تأثير دوبلر هو تغيير في طول وتردد الموجات المسجلة بواسطة جهاز الاستقبال، مما يؤدي إلى حركة مصدرها أو جهاز الاستقبال نفسه. حصل التأثير على هذا الاسم تكريما لكريستيان دوبلر الذي اكتشفه. تم إثبات هذه الفرضية لاحقًا بطريقة تجريبية على يد العالم الهولندي كريستيان بالوت، الذي وضع فرقة نحاسية في عربة سكة حديد مفتوحة وقام بتجميع مجموعة من أكثر الموسيقيين موهبة على المنصة. عندما مرت عربة مع أوركسترا بجوار المنصة، قام الموسيقيون بتشغيل ملاحظة، وكتب المستمعون على الورق ما سمعوه. كما هو متوقع، كان إدراك طبقة الصوت يعتمد بشكل مباشر على قانون دوبلر.
عمل تأثير دوبلر
يتم شرح هذه الظاهرة بكل بساطة. تتأثر النغمة المسموعة للصوت بتردد الموجة الصوتية التي تصل إلى الأذن. عندما يتحرك مصدر الصوت نحو شخص ما، تأتي كل موجة لاحقة بشكل أسرع وأسرع. ترى الأذن أن الموجات أكثر تكرارًا، مما يجعل الصوت يبدو أعلى طبقة. ولكن مع تحرك مصدر الصوت بعيدًا، تنبعث الموجات اللاحقة لمسافة أبعد قليلاً وتصل إلى الأذن في وقت متأخر عن الموجات السابقة، ولهذا السبب يتم الشعور بالصوت بشكل أقل.
وتحدث هذه الظاهرة ليس فقط أثناء حركة مصدر الصوت، ولكن أيضًا أثناء حركة الشخص. "الجري" في الموجة، يعبر الشخص قممها في كثير من الأحيان، ويرى الصوت أعلى، ويبتعد عن الموجة - والعكس صحيح. وبالتالي فإن تأثير دوبلر لا يعتمد على حركة مصدر الصوت أو مستقبله بشكل منفصل. يحدث الإدراك الصوتي المقابل عندما تتحرك بالنسبة لبعضها البعض، وهذا التأثير مميز ليس فقط للموجات الصوتية، ولكن أيضًا للضوء والإشعاع المشع.
تطبيق تأثير دوبلر
تأثير دوبلر لا يتوقف أبدًا عن اللعب بشكل كبير دور مهمفي مختلف مجالات العلوم والنشاط الإنساني. وبمساعدتها، تمكن علماء الفلك من معرفة أن الكون يتوسع باستمرار، وأن النجوم "تهرب" من بعضها البعض. كما يسمح لك تأثير دوبلر بتحديد معلمات الحركة مركبة فضائيةوالكواكب. كما أنه يشكل الأساس لتشغيل الرادارات التي يستخدمها ضباط شرطة المرور للسيارات. يتم استخدام نفس التأثير المتخصصين الطبيينوالتي تستخدم جهاز الموجات فوق الصوتية لتمييز الأوردة والشرايين أثناء الحقن.
ربما لاحظت أن نغمة صفارة سيارة الإطفاء، التي تتحرك بسرعة عالية، تنخفض بشكل حاد بعد مرور السيارة بك. ربما لاحظت أيضًا تغيرًا في طبقة إشارة السيارة التي تمر بجانبك بسرعة عالية.
تتغير أيضًا درجة حرارة محرك سيارة السباق أثناء مرورها بمراقب. إذا اقترب مصدر الصوت من الراصد، تزداد حدة الصوت مقارنة بالوقت الذي كان فيه مصدر الصوت في حالة سكون. إذا تحرك مصدر الصوت بعيدًا عن الراصد، فإن طبقة الصوت تنخفض. وتسمى هذه الظاهرة تأثير دوبلر وتحدث لجميع أنواع الموجات. ولنتأمل الآن أسباب حدوثه ونحسب التغير في تردد الموجات الصوتية نتيجة لهذا التأثير.
أرز. 1
ولنتأمل، لأغراض ملموسة، سيارة إطفاء تصدر صفارة الإنذار الخاصة بها، عندما تكون السيارة متوقفة، صوتًا بتردد معين في جميع الاتجاهات، كما هو موضح في الشكل. 1. الآن دع شاحنة الإطفاء تبدأ في التحرك وتستمر صفارة الإنذار في إصدار موجات صوتية بنفس التردد. ومع ذلك، أثناء القيادة، ستكون الموجات الصوتية المنبعثة من صفارة الإنذار للأمام أقرب إلى بعضها مما لو كانت السيارة متوقفة، كما هو موضح في الشكل. 2. 
