Η επίδραση Doppler για ηχητικά κύματα

Το φαινόμενο Doppler είναι ένα μέσο από το οποίο κυματικές ιδιότητες (συγκεκριμένα, οι συχνότητες) επηρεάζονται από την κίνηση μιας πηγής ή ακροατή. Η εικόνα προς τα δεξιά δείχνει πώς μια κινούμενη πηγή θα διαστρεβλώνει τα κύματα που προέρχονται από αυτήν, λόγω του αποτελέσματος Doppler (επίσης γνωστού ως Μετατόπιση Doppler).

Εάν έχετε περιμένει σε μια σιδηροδρομική διασταύρωση και ακούσατε τη σφυρίχτρα της αμαξοστοιχίας, πιθανότατα έχετε παρατηρήσει ότι η πίσσα του σφύριγμα αλλάζει καθώς κινείται σε σχέση με τη θέση σας. Ομοίως, το βήμα μιας αλλαγής σειρήνας καθώς πλησιάζει και στη συνέχεια σας περνάει στο δρόμο.

Εξετάστε μια κατάσταση όπου η κίνηση είναι προσανατολισμένη σε μια γραμμή μεταξύ του ακροατή L και της πηγής S, με την κατεύθυνση από τον ακροατή στην πηγή ως τη θετική κατεύθυνση. Οι ταχύτητες v_μεγάλο και v_μικρό είναι οι ταχύτητες του ακροατή και της πηγής σε σχέση με το μέσο κύματος (ο αέρας σε αυτή την περίπτωση, που θεωρείται σε κατάσταση ηρεμίας). Η ταχύτητα του ηχητικού κύματος, v, θεωρείται πάντοτε θετική.

Εφαρμόζοντας αυτές τις κινήσεις και παρακάμπτοντας όλες τις ακατάστατες παραλλαγές, λαμβάνουμε τη συχνότητα που ακούγεται από τον ακροατή (φά_μεγάλο) όσον αφορά τη συχνότητα της πηγής (φά_μικρό):

φά_μεγάλο = [(v + v_μεγάλο)/(v + v_μικρό)] φά_μικρό

Αν ο ακροατής είναι σε κατάσταση ηρεμίας, τότε v_μεγάλο = 0.
Εάν η πηγή βρίσκεται σε κατάσταση ηρεμίας, τότε v_μικρό = 0.
Αυτό σημαίνει ότι εάν δεν κινείται ούτε η πηγή ούτε ο ακροατής, τότε φά_μεγάλο = φά_μικρό, το οποίο είναι ακριβώς αυτό που θα περίμενε κανείς.

Εάν ο ακροατής κινείται προς την πηγή, τότε v_μεγάλο > 0, αν και απομακρύνεται από την πηγή τότε v_μεγάλο < 0.

Εναλλακτικά, αν η πηγή κινείται προς τον ακροατή, η κίνηση είναι προς την αρνητική κατεύθυνση v_μικρό <0, αλλά αν η πηγή απομακρυνθεί από τον ακροατή τότε v_μικρό > 0.

Το φαινόμενο Doppler είναι ουσιαστικά ιδιοκτησία της συμπεριφοράς των φυσικών κυμάτων, επομένως δεν υπάρχει λόγος να πιστεύουμε ότι ισχύει μόνο για ηχητικά κύματα. Πράγματι, οποιοδήποτε είδος κύματος φαίνεται να επιδεικνύει το φαινόμενο Doppler.

Αυτή η ίδια ιδέα μπορεί να εφαρμοστεί όχι μόνο στα φωτεινά κύματα. Αυτό μετατοπίζει το φως κατά μήκος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος του φωτός (και τα δύο ορατό φως και πέρα), δημιουργώντας ένα Η μετατόπιση του Doppler στα φωτεινά κύματα που ονομάζεται redshift ή blueshift, ανάλογα με το αν η πηγή και ο παρατηρητής απομακρύνονται ο ένας από τον άλλο ή από τον άλλο. Το 1927, ο αστρονόμος Ο Edwin Hubble παρατηρούσε ότι το φως από τους μακρινούς γαλαξίες μετατοπίστηκε με τρόπο που ταιριάζει με τις προβλέψεις του Doppler μετατόπιση και ήταν σε θέση να χρησιμοποιήσει αυτό για να προβλέψει την ταχύτητα με την οποία είχαν απομακρυνθεί από το Γη. Αποδείχθηκε ότι, γενικά, μακρινοί γαλαξίες απομακρύνθηκαν από τη Γη πιο γρήγορα από τους κοντινούς γαλαξίες. Η ανακάλυψη αυτή βοήθησε να πείσει τους αστρονόμους και τους φυσικούς (συμπεριλαμβανομένων τωνAlbert Einstein) ότι το σύμπαν επεκτάθηκε στην πραγματικότητα, αντί να παραμείνει στατικό για όλη την αιωνιότητα, και τελικά αυτές οι παρατηρήσεις οδήγησαν στην ανάπτυξη του θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης.