Φαινόμενο Doppler:Ορισμός, τύπος και παραδείγματα πραγματικού κόσμου

Στο φαινόμενο Doppler, η συχνότητα ενός κύματος αλλάζει ανάλογα με την κίνησή του σε σχέση με έναν παρατηρητή.

Στη φυσική, το φαινόμενο Doppler ή μετατόπιση Doppler είναι η αλλαγή στη συχνότητα ενός κύματος λόγω της σχετικής κίνησης μεταξύ της πηγής κύματος και ενός παρατηρητή. Για παράδειγμα, μια σειρήνα που πλησιάζει έχει υψηλότερο τόνο και μια σειρήνα που υποχωρεί έχει χαμηλότερο τόνο από την αρχική πηγή. Το φως που πλησιάζει έναν θεατή μετατοπίζεται προς το μπλε άκρο του φάσματος, ενώ το φως που υποχωρεί μετατοπίζεται προς το κόκκινο. Ενώ πιο συχνά συζητείται σχετικά με τον ήχο ή το φως, το φαινόμενο Doppler ισχύει για όλα τα κύματα. Το φαινόμενο πήρε το όνομά του από τον Αυστριακό φυσικό Christian Doppler, ο οποίος το περιέγραψε για πρώτη φορά το 1842.

Ιστορικό

Ο Κρίστιαν Ντόπλερ δημοσίευσε τα ευρήματά του σε μια εργασία με τίτλο «Über das farbige Licht der Doppelsterne und einiger anderer Gestirne des Himmels» («Σχετικά με το έγχρωμο φως των δυαδικών άστρων και μερικών άλλων άστρων των ουρανών») το 1842. Το έργο του Ντόπλερ επικεντρώθηκε στην ανάλυση του φωτός από το δυαδικό αστέρι. Παρατήρησε ότι τα χρώματα των αστεριών άλλαζαν ανάλογα με τη σχετική κίνησή τους.

Τι είναι το φαινόμενο Doppler;

Με απλά λόγια, το φαινόμενο Doppler είναι η αλλαγή στο ύψος ή τη συχνότητα ενός ηχητικού ή φωτεινού κύματος καθώς κινείται η πηγή ή ο παρατηρητής. Όταν μια πηγή κυμάτων (όπως ένας κινητήρας αυτοκινήτου ή ένα αστέρι) πλησιάζει πιο κοντά σε έναν παρατηρητή, η συχνότητα των κυμάτων αυξάνεται. Η συχνότητα του κύματος αυξάνεται, οπότε το ύψος του ήχου γίνεται υψηλότερο ή το μήκος κύματος του φωτός γίνεται πιο μπλε. Αντίθετα, όταν η πηγή απομακρύνεται από τον παρατηρητή, η συχνότητα μειώνεται. Η ένταση του ήχου μειώνεται ή το φως γίνεται πιο κόκκινο.

Πώς λειτουργεί το φαινόμενο Doppler

Τα κύματα που πλησιάζουν έναν παρατηρητή συμπιέζονται, γεγονός που αυξάνει τη συχνότητά τους. Από την άλλη πλευρά, τα κύματα από μια πηγή που απομακρύνεται από έναν παρατηρητή τεντώνονται. Όταν η απόσταση μεταξύ των κυμάτων αυξάνεται, η συχνότητα μειώνεται.

Το φαινόμενο Doppler και τα ηχητικά κύματα

Παραδείγματα του φαινομένου Doppler στα ηχητικά κύματα συμβαίνουν σε καθημερινά σενάρια όπως μια σειρήνα που περνάει ή ένα σφύριγμα τρένου. Όταν ένα αστυνομικό αυτοκίνητο με σειρήνα περνά δίπλα από έναν παρατηρητή, η ένταση της σειρήνας φαίνεται να ανεβαίνει καθώς το αυτοκίνητο πλησιάζει και μετά να πέφτει καθώς απομακρύνεται.

Τύπες

Η συχνότητα των παρατηρητών εξαρτάται από την πραγματική συχνότητα, την ταχύτητα του παρατηρητή και την ταχύτητα της πηγής:

f’ =f (V ± V0) / (V ± Vs)

Εδώ:

• f' είναι η παρατηρούμενη συχνότητα
• f είναι η πραγματική συχνότητα
• V είναι η ταχύτητα των κυμάτων
• V0 είναι η ταχύτητα του παρατηρητή
• Vs είναι η ταχύτητα της πηγής

Πηγή που προσεγγίζει έναν παρατηρητή σε κατάσταση ηρεμίας

Όταν ο παρατηρητής έχει ταχύτητα μηδέν, τότε V0 =0.

f’ =f [V / (V – Vs)]

Πηγή που απομακρύνεται από έναν παρατηρητή σε κατάσταση ηρεμίας

Όταν ο παρατηρητής έχει ταχύτητα 0, V0 =0. Επειδή η πηγή απομακρύνεται, η ταχύτητα έχει αρνητικό πρόσημο.

f’ =f [V / (V – (-Vs))] ή f’ =f [V / (V +Vs)]

Ο παρατηρητής προσεγγίζει μια σταθερή πηγή

Σε αυτήν την περίπτωση, το Vs ισούται με 0:

f’ =f (V +V0) / V

Ο παρατηρητής απομακρύνεται από σταθερή πηγή

Ο παρατηρητής απομακρύνεται από την πηγή, άρα η ταχύτητα είναι αρνητική:

f’ =f (V -V0) / V

Πρόβλημα παραδείγματος Doppler

Για παράδειγμα, ένα αγόρι τρέχει προς ένα μουσικό κουτί. Το κουτί παράγει ήχο με συχνότητα 500 Hz. Το αγόρι τρέχει προς το κουτί με ταχύτητα 2 m/s. Τι συχνότητα ακούει το αγόρι; Η ταχύτητα του ήχου στον αέρα είναι 343 m/s.