أرز. 2
يحدث هذا لأنه أثناء حركتها، "تلحق" سيارة الإطفاء بالأمواج المنبعثة مسبقًا. وهكذا سوف يلاحظ المراقب على طول الطريق عدد أكبرتمر بها قمم موجية لكل وحدة زمنية، وبالتالي سيكون تردد الصوت أعلى. ومن ناحية أخرى، فإن الموجات التي تنتشر خلف السيارة ستكون أبعد عن بعضها البعض، لأن السيارة تبدو وكأنها "تنفصل" عنها. وبالتالي، لكل وحدة زمنية، سيمر عدد أقل من قمم الموجات من قبل مراقب خلف السيارة، وستكون طبقة الصوت أقل.
لحساب التغير في التردد نستخدم الشكل . 3 و 4. سنفترض أنه في إطارنا المرجعي، يكون الهواء (أو أي وسط آخر) في حالة سكون. في التين. 3 مصدر الصوت (على سبيل المثال، صفارة الإنذار) في حالة سكون. 
يتم عرض قمتين متتاليتين للموجة، تنبعث إحداهما للتو من مصدر الصوت. المسافة بين هذه القمم تساوي الطول الموجي λ
. إذا كان تردد اهتزاز مصدر الصوت هو F، فإن الزمن المنقضي بين انبعاث قمم الموجات يساوي تي = 1/و.
في التين. 4 يتحرك مصدر الصوت بسرعة v المصدر. خلال ت(لقد تم تحديده للتو) القمة الأولى للموجة سوف تذهب المسافة د = vT، أين الخامس- سرعة الموجة الصوتية في الهواء (والتي بالطبع ستكون هي نفسها بغض النظر عما إذا كان المصدر يتحرك أم لا). وفي نفس الوقت، سيتحرك مصدر الصوت مسافة المصدر د = المصدر الخامس T. ومن ثم فإن المسافة بين قمم الموجات المتعاقبة تساوي الطول الموجي الجديد λ /
، سيتم كتابتها في النموذج
lect / = د − مصدر د = (v − v مصدر)T = (v − v مصدر)/f,
بسبب ال تي = 1/و.
تكرار F/يتم إعطاء الموجات بواسطة
f / = v/ lect / = vf/(v - v مصدر)،
أو 
يقترب مصدر الصوت من المراقب في حالة الراحة.
وبما أن مقام الكسر أقل من واحد، فهذا يعني أننا فعلنا ذلك و/>و. على سبيل المثال، إذا كان المصدر يصدر صوتًا بتردد 400 هرتز، عندما يكون في حالة سكون، ثم عندما يبدأ المصدر في التحرك نحو الراصد الثابت، بسرعة 30 م / ث، سوف يسمع الأخير صوتًا على تردد (عند درجة حرارة 0 درجة مئوية) 440 هرتز.
طول موجي جديد لمصدر يتحرك بعيدًا عن المراقب بسرعة v المصدر، سيكون متساويا
LA / = د + د المصدر
في هذه الحالة التردد F/يعطى من خلال التعبير 
يتحرك مصدر الصوت بعيدًا عن المراقب أثناء الراحة.
يحدث تأثير دوبلر أيضًا عندما يكون مصدر الصوت في حالة سكون (بالنسبة إلى الوسط الذي تنتشر فيه الموجات الصوتية) ويتحرك المراقب. إذا اقترب مراقب من مصدر صوت، فإنه يسمع صوتًا أعلى حدة من الصوت الصادر عن المصدر. إذا ابتعد الراصد عن المصدر بدا الصوت أقل بالنسبة له. ومن الناحية الكمية، فإن التغير في التردد هنا لا يختلف كثيرًا عن الحالة التي يكون فيها المصدر متحركًا والراصد في حالة سكون. في هذه الحالة، المسافة بين قمم الموجة (الطول الموجي λ
) لا يتغير، لكن سرعة حركة التلال بالنسبة للمراقب تتغير. إذا اقترب الراصد من مصدر الصوت، فإن سرعة الموجات بالنسبة للراصد ستكون مساوية لـ v / = v + v obs، أين الخامسهي سرعة انتشار الصوت في الهواء (نفترض أن الهواء في حالة سكون)، و v obs.- سرعة المراقب. وبالتالي فإن التردد الجديد سيكون مساوياً لـ
f / = v / / lect = (v + v obs)/ lect,
أو بسبب lect = ت/و,
يقترب مراقب من مصدر صوت ثابت.
وفي حالة تحرك الراصد بعيدًا عن مصدر الصوت، فإن السرعة النسبية ستكون مساوية لـ v / = v - v obs، ونحن لدينا 
يتحرك المراقب بعيدًا عن مصدر الصوت الثابت.
