Cum Funcționează Efectul Doppler

{h1}

Efectul doppler este motivul pentru care auziți sunetul dintr-o schimbare a obiectului în mișcare pe măsură ce se apropie și vă trece. Aflați cum funcționează efectul doppler.

Dacă îți plac ghicitoriile, îți va plăcea aceasta: Cum poate un muzician care cântă o singură notă pe un corn să schimbe acea notă fără să schimbe modul în care cântă acea notă? La început, s-ar putea să credeți că aceasta este o întrebare trucată. În mod clar, muzicianul trebuie să facă ceva pentru a schimba tonul, nu? Gresit. Dacă muzicianul cântă aceeași notă în timp ce se îndreaptă către sau ascultă de un ascultător staționar, nota auzită de ascultător se va schimba într-adevăr - chiar dacă muzicianul nu face nimic diferit.

Omul de știință olandez Christoph Hendrik Diederik Buys Ballot a realizat acest experiment în 1845. El a adunat un grup de jucători cu claxonul și l-a plasat într-un cărucior atașat la o locomotivă. Apoi a făcut ca inginerul să pornească locomotiva, astfel încât să poată transporta căruciorul, complet cu claxonii, înainte și înapoi de-a lungul pistei. În timp ce erau trași, muzicienii cântau o singură notă pe coarnele lor. Votul se opri lângă marginea pistei și asculta cu atenție, atât când trenul se apropia și se retrăgea. Și notele pe care le-a auzit erau diferite decât notele cântate de muzicieni.

Deși neobișnuit, experimentul lui Ballot a demonstrat clar unul dintre cele mai importante fenomene valabile cunoscute de oamenii de știință. Fenomenul se numește efectul Doppler după matematicianul austriac Christian Johann Doppler, care a prezis pentru prima dată acest ciudat comportament al sunetului în 1842. Astăzi, oamenii de știință știu că efectul Doppler se aplică tuturor tipurilor de unde, inclusiv apei, sunetului și luminii. De asemenea, au o idee bună de ce apare efectul Doppler. Și au încorporat principiile sale într-o varietate de instrumente și gadgeturi utile.

În acest articol, vom examina totul Doppler: omul, știința și tehnologiile. Dar mai întâi trebuie să punem niște lucrări de bază. Deoarece efectul Doppler este un fenomen asociat cu undele, să începem prin acoperirea unor elemente de bază despre cele două tipuri de undă de bază - lumină și sunet.-

Bazele valurilor

Cum funcționează efectul Doppler: efectul

Când majoritatea oamenilor se gândesc la valuri, se gândesc la valuri de apă. Dar lumina și sunetul călătoresc și ca valuri. Un val de lumină, ca un val de apă, este un exemplu de val transversal, care provoacă o perturbare într-un mediu perpendicular pe direcția undei în avans. În diagrama de mai jos, puteți vedea, de asemenea, cum undele transversale formează creste și jgheaburi.

Distanța dintre oricare două creste (sau oricare două jgheaburi) este lungime de undă, în timp ce înălțimea unei creste (sau adâncimea unui jgheab) este amplitudine. Frecvență se referă la numărul de creste sau jgheaburi care trec un punct fix pe secundă. Frecvența unei unde de lumină îi determină culoarea, frecvențele mai mari producând culori pe capătul albastru și violet al spectrului și frecvențele inferioare producând culori pe capătul roșu al spectrului.

Undele sonore nu sunt unde transversale. Sunt valuri longitudinale, creat de un anumit tip de vibrații mecanice care produce o serie de compresii și rarefecții într-un mediu. Luați un instrument de lemn de lemn, cum ar fi un clarinet. Când suflați într-un clarinet, o trestie subțire începe să vibreze. Trestia vibrantă se împinge mai întâi împotriva moleculelor de aer (mediu), apoi se îndepărtează. Aceasta rezultă într-o zonă în care toate moleculele de aer sunt presate împreună și, chiar lângă ea, o zonă în care moleculele de aer sunt răspândite departe. Pe măsură ce aceste compresii și rarefacții se propagă dintr-un punct în altul, ele formează o undă longitudinală, cu perturbarea mediului în mișcare în aceeași direcție ca unda în sine.

Cum funcționează efectul Doppler: funcționează

Dacă studiați diagrama valului de mai sus, veți vedea că undele longitudinale au aceleași caracteristici de bază ca undele transversale. Au lungimea de undă (distanța dintre două compresii), amplitudinea (cantitatea de mediu este comprimată) și frecvența (numărul de compresii care trec un punct fix pe secundă). Amplitudinea unei unde sonore o determină intensitate, sau zgomot. Frecvența unei unde sonore determină poziția sa, frecvențele mai mari producând note mai mari. De exemplu, șirul șase deschis al unei chitare vibrează cu o frecvență de 82.407 hertz (cicluri pe secundă) și produce un ton mai mic. Prima coardă deschisă vibrează cu o frecvență de 329.63 hertz și produce un pas mai mare.

După cum vom vedea în secțiunea următoare, efectul Doppler este direct legat de frecvența unei unde, indiferent dacă este făcut din apă, lumină sau sunet.

Frecvența valurilor

Cum funcționează efectul Doppler: este

Să începem disecția noastră a efectului Doppler luând în considerare o sursă care creează valuri în apă la o anumită frecvență. Această sursă produce o serie de fronturi de undă, cu fiecare în mișcare spre exterior într-o sferă centrată pe sursă. Distanța dintre crestele valurilor - lungimea de undă - va rămâne aceeași până în jurul sferei. Un observator din fața sursei de unde va vedea undele la fel de distanțate pe măsură ce se apropie. La fel și un observator situat în spatele sursei de val.

Acum să luăm în considerare o situație în care sursa nu este staționară, ci se deplasează spre dreapta, deoarece produce valuri. Deoarece sursa se mișcă, începe să prindă creștele valurilor pe o parte în timp ce se îndepărtează de creștele din partea opusă. Un observator amplasat în fața sursei va vedea creștele toate înghesuite. Un observator situat în spatele sursei va vedea valurile întinse. Nu uitați, frecvența este egală cu numărul de unde care trec un punct specific pe secundă, astfel încât observatorul din față vede de fapt o frecvență mai mare decât observatorul din spatele sursei.

Scenariul de mai sus descrie undele formate în apă, dar se aplică și undelor sonore și undelor de lumină. Undele sonore sunt auzite, nu se văd, astfel încât observatorul va auzi undele aglomerate ca un sunet cu o înălțime mai mare, undele întinse ca un sunet cu o adâncime mai mică. De exemplu, luați în considerare o mașină care circulă pe o autostradă între doi observatori, așa cum se arată mai jos. Urletul motorului și fricțiunea dintre anvelope și suprafața drumului creează un zgomot - vroom - care poate fi auzit atât de observatori, cât și de șofer.

Pentru șofer, acest zgomot nu se va schimba. Dar observatorul amplasat în fața mașinii va auzi un zgomot mai mare. De ce? Deoarece undele sonore se comprimă pe măsură ce vehiculul se apropie de observatorul situat în față. Acest lucru mărește frecvența valului, iar pasul vii crește. Observatorul amplasat în spatele mașinii va auzi un zgomot mai mic, deoarece undele sonore se întind pe măsură ce mașina se retrage. Aceasta scade frecvența valului, iar gradul de depunere a căderii scade.

Undele de lumină sunt percepute ca culoare, astfel încât observatorul va simți undele înrămate ca o culoare mai albă, undele întinse ca o culoare mai roșie. De exemplu, ia în considerare un astronom care observă o galaxie printr-un telescop. Dacă galaxia se grăbește spre Pământ, undele de lumină pe care le produce se vor acumula în timp ce se apropie de telescopul astronomului. Aceasta mărește frecvența undei, care schimbă culorile ieșirii spectrale către albastru. Dacă galaxia se grăbește de Pământ, undele de lumină pe care le produce se vor răspândi pe măsură ce se retrag de la telescopul astronomului. Aceasta scade frecvența undei, care schimbă culorile ieșirii spectrale către roșu.

După cum vă puteți imagina, astronomii profită de rutină de efectul Doppler pentru a măsura viteza cu care se mișcă planetele, stelele și galaxiile. Dar utilitatea sa nu se limitează la spațiul exterior. Descoperirea Doppler este integrală pentru mai multe aplicații chiar aici pe Pământ.

Originea Universului: o schimbare în gândire

În 1929, Edwin Hubble a observat că lumina provenită din aproape fiecare galaxie studiată a fost mutată, conform efectului Doppler, spre capătul roșu al spectrului. El a susținut că numai galaxiile care se îndepărtează de galaxia noastră ar putea produce aceste „schimbări roșii”. Aceasta a dus la ideea că universul se extinde și, în cele din urmă, la teoria Big Bang.

