efectul Doppler

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Notă despre dezambiguizare.svg Dezambiguizare - "Doppler" se referă aici. Dacă căutați alte semnificații, consultați Doppler (dezambiguizare) .
O sursă de valuri care se mișcă spre stânga. Frecvența crește în direcția mișcării.
Sunet emis de sirena

Efectul Doppler este un fenomen fizic care constă în schimbarea aparentă, în raport cu valoarea inițială, a frecvenței sau lungimii de undă percepute de un observator atins de o undă emisă de o sursă care se află în mișcare față de observatorul însuși. Dacă sursa și observatorul se mișcă ambele în raport cu mediul de propagare a undei, efectul Doppler total este derivat din combinația celor două mișcări. Prin urmare, fiecare dintre ele este analizat separat.

Istorie

Efectul a fost analizat pentru prima dată de Christian Andreas Doppler în 1845 . Apoi a procedat la verificarea analizei sale într-un experiment celebru: a stat lângă șinele de cale ferată și a ascultat sunetul emis de o mașină plină de muzicieni, angajată pentru ocazie, pe măsură ce se apropia și apoi pe măsură ce se îndepărta. El a confirmat că înălțimea sunetului era mai mare atunci când sursa sunetului se apropia și mai mică când se îndepărta, cu cantitatea prevăzută. Hippolyte Fizeau a descoperit în mod independent același efect în undele electromagnetice în 1848 (în Franța , efectul este uneori numit „efectul Doppler-Fizeau”).

Observarea directă a fenomenului: sirena și trenul

Reprezentarea efectului Doppler asociat cu sirena unui vehicul de salvare.

Efectul Doppler poate fi văzut ascultând diferența de sunet emis de sirena unui vehicul de urgență atunci când se apropie și când se îndepărtează, sau cel din fluierul unui tren care se apropie mai întâi și apoi se îndepărtează. Efectul este cu atât mai evident cu cât vehiculul este mai rapid. Efectul este chiar mai vizibil atunci când obiectul sau sursa care emite sunetul este aproape de un observator.

Explicarea fenomenului

Este important să rețineți că frecvența sunetului emis de sursă nu se modifică în sistemul de referință integrat cu sursa . Pentru a înțelege fenomenul, să luăm în considerare următoarea analogie: dacă suntem staționari pe plajă, vedem cum ajung valurile, să presupunem la fiecare cinci secunde, deci la o anumită frecvență ; dacă intrăm acum în apă și navigăm spre marea liberă, întâlnim valurile, de aceea le întâlnim mai frecvent (frecvența crește), în timp ce dacă navigăm spre țărm, în aceeași direcție cu valurile, frecvența cu care le întâlnim scade. Pentru a da un alt exemplu: cineva aruncă o minge în fiecare secundă în direcția noastră. Să presupunem că bilele călătoresc cu viteză constantă. Dacă aruncătorul este staționar și fiecare minge are aceeași viteză medie ca prima, vom primi câte o minge în fiecare secundă. Dar, dacă se mișcă în direcția noastră, vom primi mai multe dintre ele în aceeași perioadă de timp (adică la o frecvență mai mare ), deoarece acestea vor fi mai puțin spațiate. În schimb, dacă se îndepărtează, vom primi mai puțin în unitatea de timp. Prin urmare, ceea ce se schimbă este frecvența în sistemul de referință al detectorului ; ca urmare, tonul sunetului perceput se schimbă.

Efect Doppler diagrammatic.svg

Dacă o sursă care se retrage emite unde cu o frecvență , atunci un observator staționar (în raport cu mediul de transmisie) va percepe undele cu o frecvență dat de:

în timp ce dacă se apropie:

unde este este viteza valurilor din mijloc și este viteza sursei față de mediu (luând în considerare doar componenta în direcția care unește sursa și observatorul). În termeni relativi se poate scrie și:

Această formulă este echivalentă cu cea mai frecvent utilizată în spectroscopie în măsurători astronomice, pentru a determina viteza distanța unei surse de lumină, bazată pe creșterea lungimii sale de undă, adică deplasarea culorii sale spre roșu (a se vedea figura de mai jos și „elemente conexe”, deplasare spre roșu , deplasare spre albastru ):

unde c este viteza luminii în vid e cu lungimea de undă în repaus a unei linii date a unui anumit element chimic, măsurată anterior în laborator, e lungimea de undă observată ca redshifted față de cea în repaus.