إذا انعكست موجة صوتية من عائق متحرك، فإن تردد الموجة المنعكسة بسبب تأثير دوبلر سيكون مختلفًا عن تردد الموجة الساقطة.
دعونا ننظر إلى هذا المثال التالي.
مثال. موجة صوتية مع التردد 5000 هرتزتنبعث في اتجاه الجسم الذي يقترب من مصدر الصوت بسرعة 3.30 م/ث. ما تردد الموجة المنعكسة؟
حل.
في هذه الحالة، يحدث تأثير دوبلر مرتين.
أولاً، يتصرف الجسم الذي يتم توجيه الموجة الصوتية إليه كمراقب متحرك و"يسجل" الموجة الصوتية عند التردد
ثانيا، يعمل الجسم كمصدر ثانوي للصوت (المنعكس) الذي يتحرك بحيث يكون تردد الموجة الصوتية المنعكسة 
وبالتالي، فإن تحول تردد دوبلر يساوي 100 هرتز.
إذا تم تراكب الموجات الصوتية الحادثة والمنعكسة على بعضها البعض، فسيحدث تراكب، مما سيؤدي إلى حدوث نبضات. تردد النبض يساوي الفرق بين ترددي الموجتين، وفي المثال الذي تمت مناقشته أعلاه سيكون مساوياً لـ 100 هرتز. يستخدم هذا المظهر من مظاهر تأثير دوبلر على نطاق واسع في الأجهزة الطبية المختلفة، والتي تستخدم عادة الموجات فوق الصوتية في نطاق تردد ميغاهيرتز. على سبيل المثال، يمكن استخدام الموجات فوق الصوتية المنعكسة من خلايا الدم الحمراء لتحديد سرعة تدفق الدم. وبالمثل، يمكن استخدام هذه الطريقة للكشف عن الحركة صدرالجنين، وكذلك لمراقبة نبضات القلب عن بعد.
وتجدر الإشارة إلى أن تأثير دوبلر هو أيضاً أساس طريقة الكشف الراداري للمركبات التي تتجاوز السرعة المقررة، ولكن في هذه الحالة يتم استخدام الموجات الكهرومغناطيسية (الراديو) بدلاً من الموجات الصوتية.
تنخفض دقة العلاقات (1 − 2) و (3 − 4) إذا v المصدرأو v obs.يقترب من سرعة الصوت. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن إزاحة جزيئات الوسط لن تكون متناسبة مع قوة الاستعادة، أي. سوف تنشأ انحرافات عن قانون هوك، بحيث يفقد معظم تفكيرنا النظري قوته.
حل المشاكل التالية.
المشكلة 1. انتاج | صيغة عامةلتغيير تردد الصوت F/بسبب تأثير دوبلر في حالة تحرك كل من المصدر والراصد.
المشكلة 2. في الظروف العاديةسرعة تدفق الدم في الشريان الأورطي تساوي تقريبا 0.28 م/ث. يتم توجيه الموجات فوق الصوتية ذات التردد على طول التدفق 4.20 ميجاهيرتز. وتنعكس هذه الموجات من خلايا الدم الحمراء. ما هو تردد النبضات المرصودة؟ اعتبر أن سرعة هذه الموجات تساوي 1.5 × 10 3 م/ث، أي. قريبة من سرعة الصوت في الماء.
المشكلة 3. تأثير دوبلر للموجات فوق الصوتية عند التردد 1.8 ميجا هرتزيستخدم لمراقبة معدل ضربات قلب الجنين. تردد النبض الملاحظ (الحد الأقصى) هو 600 هرتز. بافتراض أن سرعة انتشار الصوت في الأنسجة تساوي 1.5 × 10 3 م/ث، احسب السرعة السطحية القصوى للقلب النابض.
المشكلة 4. صوت بوق المصنع له تردد 650 هرتز. إذا هبت الرياح الشمالية بسرعة 12.0 م/ث، إذن ما هو التردد الذي سيسمعه الراصد الساكن، الموجود أ) في الشمال، ب) في الجنوب، ج) في الشرق، د) إلى الغرب من الجرس؟ ما هو تردد الصوت الذي سيسمعه راكب الدراجة عندما يقترب بسرعة؟ 15 م/ثإلى الصافرة ه) من الشمال أم و) من الغرب؟ درجة حرارة الهواء 20 درجة مئوية.
