Efekt Dopplera to zmiana długości i częstotliwości fal rejestrowanych przez odbiornik, powodująca ruch ich źródła lub samego odbiornika. Efekt otrzymał tę nazwę na cześć Christiana Dopplera, który go odkrył. Hipotezę tę potwierdził później metodą eksperymentalną holenderski naukowiec Christian Ballot, który umieścił orkiestrę dętą w otwartym wagonie kolejowym i zgromadził na peronie grupę najzdolniejszych muzyków. Kiedy obok peronu przejeżdżał powóz z orkiestrą, muzycy zagrali nutę, a słuchacze zapisywali na papierze to, co usłyszeli. Zgodnie z oczekiwaniami, percepcja wysokości dźwięku była bezpośrednio zależna od , jak stwierdziło prawo Dopplera.
Działanie efektu Dopplera
Zjawisko to można wyjaśnić dość prosto. Na słyszalny ton dźwięku wpływa częstotliwość fali dźwiękowej docierającej do ucha. Kiedy źródło dźwięku zbliża się do człowieka, każda kolejna fala nadchodzi coraz szybciej. Ucho odbiera fale jako częstsze, przez co dźwięk wydaje się wyższy. Jednak w miarę oddalania się źródła dźwięku kolejne fale emitowane są nieco dalej i docierają do ucha później niż poprzednie, przez co dźwięk jest odczuwalny niżej.
Zjawisko to występuje nie tylko podczas ruchu źródła dźwięku, ale także podczas ruchu człowieka. „Wbiegając” w falę, człowiek częściej przekracza jej grzbiety, postrzegając dźwięk jako wyższy i oddalając się od fali – odwrotnie. Zatem efekt Dopplera nie zależy od ruchu źródła dźwięku lub jego odbiornika osobno. Odpowiednia percepcja dźwięku następuje, gdy poruszają się one względem siebie, a efekt ten jest charakterystyczny nie tylko dla fal dźwiękowych, ale także dla światła i promieniowania radioaktywnego.
Zastosowanie efektu Dopplera
Efekt Dopplera nigdy nie przestaje grać niezwykle ważna rola w różnych dziedzinach nauki i działalności człowieka. Z jego pomocą astronomowie mogli dowiedzieć się, że wszechświat stale się rozszerza, a gwiazdy „uciekają” od siebie. Ponadto efekt Dopplera pozwala określić parametry ruchu statek kosmiczny i planety. Stanowi także podstawę działania radarów, których funkcjonariusze policji drogowej używają w samochodach. Stosowany jest ten sam efekt specjaliści medyczni, które podczas wstrzyknięć wykorzystują urządzenie ultradźwiękowe do odróżnienia żył od tętnic.
Być może zauważyłeś, że głośność syreny wozu strażackiego, który porusza się z dużą prędkością, gwałtownie spada, gdy pojazd Cię mija. Być może zauważyłeś także zmianę wysokości sygnału samochodu przejeżdżającego obok Ciebie z dużą prędkością.
Wysokość dźwięku silnika samochodu wyścigowego również się zmienia, gdy mija on obserwatora. Jeśli źródło dźwięku zbliża się do obserwatora, wysokość dźwięku wzrasta w porównaniu do sytuacji, gdy źródło dźwięku było w spoczynku. Jeżeli źródło dźwięku oddala się od obserwatora, wówczas wysokość dźwięku maleje. Zjawisko to nazywa się efektem Dopplera i występuje dla wszystkich rodzajów fal. Rozważmy teraz przyczyny jego wystąpienia i obliczmy zmianę częstotliwości fal dźwiękowych pod wpływem tego efektu.
Ryż. 1
Rozważmy dla konkretnych celów wóz strażacki, którego syrena podczas postoju pojazdu emituje dźwięk o określonej częstotliwości we wszystkich kierunkach, jak pokazano na rys. 1. Teraz pozwól wózowi strażackiemu ruszyć, a syrena będzie nadal emitować fale dźwiękowe o tej samej częstotliwości. Jednak w czasie jazdy fale dźwiękowe emitowane przez syrenę będą znajdować się bliżej siebie, niż gdyby samochód stał, jak pokazano na rys. 2. 
Ryż. 2
Dzieje się tak dlatego, że wóz strażacki w trakcie ruchu „dogania” wyemitowane wcześniej fale. W ten sposób obserwator wzdłuż drogi to zauważy większa liczba grzbiety fal przechodzą obok niego w jednostce czasu, a zatem dla niego częstotliwość dźwięku będzie wyższa. Z drugiej strony fale rozchodzące się za samochodem będą bardziej od siebie oddalone, ponieważ samochód będzie sprawiał wrażenie „odrywania się” od nich. W rezultacie w jednostce czasu mniej grzbietów fal minie obserwatora znajdującego się za samochodem, a wysokość dźwięku będzie niższa.
Aby obliczyć zmianę częstotliwości, korzystamy z rys. 3 i 4. Zakładamy, że w naszym układzie odniesienia powietrze (lub inne medium) znajduje się w spoczynku. Na ryc. 3 Źródło dźwięku (na przykład syrena) jest w stanie spoczynku. 
Pokazane są dwa kolejne grzbiety fal, z których jeden jest właśnie emitowany przez źródło dźwięku. Odległość między tymi grzbietami jest równa długości fali λ
. Jeśli częstotliwość wibracji źródła dźwięku wynosi F, to czas, jaki upłynął pomiędzy emisją grzbietów fal, jest równy T = 1/f.
Na ryc. 4 źródło dźwięku porusza się z dużą prędkością v źródło. Podczas T(właśnie ustalono) pierwszy grzbiet fali pójdzie na odległość d = vT, Gdzie w− prędkość fali dźwiękowej w powietrzu (która oczywiście będzie taka sama niezależnie od tego, czy źródło się porusza, czy nie). W tym samym czasie źródło dźwięku przesunie się na odległość d źródło = v źródło T. Wtedy odległość pomiędzy kolejnymi grzbietami fal jest równa nowej długości fali λ /
, zostanie zapisane w postaci
λ / = d - d źródło = (v - v źródło)T = (v - v źródło)/f,
ponieważ T= 1/k.
Częstotliwość F/ fale są podawane przez
f / = v/λ / = vf/(v - v źródło),
Lub 
Źródło dźwięku zbliża się do spoczywającego obserwatora.
Ponieważ mianownik ułamka jest mniejszy niż jeden, mamy f/>f. Na przykład, jeśli źródło wytwarza dźwięk o określonej częstotliwości 400 Hz, gdy jest w spoczynku, a następnie, gdy źródło zaczyna przemieszczać się w stronę stojącego w miejscu obserwatora z pewną prędkością 30 m/s, ten ostatni usłyszy dźwięk o częstotliwości (w temperaturze 0°C) 440 Hz.
Nowa długość fali dla źródła oddalającego się od obserwatora z dużą prędkością v źródło, będzie równe
λ / = d + d źródło
W tym przypadku częstotliwość F/ jest dane przez wyrażenie 
Źródło dźwięku oddala się od spoczywającego obserwatora.
Efekt Dopplera występuje również wtedy, gdy źródło dźwięku znajduje się w spoczynku (w stosunku do ośrodka, w którym rozchodzą się fale dźwiękowe), a obserwator się porusza. Jeśli obserwator zbliża się do źródła dźwięku, słyszy dźwięk o wyższej częstotliwości niż emitowany przez to źródło. Jeśli obserwator odsunie się od źródła, wówczas dźwięk wydaje mu się niższy. Ilościowo zmiana częstotliwości tutaj niewiele różni się od przypadku, gdy źródło się porusza, a obserwator jest w spoczynku. W tym przypadku odległość między grzbietami fal (długość fali λ
) nie zmienia się, ale zmienia się prędkość ruchu grzbietów względem obserwatora. Jeśli obserwator zbliży się do źródła dźwięku, wówczas prędkość fal względem obserwatora będzie równa v / = v + v obs, Gdzie w jest prędkością rozchodzenia się dźwięku w powietrzu (zakładamy, że powietrze jest w spoczynku), oraz w obs.− prędkość obserwatora. Dlatego nowa częstotliwość będzie równa
f / = v / /λ = (v + v obs)/λ,
lub, ponieważ λ = v/f,
Obserwator zbliża się do stacjonarnego źródła dźwięku.
W przypadku, gdy obserwator odsunie się od źródła dźwięku, prędkość względna będzie równa v / = v - v obs, i mamy 
Obserwator oddala się od stacjonarnego źródła dźwięku.
Jeśli fala dźwiękowa odbije się od poruszającej się przeszkody, wówczas częstotliwość fali odbitej w wyniku efektu Dopplera będzie inna niż częstotliwość fali padającej.
Spójrzmy na to następujący przykład.
Przykład. Fala dźwiękowa z częstotliwością 5000 Hz emitowany jest w kierunku ciała zbliżającego się z prędkością do źródła dźwięku 3,30 m/s. Jaka jest częstotliwość fali odbitej?
Rozwiązanie.
W tym przypadku efekt Dopplera występuje dwukrotnie.
Po pierwsze, ciało, na które kierowana jest fala dźwiękowa, zachowuje się jak poruszający się obserwator i „rejestruje” falę dźwiękową na częstotliwości
Po drugie, ciało pełni wtedy rolę wtórnego źródła dźwięku (odbitego), które porusza się w taki sposób, że częstotliwość odbitej fali dźwiękowej będzie wynosić 
Zatem przesunięcie częstotliwości Dopplera jest równe 100 Hz.
Jeżeli padające i odbite fale dźwiękowe nałożą się na siebie, nastąpi superpozycja, która doprowadzi do dudnień. Częstotliwość dudnień jest równa różnicy częstotliwości obu fal i w powyższym przykładzie byłaby równa 100 Hz. Ten przejaw efektu Dopplera jest szeroko stosowany w różnych urządzeniach medycznych, które zwykle wykorzystują fale ultradźwiękowe w zakresie częstotliwości megahercowych. Na przykład fale ultradźwiękowe odbite od czerwonych krwinek można wykorzystać do określenia prędkości przepływu krwi. Podobnie tę metodę można zastosować do wykrywania ruchu klatka piersiowa zarodka, a także do zdalnego monitorowania bicia serca.
Należy zaznaczyć, że efekt Dopplera jest również podstawą radarowego wykrywania pojazdów przekraczających przewidzianą prędkość, jednak w tym przypadku zamiast fal dźwiękowych wykorzystywane są fale elektromagnetyczne (radiowe).
Dokładność relacji (1 − 2) i (3 − 4) maleje jeśli v źródło Lub w obs. zbliża się do prędkości dźwięku. Wynika to z faktu, że przemieszczenie cząstek ośrodka nie będzie już proporcjonalne do siły przywracającej, tj. pojawią się odstępstwa od prawa Hooke'a, przez co większość naszego teoretycznego rozumowania straci na mocy.
Rozwiąż następujące problemy.
Problem 1. Wyjście ogólna formuła aby zmienić częstotliwość dźwięku F/ ze względu na efekt Dopplera w przypadku, gdy zarówno źródło, jak i obserwator się poruszają.
Problem 2. W normalne warunki prędkość przepływu krwi w aorcie jest w przybliżeniu równa 0,28 m/s. Fale ultradźwiękowe o określonej częstotliwości kierowane są wzdłuż przepływu 4,20 MHz. Fale te odbijają się od czerwonych krwinek. Jaka będzie częstotliwość obserwowanych uderzeń? Rozważmy, że prędkość tych fal jest równa 1,5 × 10 3 m/s, tj. zbliżona do prędkości dźwięku w wodzie.
Problem 3. Efekt Dopplera dla fal ultradźwiękowych przy częstotliwości 1,8 MHz służy do monitorowania tętna płodu. Obserwowana częstotliwość uderzeń (maksymalna) wynosi 600 Hz. Zakładając, że prędkość rozchodzenia się dźwięku w tkance jest równa 1,5 × 10 3 m/s, oblicz maksymalną prędkość powierzchniową bijącego serca.
Problem 4. Dźwięk klaksonu fabrycznego ma częstotliwość 650 Hz. Jeśli północny wiatr wieje z prędkością 12,0 m/s, to w takim razie dźwięk o jakiej częstotliwości usłyszy obserwator w spoczynku, położony a) na północ, b) na południe, c) na wschód i d) na zachód od gwizdka? Jaką częstotliwość dźwięku usłyszy rowerzysta zbliżający się z dużą prędkością? 15 m/s do gwizdka e) z północy czy f) z zachodu? Temperatura powietrza jest 20°C.
