Как работает эффект Доплера

[Carder]

Башня доплеровского метеорологического радиолокатора.

Если вам нравятся загадки, вам понравится эта: как может музыкант, играющий одну ноту на валторне, изменить эту ноту, не меняя способ ее исполнения? Сначала вы можете подумать, что это вопрос с подвохом. Понятно, что музыкант должен что-то делать, чтобы изменить высоту звука? Неправильный. Если музыкант играет ту же ноту, двигаясь к неподвижному слушателю или от него, нота, которую слышит слушатель, действительно изменится - даже если музыкант не сделает ничего другого.

Голландский ученый Кристоф Хендрик Дидерик Байс Баллот провел этот эксперимент в 1845 году. Он собрал группу валторнистов и поместил их в открытую тележку, прикрепленную к локомотиву. Затем он приказал машинисту запустить локомотив, чтобы он мог нести тележку вместе с рогами взад и вперед по рельсам. Пока их тянули, музыканты играли на своих рогах единственную ноту. Баллот встал у рельсов и внимательно слушал, как поезд приближается и удаляется. И ноты, которые он слышал, отличались от нот, которые играли музыканты.

Хотя необычный, эксперимент Балло ясно продемонстрировал одно из самых важных волновых явлений, известных ученым. Это явление называется эффектом Доплера в честь австрийского математика Кристиана Иоганна Доплера, который впервые предсказал это странное поведение звука в 1842 году. Сегодня ученые знают, что эффект Доплера применим ко всем типам волн, включая воду, звук и свет. Они также хорошо понимают, почему возникает эффект Доплера. И они включили его принципы во множество полезных инструментов и устройств.

В этой статье мы рассмотрим все, что доплеровское: человек, наука и технологии. Но сначала нужно заложить основу. Поскольку эффект Доплера - это явление, связанное с волнами, давайте начнем с рассмотрения некоторых основ двух основных типов волн - света и звука.

Основы волн​

Когда большинство людей думают о волнах, они думают о волнах на воде. Но свет и звук также распространяются как волны. Световая волна, как и водная волна, является примером поперечной волны, которая вызывает возмущение в среде, перпендикулярной направлению приближающейся волны. На диаграмме ниже вы также можете увидеть, как поперечные волны образуют гребни и впадины.

Расстояние между любыми двумя гребнями (или любыми двумя впадинами) - это длина волны, а высота гребня (или глубина впадины) - это амплитуда. Частота относится к числу гребней или впадин, которые проходят фиксированную точку за секунду. Частота световой волны определяет ее цвет, при этом более высокие частоты создают цвета на синем и фиолетовом концах спектра, а более низкие частоты создают цвета на красном конце спектра.

Звуковые волны - это не поперечные волны. Это продольные волны, создаваемые механической вибрацией определенного типа, которая вызывает серию сжатий и разрежений в среде. Возьмите деревянный духовой инструмент, например кларнет. Когда вы дуетесь в кларнет, тонкая трость начинает вибрировать. Вибрирующий язычок сначала отталкивается от молекул воздуха (среды), а затем отрывается. В результате образуется область, в которой все молекулы воздуха прижимаются друг к другу, а рядом с ней - область, где молекулы воздуха далеко разнесены. По мере того, как эти сжатия и разрежения распространяются от одной точки к другой, они образуют продольную волну, при этом возмущение в среде движется в том же направлении, что и сама волна.

Если вы изучите диаграмму волны выше, вы увидите, что продольные волны имеют те же основные характеристики, что и поперечные волны. У них есть длина волны (расстояние между двумя сжатиями), амплитуда (степень сжатия среды) и частота (количество сжатий, проходящих через фиксированную точку в секунду). Амплитуда звуковой волны определяет ее интенсивность или громкость. Частота звуковой волны определяет ее высоту, более высокие частоты дают более высокие ноты. Например, открытая шестая струна гитары вибрирует с частотой 82,407 герц (циклов в секунду) и производит более низкую высоту звука. Открытая первая струна вибрирует с частотой 329,63 герц и создает более высокий тон.
Как мы увидим дальше, эффект Доплера напрямую связан с частотой волны, будь то вода, свет или звук.