المشكلة 5. صافرة تتأرجح في التردد 500 هرتز، يتحرك في دائرة نصف قطرها 1 م، عمل 3 الثورات في الثانية الواحدة. تحديد أعلى وأدنى الترددات التي يراها مراقب ثابت على مسافة 5 ممن وسط الدائرة. تعتبر سرعة الصوت في الهواء مساوية لـ 340 م/ث.
- أهم ظاهرة في فيزياء الموجات. قبل الانتقال مباشرة إلى جوهر الموضوع، هناك القليل من النظرية التمهيدية.
تردد– بدرجة أو بأخرى، عملية متكررة لتغيير حالة النظام حول موضع التوازن. موجة- وهي ذبذبة يمكن أن تبتعد عن مكان نشأتها وتنتشر في الوسط. وتتميز الأمواج السعة, طولو تكرار. الصوت الذي نسمعه هو موجة، أي. الاهتزازات الميكانيكية لجزيئات الهواء المنتشرة من مصدر الصوت.
متسلحين بمعلومات عن الموجات، فلننتقل إلى تأثير دوبلر. وإذا كنت تريد معرفة المزيد عن الاهتزازات والموجات والرنين، فمرحبًا بك في مدونتنا.
جوهر تأثير دوبلر
المثال الأكثر شيوعًا والأبسط الذي يشرح جوهر تأثير دوبلر هو مراقب ثابت وسيارة بها صفارة إنذار. لنفترض أنك تقف في محطة للحافلات. سيارة إسعاف مع صفارة الإنذار تتجه نحوك في الشارع. تردد الصوت الذي ستسمعه عند اقتراب السيارة ليس هو نفسه.
سيكون الصوت في البداية ذو تردد أعلى عندما تتوقف السيارة. سوف تسمع التردد الحقيقي لصوت صفارة الإنذار، وسوف يقل تردد الصوت كلما ابتعدت. هذا ما هو عليه تأثير دوبلر.
يتغير التردد والطول الموجي للإشعاع الذي يراه المراقب بسبب حركة مصدر الإشعاع.
إذا سُئل كاب من اكتشف تأثير دوبلر، سيجيب دون تردد أن دوبلر هو من اكتشف ذلك. وسيكون على حق. هذه الظاهرة مثبتة نظريا في 1842 سنة من قبل الفيزيائي النمساوي كريستيان دوبلر، وسمي فيما بعد باسمه. وقد استمد دوبلر نظريته بنفسه من خلال ملاحظة التموجات على الماء واقتراح إمكانية تعميم الملاحظات على جميع الموجات. أصبح من الممكن لاحقًا تأكيد تأثير دوبلر للصوت والضوء تجريبيًا.
أعلاه نظرنا إلى مثال لتأثير دوبلر للموجات الصوتية. ومع ذلك، فإن تأثير دوبلر لا ينطبق فقط على الصوت. هناك:
- تأثير دوبلر الصوتية.
- تأثير دوبلر البصري.
- تأثير دوبلر ل موجات كهرومغناطيسية;
- تأثير دوبلر النسبي.
لقد كانت التجارب على الموجات الصوتية هي التي ساعدت في تقديم أول تأكيد تجريبي لهذا التأثير.
التأكيد التجريبي لتأثير دوبلر
يرتبط تأكيد صحة منطق كريستيان دوبلر بإحدى التجارب الفيزيائية المثيرة للاهتمام وغير العادية. في 1845 عالم الأرصاد الجوية من هولندا الاقتراع المسيحيأخذ قاطرة قوية وأوركسترا مكونة من موسيقيين ذوي نغمة مثالية. ركب بعض الموسيقيين - وكانوا عازفي البوق - في المنطقة المفتوحة للقطار وكانوا يعزفون نفس النغمة باستمرار. لنفترض أنها كانت A من الأوكتاف الثاني.
وكان موسيقيون آخرون في المحطة يستمعون إلى ما كان يعزفه زملاؤهم. أدى السمع المطلق لجميع المشاركين في التجربة إلى تقليل احتمالية الخطأ إلى الحد الأدنى. استمرت التجربة يومين، وكان الجميع متعبين، وتم حرق الكثير من الفحم، لكن النتائج كانت تستحق العناء. اتضح أن درجة الصوت تعتمد حقًا على السرعة النسبية للمصدر أو المراقب (المستمع).
تطبيق تأثير دوبلر
أحد التطبيقات الأكثر شهرة هو تحديد سرعة الأجسام المتحركة باستخدام مستشعرات السرعة. تنعكس إشارات الراديو التي يرسلها الرادار من السيارات وتعود مرة أخرى. في هذه الحالة، يرتبط إزاحة التردد الذي تعود عنده الإشارات ارتباطًا مباشرًا بسرعة الآلة. ومن خلال مقارنة السرعة وتغير التردد، يمكن حساب السرعة.