Problem 5. Gwizdek oscylujący z częstotliwością 500 Hz, porusza się po okręgu o promieniu 1 m, czyn 3 obrotów na sekundę. Określ najwyższe i najniższe częstotliwości odbierane przez nieruchomego obserwatora z dużej odległości 5 m od środka okręgu. Przyjmuje się, że prędkość dźwięku w powietrzu jest równa 340 m/s.
– najważniejsze zjawisko w fizyce fal. Zanim przejdę od razu do sedna sprawy, trochę teorii wprowadzającej.
Wahanie– w takim czy innym stopniu powtarzający się proces zmiany stanu układu wokół położenia równowagi. Fala- jest to oscylacja, która może oddalać się od miejsca swego powstania, rozprzestrzeniając się w ośrodku. Charakteryzują się falami amplituda, długość I częstotliwość. Dźwięk, który słyszymy, jest falą, tj. drgania mechaniczne cząstek powietrza rozchodzących się od źródła dźwięku.
Uzbrojeni w informacje o falach przejdźmy do efektu Dopplera. A jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o wibracjach, falach i rezonansie, zapraszamy na naszego bloga.
Istota efektu Dopplera
Najpopularniejszym i najprostszym przykładem wyjaśniającym istotę efektu Dopplera jest nieruchomy obserwator i samochód z syreną. Załóżmy, że stoisz na przystanku autobusowym. Ulicą jedzie w Twoją stronę ambulans z włączoną syreną. Częstotliwość dźwięku, który usłyszysz, gdy zbliża się samochód, nie jest taka sama.
W miarę zatrzymywania się samochodu dźwięk będzie początkowo miał wyższą częstotliwość. Usłyszysz prawdziwą częstotliwość dźwięku syreny, a częstotliwość dźwięku będzie się zmniejszać w miarę oddalania się. To jest to efekt Dopplera.
Częstotliwość i długość fali promieniowania odbieranego przez obserwatora zmieniają się w wyniku ruchu źródła promieniowania.
Jeśli Cap zostanie zapytany, kto odkrył efekt Dopplera, bez wahania odpowie, że Doppler to zrobił. I będzie miał rację. Zjawisko to, teoretycznie uzasadnione w 1842 rok przez austriackiego fizyka Christiana Dopplera, został następnie nazwany jego imieniem. Sam Doppler wyprowadził swoją teorię obserwując zmarszczki na wodzie i sugerując, że obserwacje można uogólnić na wszystkie fale. Później możliwe było eksperymentalne potwierdzenie efektu Dopplera dla dźwięku i światła.
Powyżej przyjrzeliśmy się przykładowi efektu Dopplera dla fal dźwiękowych. Jednak efekt Dopplera dotyczy nie tylko dźwięku. Tam są:
- Akustyczny efekt Dopplera;
- Optyczny efekt Dopplera;
- Efekt Dopplera dla fale elektromagnetyczne;
- Relatywistyczny efekt Dopplera.
Pierwsze eksperymentalne potwierdzenie tego efektu pomogły eksperymenty z falami dźwiękowymi.
Eksperymentalne potwierdzenie efektu Dopplera
Potwierdzenie słuszności rozumowania Christiana Dopplera wiąże się z jednym z ciekawych i niezwykłych eksperymentów fizycznych. W 1845 meteorolog z Holandii Chrześcijańskie głosowanie wziął potężną lokomotywę i orkiestrę złożoną z muzyków o doskonałym słuchowi. Część muzyków – byli to trębacze – jeździła po otwartej przestrzeni pociągu i ciągle grała tę samą nutę. Powiedzmy, że było to A drugiej oktawy.
Inni muzycy byli na stacji i słuchali, co grają ich koledzy. Bezwzględny słuch wszystkich uczestników eksperymentu zredukował prawdopodobieństwo błędu do minimum. Eksperyment trwał dwa dni, wszyscy byli zmęczeni, spaliło się dużo węgla, ale rezultaty były tego warte. Okazało się, że wysokość dźwięku tak naprawdę zależy od względnej prędkości źródła lub obserwatora (słuchacza).
Zastosowanie efektu Dopplera
Jednym z najbardziej znanych zastosowań jest wyznaczanie prędkości poruszających się obiektów za pomocą czujników prędkości. Sygnały radiowe wysyłane przez radar są odbijane od samochodów i wracane. W tym przypadku przesunięcie częstotliwości, przy którym sygnały są zwracane, jest bezpośrednio powiązane z prędkością maszyny. Porównując prędkość i zmianę częstotliwości, można obliczyć prędkość.