Εφόσον το αγόρι πλησιάζει ένα ακίνητο αντικείμενο, ο σωστός τύπος είναι:

f’ =f (V +V0) / V ή f (1 +V0/V)

Βάζοντας τους αριθμούς:

f’ =500 sec-1 [1 + (2 m/s / 343 m/s)] =502,915 sec-1 =502,915 Hz

Φαινόμενο Doppler στο φως

Στα φωτεινά κύματα, το φαινόμενο Doppler είναι γνωστό ως μετατόπιση κόκκινου ή μπλε, ανάλογα με το αν η πηγή απομακρύνεται ή προς τον παρατηρητή. Όταν ένα αστέρι ή ένας γαλαξίας απομακρύνεται από τον παρατηρητή, το φως του μετατοπίζεται σε μεγαλύτερα μήκη κύματος (μετατόπιση κόκκινου). Αντίθετα, όταν η πηγή κινείται προς τον παρατηρητή, το φως της μετατοπίζεται σε μικρότερα μήκη κύματος (μπλε μετατόπιση). Η μετατόπιση του κόκκινου και η μετατόπιση του μπλε είναι σημαντικές στην αστρονομία, καθώς παρέχουν πληροφορίες σχετικά με την κίνηση και την απόσταση των ουράνιων αντικειμένων.

Τύπος

Ο τύπος για το φαινόμενο Doppler στο φως διαφέρει από τον τύπο του ήχου επειδή το φως (σε αντίθεση με τους ήχους) δεν χρειάζεται μέσο για τη διάδοση. Επίσης, η εξίσωση είναι σχετικιστική γιατί το φως στο κενό ταξιδεύει με (το μαντέψατε) την ταχύτητα του φωτός. Η μετατόπιση συχνότητας (ή μήκους κύματος) εξαρτάται μόνο από τις σχετικές ταχύτητες του παρατηρητή και της πηγής.

λR =λS [(1-β) / (1+β)]1/2

• λR είναι το μήκος κύματος που βλέπει ο δέκτης
• λS είναι το μήκος κύματος της πηγής
• β =v/c =ταχύτητα / ταχύτητα φωτός

Πόσο γρήγορα να κάνετε ένα κόκκινο φως να φαίνεται πράσινο

Εξερευνήστε το φαινόμενο Doppler στο φως και υπολογίστε πόσο γρήγορα πρέπει να πάτε ώστε ένα κόκκινο φανάρι να εμφανίζεται πράσινο. (Όχι, δεν θα σας βγάλει από ένα εισιτήριο.)

Πρακτικές εφαρμογές του φαινομένου Doppler

Το φαινόμενο Doppler έχει πολλές πρακτικές εφαρμογές. Στην αστρονομία, μετρά την ταχύτητα και την κατεύθυνση των ουράνιων αντικειμένων όπως τα αστέρια και οι γαλαξίες. Η μετεωρολογία χρησιμοποιεί το φαινόμενο Doppler για να βρει τις ταχύτητες του ανέμου αναλύοντας τη μετατόπιση Doppler των κυμάτων ραντάρ. Στην ιατρική απεικόνιση, το υπερηχογράφημα Doppler απεικονίζει τη ροή του αίματος στο σώμα. Άλλες χρήσεις περιλαμβάνουν σειρήνες, ραντάρ, μέτρηση κραδασμών και δορυφορική επικοινωνία.

Αναφορές

• Ballot, Buijs (1845). «Akustische Versuche auf der Niederländischen Eisenbahn, nebst gelegentlichen Bemerkungen zur Theorie des Hrn. Prof. Doppler (στα γερμανικά)». Annalen der Physik und Chemie . 142 (11):321–351. doi:10.1002/andp.18451421102
• Becker, Barbara J. (2011). Unravelling Starlight:William and Margaret Huggins and the Rise of the New Astronomy . Cambridge University Press. ISBN 9781107002296.
• Percival, Will; et al. (2011). «Επισκόπηση άρθρου:Redshift-space distortions». Philosophical Transactions of the Royal Society . 369 (1957):5058–67. doi:10.1098/rsta.2011.0370
• Qingchong, Liu (1999). «Μέτρηση και αντιστάθμιση Doppler σε συστήματα κινητών δορυφορικών επικοινωνιών». Πρακτικά Συνεδρίου Στρατιωτικών Επικοινωνιών / MILCOM. 1:316–320. ISBN 978-0-7803-5538-5. doi:10.1109/milcom.1999.822695
• Rosen, Joe; Gothard, Lisa Quinn (2009). Εγκυκλοπαίδεια Φυσικής Επιστήμης . Εκδόσεις Βάσης Πληροφοριών. ISBN 978-0-8160-7011-4.