يستخدم تأثير دوبلر على نطاق واسع في الطب. ويستند تشغيل الأجهزة على ذلك التشخيص بالموجات فوق الصوتية. هناك تقنية منفصلة في الموجات فوق الصوتية تسمى تصوير الدوبلر.
كما يستخدم تأثير دوبلر في بصريات, الصوتيات, إلكترونيات الراديو, الفلك, رادار.
بالمناسبة! لقرائنا هناك الآن خصم 10٪ على
لعب اكتشاف تأثير دوبلر دورًا مهمًا في تطور الفيزياء الحديثة. أحد التأكيدات نظرية الانفجار الكبيرويستند على هذا التأثير. ما هي العلاقة بين تأثير دوبلر والانفجار الكبير؟ وفقا لنظرية الانفجار الكبير، الكون يتوسع.
عند مراقبة المجرات البعيدة، يلاحظ التحول الأحمر - تحول الخطوط الطيفية إلى الجانب الأحمر من الطيف. من خلال شرح التحول الأحمر باستخدام تأثير دوبلر، يمكننا استخلاص استنتاج يتوافق مع النظرية: المجرات تتحرك بعيدًا عن بعضها البعض، والكون يتوسع.
صيغة لتأثير دوبلر
عندما تم انتقاد نظرية تأثير دوبلر، كانت إحدى الحجج التي ساقها معارضو العالم هي أن النظرية وردت في ثماني صفحات فقط، وأن اشتقاق صيغة تأثير دوبلر لم يكن يحتوي على حسابات رياضية مرهقة. في رأينا، هذه مجرد ميزة إضافية!
يترك ش - سرعة المستقبل بالنسبة للوسط، الخامس - سرعة مصدر الموجة بالنسبة للوسط، مع - سرعة انتشار الموجات في الوسط، w0 - تردد موجات المصدر. ثم صيغة تأثير دوبلر نفسه الحالة العامةسوف تبدو مثل هذا:
هنا ث - التردد الذي سيسجله جهاز الاستقبال.
تأثير دوبلر النسبي
على النقيض من تأثير دوبلر الكلاسيكي، عندما تنتشر الموجات الكهرومغناطيسية في الفراغ، لحساب تأثير دوبلر، يجب استخدام SRT ويجب أن يؤخذ تمدد الزمن النسبي في الاعتبار. دع الضوء - مع , الخامس - سرعة المصدر بالنسبة إلى جهاز الاستقبال، ثيتا - الزاوية بين الاتجاه إلى المصدر ومتجه السرعة المرتبط بالنظام المرجعي للمستقبل. ثم ستبدو صيغة تأثير دوبلر النسبي كما يلي:
تحدثنا اليوم عن التأثير الأكثر أهمية في عالمنا - تأثير دوبلر. هل تريد أن تتعلم كيفية حل مشاكل تأثير دوبلر بسرعة وسهولة؟ اسألهم وسيكونون سعداء بمشاركة تجربتهم! وفي النهاية - المزيد عن نظرية الانفجار الكبير وتأثير دوبلر.
في الصوتيات، يتم تحديد التغير في التردد نتيجة لتأثير دوبلر من خلال سرعات حركة المصدر والمستقبل بالنسبة إلى الوسط الذي هو الناقل للموجات الصوتية (انظر الصيغة (103.2)). تأثير دوبلر موجود أيضًا في موجات الضوء. ومع ذلك، لا يوجد وسط خاص يمكن أن يكون بمثابة حامل للموجات الكهرومغناطيسية. ولذلك، فإن إزاحة دوبلر لتردد موجات الضوء يتم تحديدها فقط من خلال السرعة النسبية للمصدر والمستقبل.
دعونا نربط أصل إحداثيات نظام K مع مصدر الضوء، وأصل إحداثيات نظام K مع جهاز الاستقبال (الشكل 151.1). دعونا نوجه المحاور، كالعادة، على طول متجه السرعة v الذي يتحرك به النظام K (أي المستقبل) بالنسبة إلى النظام K (أي المصدر). إن معادلة الموجة الضوئية المستوية المنبعثة من المصدر نحو المستقبل سيكون لها الشكل في النظام K
هنا هو تردد الموجة الثابت في الإطار المرجعي المرتبط بالمصدر، أي التردد الذي يتأرجح به المصدر. نحن نفترض أن موجة الضوء تنتقل في الفراغ؛ وبالتالي فإن سرعة المرحلة تساوي ج.