Частота волны​

Давайте начнем рассмотрение эффекта Доплера с рассмотрения источника, который создает волны в воде определенной частоты. Этот источник создает серию волновых фронтов, каждый из которых движется наружу в сфере с центром в источнике. Расстояние между гребнями волн - длина волны - останется неизменной на всем протяжении сферы. Наблюдатель, находящийся перед источником волн, будет видеть волны, равномерно распределенные по мере приближения. Так будет наблюдатель, находящийся за источником волны.
Теперь давайте рассмотрим ситуацию, когда источник не неподвижен, а движется вправо, создавая волны. Поскольку источник движется, он начинает догонять гребни волн с одной стороны, в то время как он удаляется от гребней с противоположной стороны. Наблюдатель, находящийся перед источником, увидит все гребни, собранные в кучу. Наблюдатель, находящийся за источником, увидит, как все волны растянуты. Помните, что частота равна количеству волн, проходящих через определенную точку за секунду, поэтому наблюдатель впереди на самом деле видит более высокую частоту, чем наблюдатель позади источника.

Приведенный выше сценарий описывает волны, сформированные в воде, но он также применим к звуковым волнам и световым волнам. Звуковые волны слышны, но не видны, поэтому наблюдатель будет слышать сгруппированные волны как звук более высокого тона, а вытянутые волны как звук более низкого тона. Например, представьте машину, едущую по шоссе между двумя наблюдателями, как показано ниже. Рев двигателя и трение между шинами и дорожным покрытием создают шум - vroom - который может слышать как наблюдатель, так и водитель.

Для водителя этот шум не изменится. Но наблюдатель, находящийся перед автомобилем, услышит более высокий шум. Почему? Поскольку звуковые волны сжимаются, когда автомобиль приближается к наблюдателю, находящемуся впереди. Это увеличивает частоту волны, и высота звука повышается. Наблюдатель, находящийся за автомобилем, услышит тихий шум, потому что звуковые волны растягиваются по мере удаления автомобиля. Это снижает частоту волны, и высота звука падает.

Световые волны воспринимаются как цветные, поэтому наблюдатель будет воспринимать сгруппированные волны как более синий цвет, а вытянутые волны как более красный цвет. Например, представьте, что астроном наблюдает за галактикой в телескоп. Если галактика устремляется к Земле, создаваемые ею световые волны сгруппируются по мере приближения к телескопу астронома. Это увеличивает частоту волны, что смещает цвета ее спектрального выхода в сторону синего. Если галактика уносится прочь от Земли, создаваемые ею световые волны будут расходиться по мере удаления от телескопа астронома. Это уменьшает частоту волны, что приводит к сдвигу цветов ее спектрального выхода в сторону красного.
Как вы понимаете, астрономы обычно используют эффект Доплера для измерения скорости, с которой движутся планеты, звезды и галактики. Но его полезность не ограничивается космосом. Открытие Доплера является неотъемлемой частью нескольких приложений прямо здесь, на Земле.

Происхождение Вселенной: сдвиг в мышлении
В 1929 году Эдвин Хаббл заметил, что свет, исходящий почти от каждой изученной им галактики, был сдвинут в соответствии с эффектом Доплера в красную часть спектра. Он утверждал, что только галактики, удаляющиеся от нашей галактики, могут производить эти «красные смещения». Это привело к мысли о расширении Вселенной и, в конечном итоге, к теории Большого взрыва.

Практическое применение эффекта Доплера​

За 160 лет или около того с тех пор, как Доплер впервые описал волновое явление, которое укрепило его место в истории, появилось несколько практических применений эффекта Доплера для служения обществу. Во всех этих приложениях происходит одно и то же: стационарный передатчик излучает волны на движущийся объект. Волны ударяются о объект и отскакивают обратно. Передатчик (теперь приемник) определяет частоту возвращенных волн. На основании величины доплеровского сдвига можно определить скорость объекта. Давайте рассмотрим несколько конкретных примеров.