Efekt Dopplera jest szeroko stosowany w medycynie. Na nim opiera się działanie urządzeń diagnostyka ultradźwiękowa. W ultradźwiękach istnieje osobna technika zwana Dopplerografia.
Wykorzystywany jest także efekt Dopplera optyka, akustyka, elektronika radiowa, astronomia, radar.
Przy okazji! Dla naszych czytelników mamy teraz 10% zniżki na
Odkrycie efektu Dopplera odegrało ważną rolę w rozwoju współczesnej fizyki. Jedno z potwierdzeń teoria wielkiego podrywu opiera się na tym efekcie. W jaki sposób efekt Dopplera jest powiązany z Wielkim Wybuchem? Według teorii Wielkiego Wybuchu Wszechświat się rozszerza.
Obserwując odległe galaktyki obserwuje się przesunięcie ku czerwieni - przesunięcie linii widmowych na czerwoną stronę widma. Wyjaśniając przesunięcie ku czerwieni za pomocą efektu Dopplera, możemy wyciągnąć wniosek zgodny z teorią: galaktyki oddalają się od siebie, Wszechświat się rozszerza.
Wzór na efekt Dopplera
Kiedy krytykowano teorię efektu Dopplera, jednym z argumentów przeciwników naukowca był fakt, że teoria ta mieściła się zaledwie na ośmiu stronach, a wyprowadzenie wzoru na efekt Dopplera nie zawierało uciążliwych obliczeń matematycznych. Naszym zdaniem to tylko plus!
Pozwalać ty – prędkość odbiornika względem ośrodka, w – prędkość źródła fali względem ośrodka, Z - prędkość propagacji fal w ośrodku, w0 - częstotliwość fal źródłowych. Następnie wzór na sam efekt Dopplera przypadek ogólny będzie wyglądać tak:
Tutaj w – częstotliwość, jaką będzie nagrywał odbiornik.
Relatywistyczny efekt Dopplera
W przeciwieństwie do klasycznego efektu Dopplera, gdy fale elektromagnetyczne rozchodzą się w próżni, do obliczenia efektu Dopplera należy zastosować SRT i uwzględnić relatywistyczną dylatację czasu. Niech światło - Z , w – prędkość źródła względem odbiornika, teta – kąt pomiędzy kierunkiem do źródła a wektorem prędkości powiązanym z układem odniesienia odbiornika. Wtedy wzór na relatywistyczny efekt Dopplera będzie wyglądał następująco:
Dzisiaj rozmawialiśmy o najważniejszym efekcie naszego świata - efekcie Dopplera. Chcesz dowiedzieć się, jak szybko i łatwo rozwiązywać problemy związane z efektem Dopplera? Zapytaj ich, a chętnie podzielą się swoim doświadczeniem! I na koniec - trochę więcej o teorii Wielkiego Wybuchu i efekcie Dopplera.
W akustyce o zmianie częstotliwości na skutek efektu Dopplera decydują prędkości ruchu źródła i odbiornika względem ośrodka będącego nośnikiem fal dźwiękowych (patrz wzór (103.2)). Efekt Dopplera występuje również w przypadku fal świetlnych. Nie ma jednak specjalnego ośrodka, który spełniałby rolę nośnika fal elektromagnetycznych. Dlatego przesunięcie Dopplera częstotliwości fal świetlnych zależy jedynie od względnej prędkości źródła i odbiornika.
Powiążmy początek współrzędnych układu K ze źródłem światła, a początek współrzędnych układu K z odbiornikiem (ryc. 151.1). Skierujmy osie jak zwykle wzdłuż wektora prędkości v, z jaką układ K (czyli odbiornik) porusza się względem układu K (czyli źródła). Równanie płaskiej fali świetlnej emitowanej przez źródło w kierunku odbiornika będzie miało postać w układzie K
Tutaj i jest częstotliwością fali ustaloną w układzie odniesienia związanym ze źródłem, tj. częstotliwością, z jaką oscyluje źródło. Zakładamy, że fala świetlna rozchodzi się w próżni; dlatego prędkość fazowa jest równa c.