وفقا لمبدأ النسبية، فإن قوانين الطبيعة لها نفس الشكل في جميع الأطر المرجعية بالقصور الذاتي. وبالتالي، في نظام K، يتم وصف الموجة (151.1) بالمعادلة
أين هو التردد المسجل في النظام المرجعي K، أي التردد الذي يدركه جهاز الاستقبال. لقد قمنا بتجهيز جميع الكميات باستثناء ج، وهو نفسه في جميع الأنظمة المرجعية.
يمكن الحصول على المعادلة الموجية في نظام K من المعادلة الموجودة في نظام K مروراً باستخدام تحويلات لورنتز.
استبدال في و ر وفقا للصيغ (63.16) من المجلد الأول، نحصل على
(يتم لعب الدور بواسطة v). يمكن بسهولة اختزال التعبير الأخير إلى النموذج
تصف المعادلة (151.3) نفس الموجة في نظام K بالمعادلة (151.2). ولذلك يجب أن تكون العلاقة راضية
دعنا نغير الترميز: نشير إلى تردد المصدر c بـ وتردد جهاز الاستقبال بـ . ونتيجة لذلك، سوف تأخذ الصيغة النموذج
وبالانتقال من التردد الدائري إلى التردد العادي نحصل على
(151.5)
إن سرعة المستقبل بالنسبة للمصدر، والتي تظهر في الصيغتين (151.4) و (151.5)، هي كمية جبرية. عندما يتحرك المستقبل بعيدًا، وبالتالي عندما يقترب المستقبل من المصدر، فمع
إذا كان من الممكن كتابة الصيغة (151.4) تقريبًا على النحو التالي:
من هنا، نقتصر على شروط النظام، ونحصل على ذلك
(151.6)
من هذه الصيغة يمكنك العثور على التغير النسبي في التردد:
(151.7)
(المقصود ).
ويمكن إثبات أنه بالإضافة إلى التأثير الطولي الذي تناولناه، هناك أيضًا تأثير دوبلر عرضي للموجات الضوئية. وهو يتألف من انخفاض في التردد الذي يدركه المستقبل، والذي يتم ملاحظته في الحالة التي يتم فيها توجيه ناقل السرعة النسبية بشكل عمودي على الخط الذي يمر عبر المستقبل والمصدر (عندما يتحرك المصدر، على سبيل المثال، في دائرة في المركز الذي يتم وضع المتلقي).
في هذه الحالة، يرتبط التردد في النظام المصدر بالتردد في نظام المستقبل بالعلاقة
التغير النسبي في التردد نتيجة لتأثير دوبلر المستعرض
يتناسب مع مربع النسبة وبالتالي أقل بكثير من التأثير الطولي، الذي يتناسب فيه التغير النسبي في التردد مع القوة الأولى
تم إثبات وجود تأثير دوبلر المستعرض تجريبيًا بواسطة آيفز في عام 1938. في تجارب آيفز، تم تحديد التغير في تواتر إشعاع ذرات الهيدروجين في حزم القناة (انظر الفقرة الأخيرة من الفقرة 85). وكانت سرعة الذرات حوالي 106 م/ث. تمثل هذه التجارب تأكيدًا تجريبيًا مباشرًا لصحة تحويلات لورنتز.
بشكل عام، يمكن تقسيم ناقل السرعة النسبية إلى مكونين، أحدهما موجه على طول الشعاع والآخر عمودي على الشعاع. سيحدد المكون الأول الطولي، والثاني - تأثير دوبلر المستعرض.
يستخدم تأثير دوبلر الطولي لتحديد السرعة الشعاعية للنجوم. ومن خلال قياس التحول النسبي للخطوط في أطياف النجوم، يمكننا استخدام الصيغة (151.4) لتحديد ذلك
تؤدي الحركة الحرارية لجزيئات الغاز المضيء، بسبب تأثير دوبلر، إلى اتساع الخطوط الطيفية. ونظرًا للطبيعة الفوضوية للحركة الحرارية، فإن جميع اتجاهات السرعات الجزيئية المتعلقة بالمطياف محتملة بنفس القدر. ولذلك فإن الإشعاع المسجل بواسطة الجهاز يحتوي على جميع الترددات الموجودة في الفاصل الزمني من حيث التردد المنبعث من الجزيئات، v هي سرعة الحركة الحرارية (انظر الصيغة (151.6)). وبالتالي، فإن العرض المسجل للخط الطيفي سيكون القيمة
(151.10)
يسمى عرض دوبلر للخط الطيفي (v يعني السرعة الأكثر احتمالا للجزيئات). من خلال حجم توسيع دوبلر للخطوط الطيفية، يمكن الحكم على سرعة الحركة الحرارية للجزيئات، وبالتالي درجة حرارة الغاز المضيء.
يعتمد التردد المدرك للموجة على السرعة النسبية لمصدرها.
