εμφανής στον παρατηρητή

fo είναι η συχνότητα του κύματος στην πηγή

v είναι η ταχύτητα διάδοσης του κύματος

vo είναι η ταχύτητα του παρατηρητή

• Ο παρατηρητής κινείται προς την πηγή αλλά η πηγή είναι ακίνητη

Εφόσον ο παρατηρητής κινείται προς την πηγή, και πάλι η απόσταση μεταξύ των δύο σημείων μειώνεται, αλλά αυτή τη φορά η αύξηση της συχνότητας προκαλείται λόγω της κίνησης του παρατηρητή πιο κοντά στην πηγή. Ο τύπος για τη φαινομενική συχνότητα σε αυτήν την περίπτωση δίνεται ως:

f=fo(1+vov)

Εδώ;

f είναι η συχνότητα που είναι εμφανής στον παρατηρητή

fo είναι η συχνότητα του κύματος στην πηγή

v είναι η ταχύτητα διάδοσης του κύματος

vo είναι η ταχύτητα του παρατηρητή

• Ο παρατηρητής απομακρύνεται από την πηγή αλλά η πηγή είναι ακίνητη

Εφόσον ο παρατηρητής απομακρύνεται από την πηγή, η απόσταση μεταξύ των δύο σημείων αυξάνεται, αλλά αυτή τη φορά η αύξηση της συχνότητας προκαλείται λόγω του ότι ο παρατηρητής απομακρύνεται από την πηγή. Ο τύπος για τη φαινομενική συχνότητα σε αυτήν την περίπτωση δίνεται ως:

f=fo(1-vov)

Εδώ;

f είναι η συχνότητα που είναι εμφανής στον παρατηρητή

fo είναι η συχνότητα του κύματος στην πηγή

v είναι η ταχύτητα διάδοσης του κύματος

vo είναι η ταχύτητα του παρατηρητή

• Η πηγή και ο παρατηρητής κινούνται ο ένας προς τον άλλο

Τώρα η απόσταση μεταξύ της πηγής και του παρατηρητή μειώνεται αλλά με ταχύτητα μεγαλύτερη από ό,τι όταν κάποιος από τους δύο κινείται το ένα προς το άλλο με το ένα να είναι ακίνητο. Ο τύπος για τη φαινομενική συχνότητα σε αυτήν την περίπτωση δίνεται ως:

f=fo(v + vov – vs)

Εδώ;

f είναι η συχνότητα που είναι εμφανής στον παρατηρητή

fo είναι η συχνότητα του κύματος στην πηγή

v είναι η ταχύτητα διάδοσης του κύματος

vo είναι η ταχύτητα του παρατηρητή

v είναι η ταχύτητα του κύματος στο μέσο

• Η πηγή και ο παρατηρητής απομακρύνονται ο ένας από τον άλλο

Η απόσταση μεταξύ της πηγής και του παρατηρητή αυξάνεται αλλά με ταχύτητα μεγαλύτερη από ό,τι όταν κάποιος από τους δύο απομακρύνεται το ένα από το άλλο με το ένα να είναι ακίνητο. Ο τύπος για τη φαινομενική συχνότητα σε αυτήν την περίπτωση δίνεται ως:

f=fo(v – vov  + vs)

Εδώ;

f είναι η συχνότητα που είναι εμφανής στον παρατηρητή

fo είναι η συχνότητα του κύματος στην πηγή

v είναι η ταχύτητα διάδοσης του κύματος

vo είναι η ταχύτητα του παρατηρητή

v είναι η ταχύτητα του κύματος στο μέσο

• Redshift και blueshift

Στην περίπτωση των κυμάτων φωτός, η αλλαγή στη συχνότητα μεταφράζεται ως αλλαγή στο μήκος κύματος του φωτός. Αυτή η αλλαγή στο μήκος κύματος έχει ως αποτέλεσμα να αλλάζει και το χρώμα του φωτός. Όταν το χρώμα του φωτός αλλάζει σε χρώμα που είναι πιο κοντά στο κόκκινο άκρο του φάσματος, ονομάζεται μετατόπιση προς το κόκκινο. Όταν το χρώμα του φωτός αλλάζει σε ένα χρώμα που είναι πιο κοντά στο μπλε άκρο του φάσματος, ονομάζεται blueshift.

Συμπέρασμα

Η βασική μηχανική του φαινομένου Doppler υποδηλώνει ότι καθώς αλλάζει η απόσταση μεταξύ του παρατηρητή και της πηγής, αλλάζει το βήμα ή η συχνότητα του κύματος. Όταν η απόσταση που χωρίζει τον παρατηρητή από την πηγή αυξάνεται, το βήμα ή η συχνότητα μειώνεται. Ενώ όταν μειώνεται η απόσταση που χωρίζει τον παρατηρητή από την πηγή, αυξάνεται το βήμα ή η συχνότητα.

Το φαινόμενο Doppler παρατηρείται κυρίως σε δύο τύπους κυμάτων:ηχητικά κύματα και κύματα φωτός. Στην περίπτωση των ηχητικών κυμάτων, περιλαμβάνει την αλλαγή στο ύψος με το οποίο ακούγεται ο ήχος. Αλλά στην περίπτωση του φωτός, η συχνότητα αλλάζει και επομένως το μήκος κύματος του φωτός αλλάζει. Αυτό σημαίνει ότι το φως υφίσταται αλλαγή στο χρώμα.