Aplicații practice ale efectului Doppler

În 160 de ani de când Doppler a descris pentru prima dată fenomenul val care i-ar cimenta locul în istorie, au apărut mai multe aplicații practice ale efectului Doppler pentru a servi societății. În toate aceste aplicații se întâmplă același lucru de bază: un emițător staționar trage valuri asupra unui obiect în mișcare. Valurile au lovit obiectul și au sărit înapoi. Emitatorul (acum un receptor) detectează frecvența undelor returnate. Pe baza cantității de deplasare Doppler, viteza obiectului poate fi determinată. Să ne uităm la câteva exemple specifice.

Radarul Poliției

Pistolele radare portabile folosite de poliție pentru verificarea vitezei vehiculelor se bazează pe efectul Doppler. Iată cum funcționează:

Acest conținut nu este compatibil pe acest dispozitiv.

  1. Un ofițer de poliție ia o poziție pe marginea drumului.
  2. Ofițerul își îndreaptă arma cu radarul spre un vehicul care se apropie. Arma trimite o explozie de unde radio la o anumită frecvență.
  3. Undele radio lovesc vehiculul și sări înapoi spre pistolul radar.
  4. Pistolul radar măsoară frecvența undelor de întoarcere. Deoarece mașina se deplasează spre pistol, frecvența undelor de întoarcere va fi mai mare decât frecvența undelor transmise inițial de pistol. Cu cât este mai rapidă viteza mașinii, cu atât este mai mare frecvența valului de întoarcere.
  5. Diferența dintre frecvența emisă și frecvența reflectată este utilizată pentru a determina viteza vehiculului. Un computer din interiorul pistolului efectuează calculul instantaneu și afișează o viteză către ofițer.

Radar Doppler

Meteorologii folosesc un principiu similar pentru a citi evenimentele meteorologice. În acest caz, emițătorul staționar este situat într-o stație meteo, iar obiectul în mișcare studiat este un sistem de furtuni. Asta se intampla:

  1. Undele radio sunt emise de la o stație meteo la o frecvență specifică.
  2. Valurile sunt suficient de mari pentru a interacționa cu norii și cu alte obiecte atmosferice. Valurile lovesc obiecte și se întorc spre stație.
  3. Dacă norii sau precipitațiile se îndepărtează de stație, frecvența valurilor reflectate înapoi scade. Dacă norii sau precipitațiile se deplasează spre stație, frecvența valurilor reflectate crește înapoi.
  4. Calculatoarele din radar convertesc electronic datele de deplasare Doppler despre undele radio reflectate în imagini care arată viteza și direcția vântului.

Imaginile Doppler nu sunt aceleași cu imaginile cu reflectivitate. Imaginile de reflectivitate se bazează, de asemenea, pe radar, dar nu se bazează pe modificări ale frecvenței undelor. În schimb, o stație meteo emite un fascicul de energie, apoi măsoară cât din acea grindă este reflectată înapoi. Aceste date sunt utilizate pentru a forma imagini de intensitate a precipitațiilor pe care le vedem tot timpul pe hărțile meteorologice, unde albastrul este precipitații ușoare și roșu este precipitații abundente.

Ecocardiogramă Doppler

O ecocardiogramă tradițională folosește undele sonore pentru a produce imagini ale inimii. În această procedură, un radiolog utilizează un traductor pentru a transmite și primi unde cu ultrasunete, care sunt reflectate atunci când ating marginea a două structuri cu densități diferite. Imaginea produsă de o ecocardiogramă arată marginile structurilor inimii, dar nu poate măsura viteza sângelui care circulă prin inimă. Tehnicile Doppler trebuie încorporate pentru a oferi aceste informații suplimentare. Într-o ecocardiogramă Doppler, undele sonore cu o anumită frecvență sunt transmise în inimă. Undele sonore sări din celulele sanguine care se deplasează prin inimă și vasele de sânge. Mișcarea acestor celule, spre sau departe de undele transmise, duce la o deplasare a frecvenței care poate fi măsurată. Acest lucru ajută cardiologii să determine viteza și direcția fluxului de sânge în inimă.

Lovitura Boom-ului

Efectul Doppler este utilizat în multe tehnologii care beneficiază oamenii. Dar poate avea și un impact negativ. De exemplu, boom-urile sonice, care sunt cauzate de aeronave supersonice, pot provoca sunete și vibrații obiectabile pe teren, motiv pentru care avioanele supersonice nu au voie să zboare peste zonele populate. Boom-urile Sonic sunt direct legate de efectul Doppler. Ele apar atunci când avioanele, care zboară cu viteza sunetului sau mai mari, zboară de fapt mai repede decât undele sonore pe care le produc. Toate valurile se adună în spatele ambarcațiunii, într-un spațiu extrem de mic. Când undele aglomerate ajung la un observator, ele sunt „auzite” deodată - ca un boom răsunător.