ربما أتيحت لك الفرصة مرة واحدة على الأقل في حياتك للوقوف بجانب الطريق الذي تمر عبره سيارة بإشارة خاصة وصفارة إنذار. أثناء اقتراب عواء صفارات الإنذار، تكون نغمتها أعلى، ثم عندما تمسك السيارة معك، تنخفض، وأخيرًا، عندما تبدأ السيارة في الابتعاد، تنخفض مرة أخرى، ويصبح الأمر مألوفًا: Yyyiiieeaaaaaaaowuuuuuummm - مثل هذا عن عضو الصوت. ربما دون أن تدرك ذلك، فأنت تراقب الخاصية الأساسية (والأكثر فائدة) للموجات.
الأمواج بشكل عام شيء غريب. تخيل زجاجة فارغة تتدلى بالقرب من الشاطئ. إنها تمشي صعودا وهبوطا، ولا تقترب من الشاطئ، بينما يبدو أن الماء يندفع إلى الشاطئ في الأمواج. لكن لا - يظل الماء (والزجاجة الموجودة فيه) في مكانه، ويتأرجح فقط في مستوى عمودي على سطح الخزان. وبعبارة أخرى، فإن حركة الوسط الذي تنتشر فيه الموجات لا تتوافق مع حركة الموجات نفسها. على الأقل، تعلم مشجعو كرة القدم هذا جيدًا وتعلموا استخدامه عمليًا: عند إرسال "موجة" حول الملعب، فإنهم هم أنفسهم لا يركضون في أي مكان، بل ينهضون ويجلسون بدورهم، و"الموجة" (في المملكة المتحدة، تسمى هذه الظاهرة عادة "الموجة المكسيكية" ") تدور حول المدرجات.
عادة ما يتم وصف الموجات تكرار(عدد قمم الموجة في الثانية عند نقطة المراقبة) أو طول(المسافة بين تلال أو وديان متجاورة). وترتبط هاتان الخاصيتان ببعضهما البعض من خلال سرعة انتشار الموجة في الوسط، وبالتالي، بمعرفة سرعة انتشار الموجة وإحدى خصائص الموجة الرئيسية، يمكنك بسهولة حساب الأخرى.
بمجرد أن تبدأ الموجة، يتم تحديد سرعة انتشارها فقط من خلال خصائص الوسط الذي تنتشر فيه - لم يعد مصدر الموجة يلعب أي دور. على سطح الماء، على سبيل المثال، الموجات، بمجرد إثارةها، لا تنتشر إلا بسبب تفاعل قوى الضغط والتوتر السطحي والجاذبية. تنتشر الموجات الصوتية في الهواء (وغيرها من الوسائط الموصلة للصوت) بسبب النقل الاتجاهي لاختلافات الضغط. ولا تعتمد أي من آليات انتشار الموجة على مصدر الموجة. ومن هنا تأثير دوبلر.
دعونا نفكر مرة أخرى في مثال صفارة الإنذار. لنفترض أولاً أن السيارة الخاصة ثابتة. يصل إلينا صوت صفارة الإنذار لأن الغشاء المرن الموجود بداخلها يعمل بشكل دوري على الهواء، مما يؤدي إلى ضغطه - مناطقه ضغط دم مرتفع- بالتناوب مع الخلخلة. تنتشر قمم الضغط - "قمم" الموجة الصوتية - عبر الوسط (الهواء) حتى تصل إلى آذاننا وتؤثر على طبلة الأذنوالتي سيتم من خلالها إرسال إشارة إلى دماغنا (هكذا تعمل السمع). نحن نطلق تقليديًا على تردد اهتزازات الصوت التي ندركها على أنها نغمة أو طبقة صوت: على سبيل المثال، تردد اهتزاز يبلغ 440 هرتز في الثانية يتوافق مع النغمة "A" للأوكتاف الأول. لذلك، بينما تكون المركبة الخاصة ثابتة، سنستمر في سماع نغمة إشارتها دون تغيير.
ولكن بمجرد أن تبدأ السيارة الخاصة في التحرك نحوك، سيتم إضافة تأثير جديد. خلال الفترة الممتدة من انبعاث ذروة موجة إلى أخرى، ستسافر السيارة مسافة معينة نحوك. ولهذا السبب، سيكون مصدر كل ذروة موجة لاحقة أقرب. ونتيجة لذلك، ستصل الموجات إلى أذنيك في كثير من الأحيان أكثر مما كانت عليه عندما كانت السيارة متوقفة، وستزداد طبقة الصوت التي تسمعها. وعلى العكس من ذلك، إذا تحركت السيارة الخاصة في الاتجاه المعاكس، فإن قمم الموجات الصوتية ستصل إلى أذنيك بشكل أقل، وسيقل التردد المدرك للصوت. هذا هو السبب وراء انخفاض صوت صفارة الإنذار عند مرور سيارة بها إشارات خاصة.