Zgodnie z zasadą względności prawa natury mają tę samą postać we wszystkich inercjalnych układach odniesienia. W konsekwencji w układzie K fala (151,1) jest opisana równaniem
gdzie jest częstotliwością zarejestrowaną w układzie odniesienia K, tj. częstotliwością odbieraną przez odbiornik. Zagruntowaliśmy wszystkie wielkości z wyjątkiem c, które jest takie samo we wszystkich układach odniesienia.
Równanie falowe w układzie K można otrzymać z równania w układzie K, przechodząc z wykorzystaniem transformacji Lorentza.
Zastępując in i t zgodnie ze wzorami (63.16) z pierwszego tomu, otrzymujemy
(rolę odgrywa v). Ostatnie wyrażenie można łatwo sprowadzić do postaci
Równanie (151.3) opisuje tę samą falę w układzie K, co równanie (151.2). Zatem relacja musi być spełniona
Zmieńmy zapis: częstotliwość źródła c oznaczamy przez, a częstotliwość odbiornika przez . W rezultacie formuła przyjmie formę
Przechodząc od częstotliwości kołowej do częstotliwości zwykłej, otrzymujemy
(151.5)
Prędkość odbiornika względem źródła, która pojawia się we wzorach (151.4) i (151.5), jest wielkością algebraiczną. Kiedy odbiornik się oddala i w zależności od tego, kiedy odbiornik zbliża się do źródła, tzw
Jeżeli wzór (151.4) można w przybliżeniu zapisać następująco:
Stąd, ograniczając się do warunków zamówienia, otrzymujemy
(151.6)
Z tego wzoru można znaleźć względną zmianę częstotliwości:
(151.7)
(rozumie się przez ).
Można wykazać, że oprócz rozpatrywanego przez nas efektu podłużnego istnieje również poprzeczny efekt Dopplera dla fal świetlnych. Polega na spadku częstotliwości odbieranej przez odbiornik, co obserwuje się w przypadku, gdy wektor prędkości względnej jest skierowany prostopadle do prostej przechodzącej przez odbiornik i źródło (kiedy np. źródło porusza się po okręgu w na środku którego umieszczony jest odbiornik).
W tym przypadku częstotliwość w systemie źródłowym jest powiązana z częstotliwością w systemie odbiorczym poprzez zależność
Względna zmiana częstotliwości spowodowana poprzecznym efektem Dopplera
proporcjonalna do kwadratu stosunku, a zatem znacznie mniejsza niż w przypadku efektu podłużnego, dla którego względna zmiana częstotliwości jest proporcjonalna do pierwszej potęgi
Istnienie poprzecznego efektu Dopplera zostało udowodnione eksperymentalnie przez Ivesa w 1938 r. W eksperymentach Ivesa określono zmianę częstotliwości promieniowania atomów wodoru w wiązkach kanałowych (patrz ostatni akapit § 85). Prędkość atomów wynosiła około 106 m/s. Eksperymenty te stanowią bezpośrednie eksperymentalne potwierdzenie ważności transformacji Lorentza.
Ogólnie rzecz biorąc, wektor prędkości względnej można rozłożyć na dwie składowe, z których jedna jest skierowana wzdłuż promienia, a druga prostopadle do promienia. Pierwsza składowa określi podłużny, druga - poprzeczny efekt Dopplera.
Podłużny efekt Dopplera służy do określania prędkości radialnej gwiazd. Mierząc względne przesunięcie linii w widmach gwiazd, możemy skorzystać ze wzoru (151.4).
Ruch termiczny cząsteczek świecącego gazu prowadzi, na skutek efektu Dopplera, do poszerzenia linii widmowych. Ze względu na chaotyczny charakter ruchu termicznego wszystkie kierunki prędkości cząsteczek względem spektrografu są jednakowo prawdopodobne. Zatem promieniowanie rejestrowane przez urządzenie zawiera wszystkie częstotliwości zawarte w przedziale od do gdzie jest częstotliwością emitowaną przez cząsteczki, v jest prędkością ruchu termicznego (patrz wzór (151.6)). Zatem zarejestrowana szerokość linii widmowej będzie wartością
(151.10)
nazywana jest szerokością Dopplera linii widmowej (v oznacza najbardziej prawdopodobną prędkość cząsteczek). Na podstawie wielkości poszerzenia Dopplera linii widmowych można ocenić prędkość ruchu termicznego cząsteczek, a co za tym idzie, temperaturę świecącego gazu.
