Efekt Dopplera dla fal dźwiękowych

Dane Wirtzfeld, Getty Images

Efekt Dopplera jest środkiem, za pomocą którego właściwości fal (w szczególności częstotliwości) są pod wpływem ruchu źródła lub słuchacza. Rysunek po prawej pokazuje, w jaki sposób poruszające się źródło zniekształciłoby pochodzące z niego fale z powodu efektu Dopplera (znanego również jako przesunięcie Dopplera ).

Jeśli kiedykolwiek czekałeś na przejeździe kolejowym i słuchałeś gwizdka pociągu, prawdopodobnie zauważyłeś, że ton gwizdka zmienia się w miarę przemieszczania się w stosunku do twojej pozycji. Podobnie ton syreny zmienia się, gdy się zbliża, a następnie mija cię na drodze.

Obliczanie efektu Dopplera

Rozważ sytuację, w której ruch jest zorientowany w linii między słuchaczem L a źródłem S, przy czym kierunek od słuchacza do źródła jest kierunkiem dodatnim. Prędkości w_L oraz w_S są prędkościami słuchacza i źródła względem ośrodka falowego (w tym przypadku powietrza, które jest uważane za w stanie spoczynku). Prędkość fali dźwiękowej, w , jest zawsze uważany za pozytywny.

Stosując te ruchy i pomijając wszystkie niechlujne wyprowadzenia, otrzymujemy częstotliwość słyszaną przez słuchacza ( f_L ) pod względem częstotliwości źródła ( f_S ):

f_L = [( w + w_L )/( w + w_S )] f_S

Jeśli słuchacz odpoczywa, to w_L = 0.
Jeśli źródło jest w spoczynku, to w_S = 0.
Oznacza to, że jeśli ani źródło, ani słuchacz nie poruszają się, to f_L = f_S , co jest dokładnie tym, czego można by się spodziewać.

Jeśli słuchacz zbliża się do źródła, to w_L > 0, ale jeśli oddala się od źródła, to w_L <0.

Alternatywnie, jeśli źródło porusza się w kierunku słuchacza, ruch jest w kierunku ujemnym, więc w_S <0, but if the source is moving away from the listener then w_S > 0.

Efekt Dopplera i inne fale

Efekt Dopplera jest zasadniczo właściwością zachowania fal fizycznych, więc nie ma powodu sądzić, że dotyczy tylko fal dźwiękowych. Rzeczywiście, każda fala wydaje się wykazywać efekt Dopplera.

Ta sama koncepcja może być zastosowana nie tylko do fal świetlnych. To przesuwa światło wzdłuż elektromagnetycznego widma światła (zarówno widzialne światło i nie tylko), tworząc Przesunięcie Dopplera w falach świetlnych nazywa się to przesunięciem ku czerwieni lub ku niebieskiemu, w zależności od tego, czy źródło i obserwator oddalają się od siebie, czy ku sobie. W 1927 r. astronom Edwina Hubble'a zaobserwował, że światło z odległych galaktyk przesunęło się w sposób zgodny z przewidywaniami przesunięcia Dopplera i był w stanie wykorzystać to do przewidzenia prędkości, z jaką oddalają się od Ziemi. Okazało się, że generalnie odległe galaktyki oddalały się od Ziemi szybciej niż pobliskie galaktyki. To odkrycie pomogło przekonać astronomów i fizyków (w tym ​ Alberta Einsteina ), że wszechświat faktycznie się rozszerzał, zamiast pozostawać statyczny przez całą wieczność, i ostatecznie obserwacje te doprowadziły do ​​rozwoju teoria wielkiego podrywu .