Forțele Aeriene și NASA experimentează mai multe invenții care ajută la atenuarea boom-urilor sonice. O astfel de invenție este un vârf care se extinde din nasul avionului. Acest vârf alungă în esență planul și distribuie undele pe o distanță mai mare. Acest lucru reduce boomul experimentat de un observator pe teren.

Recunoașterea numelui

Christian Doppler

Christian Doppler

În 1992, Austria a marcat 150 de ani de la descoperirea efectului Doppler prin eliberarea unei ștampile cu chipul subțire al lui Christian Johann Doppler. Deși Doppler nu și-ar fi imaginat niciodată un astfel de tribut, el a înțeles semnificația lucrării sale de la bun început. În lucrarea din 1842 care a descris prima dată fenomenul, Doppler a oferit această predicție: „Este aproape de acceptat cu certitudine că [efectul Doppler] va oferi, în viitorul nu prea îndepărtat, astronomilor un mijloc binevenit pentru a determina mișcările și distanțele acestor stele care, din cauza distanțelor lor nemasurabile de noi și a mărimii în consecință a unghiurilor paralactice, până în acest moment au prezentat cu greu speranța unor astfel de măsurători și determinări. "

„Viitorul nu prea îndepărtat” a sfârșit să fie de aproape 100 de ani, ceea ce a durat ca efectul Doppler să aibă un impact major asupra cosmologiei, meteorologiei și medicinei. Dar cu siguranță a avut un impact și a făcut din Doppler unul dintre cele mai recunoscute nume din istoria științei.

Pentru mai multe informații despre efectul Doppler și subiecte conexe, vizitați linkurile de pe pagina următoare.

Dosarul Doppler

Spune „relativitate” și vei forma imediat o imagine mentală a lui Albert Einstein: păr alb și sălbatic, mustață stufoasă și ochi gânditori. Totuși, puțini oameni pot imagina omul din spatele efectului Doppler. Pentru a ajuta la remedierea acestui aspect, să trecem în revistă câteva dintre statisticile vitale ale Doppler:

Zi de nastere: 29 noiembrie 1803

Locul naşterii: Salzburg, Austria

Colegiu: Institutul Politehnic din Viena

Expertiză: Matematică, mecanică și astronomie

Căsătorit: Mathild Sturm, 1836

Copii: Trei fii, două fiice

Moarte: Din tuberculoză, 17 martie 1853

Doppler a descris pentru prima dată descoperirea care îi va purta numele într-o lucrare, publicată în 1842, intitulată „Über das farbige Licht der Doppelsterne” („În ceea ce privește lumina colorată a stelelor duble și a altor stele ale cerurilor”). Șase ani mai târziu, un fizician francez cu numele de Armand-Hippolyte-Louis Fizeau, neștiind lucrările lui Doppler, va publica o lucrare similară care descrie exact același fenomen ca și în cazul schimbării roșii și albastre a stelelor. De fapt, unii oameni de știință descriu schimbarea luminii drept efectul Doppler-Fizeau.-






Descoperiri Științifice

Cercetare


Science News


Instantanee Din Hawaii: De Ce Nasa Studiază Vulcanii Și Recifele Insulelor
Instantanee Din Hawaii: De Ce Nasa Studiază Vulcanii Și Recifele Insulelor

Artefacte Chineze De Contrabandă Duc La Acuzații
Artefacte Chineze De Contrabandă Duc La Acuzații

Când Vom Rămâne Fără Petrol Și Ce Se Întâmplă Atunci?
Când Vom Rămâne Fără Petrol Și Ce Se Întâmplă Atunci?

Show Light: Urmărește Auroras În Direct Pe Web
Show Light: Urmărește Auroras În Direct Pe Web

Acest Supercomputer Poate Calcula În 1 Secundă Ce V-Ar Lua 6 Miliarde De Ani
Acest Supercomputer Poate Calcula În 1 Secundă Ce V-Ar Lua 6 Miliarde De Ani


RO.WordsSideKick.com
Toate Drepturile Rezervate!
Reproducerea Oricăror Materiale Permise Prostanovkoy Doar Link-Ul Activ La Site-Ul RO.WordsSideKick.com

© 2005–2020 RO.WordsSideKick.com