Postrzegana częstotliwość fali zależy od względnej prędkości jej źródła.
Zapewne choć raz w życiu miałeś okazję stanąć przy drodze, po której pędzi samochód ze specjalnym sygnałem i syreną. W miarę zbliżania się wycia syren jego ton jest wyższy, potem, gdy samochód zostanie z tobą złapany, cichnie, a wreszcie, gdy samochód zaczyna się oddalać, ponownie cichnie i okazuje się znajomy: Yyyiiieeaaaaaaooowuuuuummm - coś o członku dźwiękowym. Być może nie zdając sobie z tego sprawy, obserwujesz najbardziej podstawową (i najbardziej użyteczną) właściwość fal.
Fale są ogólnie dziwną rzeczą. Wyobraź sobie pustą butelkę zwisającą w pobliżu brzegu. Chodzi tam i z powrotem, nie zbliżając się do brzegu, podczas gdy woda zdaje się pędzić falami na brzeg. Ale nie - woda (i znajdująca się w niej butelka) pozostają na miejscu, oscylując jedynie w płaszczyźnie prostopadłej do powierzchni zbiornika. Innymi słowy, ruch ośrodka, w którym rozchodzą się fale, nie odpowiada ruchowi samych fal. Przynajmniej kibice piłki nożnej dobrze się tego nauczyli i nauczyli się wykorzystywać to w praktyce: wysyłając „falę” po stadionie, sami nigdzie nie biegają, po prostu wstają i siadają z kolei, a „fala” (w Wielkiej Brytanii zjawisko to nazywane jest zwykle „falą meksykańską”) krąży wokół trybun.
Zwykle opisuje się fale częstotliwość(liczba szczytów fal na sekundę w punkcie obserwacji) lub długość(odległość między dwoma sąsiednimi grzbietami lub dolinami). Te dwie charakterystyki są ze sobą powiązane poprzez prędkość propagacji fali w ośrodku, zatem znając prędkość propagacji fali i jedną z głównych charakterystyk fali, można łatwo obliczyć drugą.
Po uruchomieniu fali o prędkości jej propagacji decydują jedynie właściwości ośrodka, w którym się ona rozchodzi – źródło fali nie odgrywa już żadnej roli. Na przykład na powierzchni wody fale, raz wzbudzone, rozchodzą się jedynie w wyniku interakcji sił ciśnienia, napięcia powierzchniowego i grawitacji. Fale akustyczne rozchodzą się w powietrzu (i innych ośrodkach przewodzących dźwięk) na skutek kierunkowego przenoszenia różnic ciśnień. Żaden z mechanizmów propagacji fal nie zależy od źródła fali. Stąd efekt Dopplera.
Zastanówmy się jeszcze raz nad przykładem wyjącej syreny. Załóżmy najpierw, że pojazd specjalny jest nieruchomy. Dźwięk syreny dociera do nas, ponieważ znajdująca się w niej elastyczna membrana okresowo oddziałuje na powietrze, tworząc w nim kompresję – obszary wysokie ciśnienie krwi, - na przemian z rozrzedzeniem. Szczyty kompresji – „grzbiety” fali akustycznej – rozprzestrzeniają się w ośrodku (powietrzu), aż dotrą do naszych uszu i wpływają na błony bębenkowe, z którego do naszego mózgu zostanie wysłany sygnał (tak działa słuch). Tradycyjnie częstotliwość wibracji dźwięku, którą odbieramy, nazywamy tonem lub wysokością: na przykład częstotliwość wibracji wynosząca 440 herców na sekundę odpowiada nucie „A” pierwszej oktawy. Tak więc, podczas postoju pojazdu specjalnego, nadal będziemy słyszeć niezmieniony ton jego sygnału.
Ale gdy tylko pojazd specjalny zacznie się do ciebie zbliżać, zostanie dodany nowy efekt. W czasie od emisji jednego szczytu fali do następnego, samochód przejedzie pewną odległość w Twoją stronę. Z tego powodu źródło każdego kolejnego szczytu fali będzie bliżej. W rezultacie fale będą docierać do Twoich uszu częściej niż wtedy, gdy samochód stał, a wysokość odbieranego dźwięku wzrośnie. I odwrotnie, jeśli pojazd specjalny porusza się w przeciwnym kierunku, szczyty fal akustycznych rzadziej docierają do uszu, a odbierana częstotliwość dźwięku spada. Oto wyjaśnienie, dlaczego gdy obok Ciebie przejeżdża samochód ze specjalnymi sygnałami, dźwięk syreny cichnie.