Mișcarea arcului

Să luăm în considerare o undă sferică emisă de o sursă punctuală și lungimea ei de undă care este distanța dintre două fronturi de undă succesive care se află în aceeași fază, de exemplu două maxime.
Relația care leagă frecvența , perioada și viteză propagarea undelor este:

Dacă sursa se mișcă cu viteză față de observator (staționar),
spus unghiul dintre viteză și direcția spre operator și a spus componenta vitezei în direcția observatorului,
la timp , care trece între un front de undă și următorul, sursa se apropie de observator cu o distanță egală cu . Distanța dintre cele două fronturi, către observator, este scurtată de această cantitate și, prin urmare, lungimea de undă percepută devine mai scurtă și merită:

Înlocuind perioada formula echivalentă , primim:

Si deasemenea:

În mod similar, trecerea la frecvențe, punerea in loc de Și in loc de , primim:

acesta este:

Si deasemenea:

Mișcarea observatorului

O analiză similară pentru un observator în mișcare și o sursă staționară oferă frecvența observată (viteza observatorului este indicată ca ):

În acest caz, observatorul care se deplasează spre sursă primește un număr mai mare de fronturi de undă în același interval de timp și percepe o frecvență mai mare: mai precis, într-un timp egal cu o secundă, observatorul în mișcare primește, pe lângă numărul de trenuri de undă emise de sursă, de asemenea un număr de trenuri de undă egal cu .

Formula generală

În general, frecvența observată este dată de:

unde este este viteza receptorului, este viteza sursei, este viteza sunetului din mijloc. Toate vitezele sunt pozitive dacă au aceeași direcție de-a lungul căreia se propagă unda, sau negative dacă sunt în direcția opusă.

Prima încercare de a extinde analiza Doppler la undele luminoase a fost făcută la scurt timp de Fizeau . Dar undele de lumină nu necesită un mediu de propagare, iar tratamentul adecvat al efectului Doppler pentru lumină necesită utilizarea relativității speciale (vezi efectul Doppler relativist ). În cazul undelor mecanice, precum undele sonore, mediul în care se propagă undele identifică un sistem de referință privilegiat. Prin urmare, există o diferență fizică între cazul în care observatorul este staționar și sursa în mișcare și invers versiunea în care sursa este staționară și observatorul în mișcare. Cu toate acestea, pentru lumină, toate sistemele de referință sunt echivalente fizic. În expresia relativistă, deplasarea Doppler trebuie să depindă doar de viteza relativă a sursei și a observatorului. [1]

Aplicații

Viata de zi cu zi

Efect Doppler asupra undelor din jurul unei lebede

O sirenă de ambulanță va începe să fie auzită mai sus decât tonul său staționar, mai jos pe măsură ce trece pe lângă observator și va continua mai jos decât tonul său staționar pe măsură ce se îndepărtează de observator. Astronomul amator John Dobson a descris efectul astfel:

"Motivul pentru care se schimbă tonul unei sirene este că nu te-a lovit."

Cu alte cuvinte, dacă sirena s-ar apropia direct de observator, tonul ar rămâne constant (deși mai mare decât originalul) până când va ajunge la observator și ar sari imediat la un ton mai mic odată ce l-a trecut (cu condiția ca observatorul să fie încă capabil să-l aud). Deoarece, în mod normal, sirena trece la o anumită distanță de observator, viteza sa radială se schimbă continuu, în funcție de unghiul dintre linia de vedere a observatorului și viteza vectorială a sirenei:

unde este este viteza sirenei în raport cu mediul de transmisie, e este unghiul dintre direcția de mișcare a sirenei și linia de vedere dintre sirină și observator.

Astronomie

Exemplu red shift

Efectul Doppler, aplicat undelor luminoase, este fundamental în astronomia radar . Interpretându-l ca urmare a unei mișcări reale a sursei (există și interpretări mai puțin răspândite), a fost folosit pentru a măsura viteza cu care stelele și galaxiile se apropie sau se îndepărtează de noi, pentru a descoperi că o stea aparent singură este, în realitate, o stea binară cu componente foarte apropiate una de alta și, de asemenea, pentru a măsura viteza de rotație a stelelor și galaxiilor.

Utilizarea efectului Doppler în astronomie se bazează pe faptul că spectrul electromagnetic emis de obiectele cerești nu este continuu, ci prezintă linii spectrale la frecvențe bine definite, corelate cu energiile necesare pentru a excita electronii diferitelor elemente chimice. Efectul Doppler este recunoscut atunci când liniile spectrale nu se găsesc la frecvențele obținute în laborator, folosind o sursă staționară. Diferența de frecvență poate fi tradusă direct în viteză folosind formule adecvate.