قمنا بدراسة تأثير دوبلر فيما يتعلق موجات صوتية، لكنه ينطبق بالتساوي على أي شخص آخر. إذا اقترب منا مصدر للضوء المرئي، فإن الطول الموجي الذي نراه يقصر، ونلاحظ ما يسمى التحول الأرجواني(من الكل الألوان المرئيةنطاق الطيف الضوئي يتوافق مع اللون البنفسجي ذو الأطوال الموجية الأقصر). إذا تحرك المصدر بعيدا، هناك تحول واضح نحو الجزء الأحمر من الطيف (إطالة الموجات).
تم تسمية هذا التأثير على اسم كريستيان يوهان دوبلر، الذي تنبأ به لأول مرة من الناحية النظرية. لقد أثار تأثير دوبلر اهتمامي طوال حياتي بسبب كيفية اختباره تجريبيًا لأول مرة. قام العالم الهولندي كريستيان بايز بالوت (1817-1870) بوضع فرقة نحاسية في عربة سكة حديد مفتوحة، وعلى المنصة تجمعت مجموعة من الموسيقيين ذوي النغمات المطلقة. (طبقة الصوت المثالية هي القدرة، بعد الاستماع إلى ملاحظة ما، على تسميتها بدقة.) في كل مرة يمر فيها قطار بعربة موسيقية بالمنصة، تعزف الفرقة النحاسية نغمة، ويقوم المراقبون (المستمعون) بتدوين المقطوعة الموسيقية التي سمعوها. كما هو متوقع، كانت طبقة الصوت الظاهرة تعتمد بشكل مباشر على سرعة القطار، والتي، في الواقع، تم التنبؤ بها من خلال قانون دوبلر.
اكتشاف تأثير دوبلر تطبيق واسعسواء في العلم أو في الحياة اليومية. يتم استخدامه في رادارات الشرطة في جميع أنحاء العالم للقبض على منتهكي القواعد وتغريمهم. مرورتتجاوز السرعة. يصدر مسدس الرادار إشارة موجة راديوية (عادةً في نطاق الترددات العالية جدًا أو نطاق الميكروويف) تنعكس على الجسم المعدني لسيارتك. تعود الإشارة إلى الرادار من خلال إزاحة تردد دوبلر، والتي تعتمد قيمتها على سرعة السيارة. ومن خلال مقارنة ترددات الإشارات الصادرة والواردة، يقوم الجهاز تلقائيًا بحساب سرعة سيارتك وعرضها على الشاشة.
وجد تأثير دوبلر تطبيقًا أكثر خصوصية إلى حد ما في الفيزياء الفلكية: على وجه الخصوص، اكتشف إدوين هابل، لأول مرة، وهو يقيس المسافات إلى المجرات القريبة باستخدام تلسكوب جديد، في الوقت نفسه تحول دوبلر أحمر في طيف إشعاعها الذري، والذي منه وخلص إلى أن المجرات تبتعد عنا ( سم.قانون هابل). في الواقع، كان هذا استنتاجًا واضحًا كما لو أنك، بعد أن أغمضت عينيك، سمعت فجأة أن نغمة محرك سيارة من طراز كنت على دراية به كانت أقل من اللازم، وخلصت إلى أن السيارة كانت تبتعد عن أنت. وعندما اكتشف هابل أيضًا أنه كلما كانت المجرة أبعد، كان الانزياح نحو الأحمر أقوى (وكلما ابتعدت عنا بشكل أسرع)، أدرك أن الكون يتوسع. كانت هذه هي الخطوة الأولى نحو نظرية الانفجار الكبير، وهذا شيء أكثر خطورة من قطار بفرقة نحاسية.
كريستيان يوهان دوبلر، 1803-53
عالم فيزياء نمساوي. ولد في سالزبورغ في عائلة البناء. تخرج من معهد البوليتكنيك في فيينا وبقي هناك في مناصب التدريس المبتدئة حتى عام 1835، عندما تلقى عرضًا لرئاسة قسم الرياضيات في جامعة براغ، مما أجبره في اللحظة الأخيرة على التخلي عن قراره طويل الأمد بالذهاب إلى هناك. يهاجر إلى أمريكا، يائسًا من تحقيق الاعتراف في الأوساط الأكاديمية في الوطن. أنهى حياته المهنية كأستاذ في الجامعة الملكية الإمبراطورية في فيينا.