Zbadaliśmy efekt Dopplera w odniesieniu do fale dźwiękowe, ale dotyczy to w równym stopniu każdego innego. Jeśli zbliży się do nas źródło światła widzialnego, długość fali, którą widzimy, ulega skróceniu i obserwujemy tzw fioletowa zmiana(ze wszystkich widoczne kolory Gama widma światła odpowiada fioletowi o najkrótszych długościach fal). Jeżeli źródło się oddala, następuje widoczne przesunięcie widma w kierunku czerwonej części widma (wydłużenie fal).
Efekt ten został nazwany na cześć Christiana Johanna Dopplera, który jako pierwszy przewidział go teoretycznie. Efekt Dopplera interesował mnie przez całe życie, ponieważ został po raz pierwszy przetestowany eksperymentalnie. Holenderski naukowiec Christian Buys Ballot (1817-1870) umieścił orkiestrę dętą w otwartym wagonie kolejowym, a na peronie zebrała się grupa muzyków o absolutnym słuchu. (Doskonały słuch to zdolność, po wysłuchaniu nuty, do dokładnego jej nazwania.) Za każdym razem, gdy przez peron przejeżdżał pociąg z wagonem muzycznym, orkiestra dęta grała nutę, a obserwatorzy (słuchacze) zapisali usłyszaną partyturę. Zgodnie z oczekiwaniami pozorna wysokość dźwięku była bezpośrednio zależna od prędkości pociągu, co w rzeczywistości przewidywało prawo Dopplera.
Znaleziono efekt Dopplera szerokie zastosowanie zarówno w nauce, jak i w życiu codziennym. Na całym świecie jest używany w radarach policyjnych do łapania i karania osób naruszających przepisy. ruch drogowy przekroczenie prędkości. Działo radarowe emituje sygnał fal radiowych (zwykle w zakresie VHF lub mikrofal), który odbija się od metalowego nadwozia samochodu. Sygnał dociera z powrotem do radaru z przesunięciem częstotliwości Dopplera, którego wartość zależy od prędkości pojazdu. Porównując częstotliwości sygnałów wychodzących i przychodzących, urządzenie automatycznie oblicza prędkość Twojego samochodu i wyświetla ją na ekranie.
Efekt Dopplera znalazł nieco bardziej ezoteryczne zastosowanie w astrofizyce: w szczególności Edwin Hubble, mierząc po raz pierwszy odległości do pobliskich galaktyk za pomocą nowego teleskopu, jednocześnie odkrył czerwone przesunięcie Dopplera w widmie ich promieniowania atomowego, z którego wynika, że stwierdzono, że galaktyki oddalają się od nas ( cm. prawo Hubble’a). W rzeczywistości był to tak jasny wniosek, jakbyś po zamknięciu oczu nagle usłyszał, że dźwięk silnika samochodu znanego ci modelu był niższy niż to konieczne, i doszedłeś do wniosku, że samochód oddala się od Ty. Kiedy Hubble odkrył również, że im dalej znajduje się galaktyka, tym silniejsze jest przesunięcie ku czerwieni (i im szybciej od nas oddala się), zdał sobie sprawę, że Wszechświat się rozszerza. Był to pierwszy krok w stronę teorii Wielkiego Wybuchu – a to sprawa o wiele poważniejsza niż pociąg z orkiestrą dętą.
Christian Johann Doppler, 1803-53
Austriacki fizyk. Urodzony w Salzburgu w rodzinie masonskiej. Ukończył Politechnikę w Wiedniu i pozostał tam na młodszych stanowiskach nauczycielskich do 1835 roku, kiedy otrzymał propozycję kierowania katedrą matematyki na Uniwersytecie w Pradze, co w ostatniej chwili zmusiło go do porzucenia wieloletniej decyzji o wyemigrować do Ameryki, zwątpiwszy w zdobycie uznania w rodzimych kręgach akademickich. Zakończył karierę jako profesor na Królewskim Uniwersytecie Cesarskim w Wiedniu.