Deoarece culorile de la cele două capete ale spectrului vizibil sunt albastre (pentru lungimi de undă mai scurte) și roșu (pentru lungimi de undă mai mari), efectul Doppler este adesea numit în astronomie o deplasare la roșu dacă scade. Frecvența luminii și albastru ca îl măriți.

Efectul Doppler a condus la dezvoltarea unor teorii cu privire la nașterea și evoluția Universului, cum ar fi Big Bang-ul , pe baza schimbării sistematice la roșu arătată de aproape toate galaxiile externe. Acest efect a fost codificat în legea lui Hubble .

Efectul Doppler este, de asemenea, dovada expansiunii continue a universului. De fapt, să luăm în considerare o stea: verificându-i lungimea de undă vom observa că se deplasează tot mai mult spre roșu. Aceasta înseamnă că lungimea de undă a crescut și, în consecință, steaua este din ce în ce mai departe de noi. Acest lucru indică faptul că universul se extinde constant și că fiecare element tinde să se îndepărteze de tot, prelungindu-și din ce în ce mai mult lungimea de undă.

Radarul

Radar meteorologic Doppler
Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: radar Doppler .

Efectul Doppler este utilizat și în unele forme de radar pentru a măsura viteza obiectelor detectate. Un fascicul radar este lansat împotriva unui obiect în mișcare, de exemplu o mașină, în cazul radarului furnizat forțelor de poliție din multe țări din întreaga lume. Dacă obiectul se îndepărtează de dispozitivul radar, fiecare undă care se întoarce a trebuit să parcurgă mai mult spațiu decât precedenta pentru a ajunge la obiect și înapoi, astfel încât spațiul dintre două unde succesive se prelungește și frecvența undelor radio se schimbă. un mod măsurabil. Folosind formulele efectului Doppler este posibil să se găsească viteza obiectului. Acest tip de radar este utilizat pe scară largă pentru prognozele meteo, deoarece vă permit să identificați cu precizie distanța, viteza și direcția fronturilor de nori.

Medicament

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: ecografia Doppler .
Debitmetru Eco-Doppler care rulează

Efectul Doppler este utilizat și în medicină pentru detectarea vitezei fluxului sanguin. Acest principiu este de fapt exploatat de debitmetrele Eco-Doppler (ADV, sau Velocimetru acustic Doppler), în care o sursă de unde sonore, în general ultrasunete, este orientată în mod adecvat. Aceste unde acustice sunt apoi reflectate cu o nouă frecvență, în funcție de viteza vectorială a particulelor de sânge, detectate și reprocesate pentru a obține această măsurare a vitezei.

O altă aplicație este imagerul laser Doppler , utilizat în special pentru studii privind angiogeneza, disfuncția endotelială, ulcerele cutanate, pentru evaluarea produselor farmaceutice sau cosmetologice pentru aplicare locală, pentru studiul arsurilor.

Muzică

Există instrumente muzicale [2] care exploatează efectul Doppler pentru a produce efecte onomatopeice deosebite; cum ar fi tamburul de frecare rotativ care în Romagna se numește „Raganella”; [3] . Pentru acest tip de instrumente, Fabio Lombardi este responsabil pentru observațiile asupra accentuării performanței sunetului datorită efectului Doppler [4] : Când tamburul mic se rotește, ascultătorul percepe două vârfuri de frecvență modulate progresiv și alternativ în sus și în jos, datorate la efectul menționat mai sus, iar acest lucru duce la un sunet similar cu scârțâitul unei broaște, de unde și numele instrumentului de jucărie. [5]

Notă

  1. ^ Bruno Rossi , Optică , MASSON, 1988, p. 281, ISBN 88-214-0518-4 .
  2. ^ Organologic și organologic vorbind, un instrument muzical este considerat a fi orice obiect care produce sunet intenționat.
  3. ^ Dar similar cu alții din Italia - cum ar fi sardul „Mumusu” sau calabreanul „Rùocciula”
  4. ^ Guizzi, 2002 , p. 74 și nota 12.
  5. ^ Fabio Lombardi, Cântece și instrumente populare din Romagna Bidentina ' , 2000, pp. 200-202.

Bibliografie

  • ( EN ) David H. Evans și W. Norman McDicken, Doppler Ultrasound, ed. A II-a. , Hoboken, John Wiley și Sons, 2000.

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe

Controlul autorității Tezaur BNCF 15585 · LCCN (EN) sh85039083 · GND (DE) 4012769-2 · BNF (FR) cb11979430h (dată) · BNE (ES) XX543365 (dată) · NDL (EN, JA) 00.561.685
Fizică Portalul fizicii : accesați intrările Wikipedia care se ocupă cu fizica