Полицейский радар
Ручные радары, используемые полицией для проверки транспортных средств на превышение скорости, основаны на эффекте Доплера. Вот как они работают:

1. Офицер полиции занимает позицию на обочине дороги.
2. Офицер наводит радар на приближающуюся машину. Пистолет посылает взрыв радио волны на определенной частоте.
3. Радиоволны ударяют по автомобилю и отскакивают обратно к радару.
4. Радар измеряет частоту возвращающихся волн. Поскольку машина движется к пушке, частота возвращающихся волн будет выше, чем частота волн, первоначально переданных пушкой. Чем выше скорость автомобиля, тем выше частота возвратной волны.
5. Разница между излучаемой частотой и отраженной частотой используется для определения скорости транспортного средства. Компьютер внутри пушки мгновенно выполняет расчет и показывает офицеру скорость.

Доплеровский радар
Метеорологи используют аналогичный принцип для чтения погодных явлений. В этом случае стационарный передатчик находится на метеостанции, а исследуемый движущийся объект - штормовая система. Вот что происходит:

1. Радиоволны излучаются метеостанцией на определенной частоте.
2. Волны достаточно большие, чтобы взаимодействовать с облаками и другими атмосферными объектами. Волны ударяются о предметы и отскакивают обратно к станции.
3. Если облака или осадки удаляются от станции, частота отраженных назад волн уменьшается. Если облака или осадки движутся к станции, частота отраженных назад волн увеличивается.
4. Компьютеры в радаре с помощью электроники преобразуют данные о доплеровском сдвиге отраженных радиоволн в изображения, показывающие скорость и направление ветра.

Доплеровские изображения не совпадают с изображениями отражательной способности. Изображения отражательной способности также зависят от радара, но они не основаны на изменениях частоты волн. Вместо этого метеостанция излучает луч энергии, а затем измеряет, какая часть этого луча отражается обратно. Эти данные используются для формирования изображений интенсивности осадков, которые мы постоянно видим на погодных картах, где синий цвет означает легкие осадки, а красный - сильные осадки.

Допплер-эхокардиограмма
Традиционная эхокардиограмма использует звуковые волны для создания изображений сердца. В этой процедуре радиолог использует преобразователь для передачи и приема ультразвуковых волн, которые отражаются, когда достигают края двух структур с разной плотностью. Изображение, полученное с помощью эхокардиограммы, показывает края структур сердца, но не может измерить скорость кровотока, протекающего через сердце. Для получения этой дополнительной информации необходимо использовать доплеровские методы. На доплеровской эхокардиограмме звуковые волны определенной частоты передаются в сердце. Звуковые волны отражаются от клеток кровидвижется по сердцу и кровеносным сосудам. Движение этих ячеек в направлении или от передаваемых волн приводит к сдвигу частоты, который можно измерить. Это помогает кардиологам определять скорость и направление кровотока в сердце.

Разрушение бума
Эффект Доплера используется во многих технологиях, приносящих пользу людям. Но это может иметь и негативное влияние. Например, звуковые удары, производимые сверхзвуковыми самолетами, могут вызывать нежелательные звуки и вибрации на земле, поэтому сверхзвуковым самолетам не разрешается летать над населенными пунктами. Звуковые удары напрямую связаны с эффектом Доплера. Они возникают, когда самолеты, летящие со скоростью звука или выше, на самом деле летают быстрее, чем производимые ими звуковые волны. Все волны собираются позади корабля в очень маленьком пространстве. Когда сгруппированные волны достигают наблюдателя, они сразу «слышатся» - как громкий гул.
ВВС и НАСА экспериментируют с несколькими изобретениями, которые помогают уменьшить звуковые удары. Одно из таких изобретений - шип, идущий от носа самолета. Этот шип существенно удлиняет самолет и распределяет волны на большее расстояние. Это уменьшает стрелу, испытываемую наблюдателем на земле.

Распознавание имени​

Кристиан Доплер.

В 1992 году Австрия отметила 150-летие открытия эффекта Доплера выпуском марки с изображением тонкого лица Кристиана Иоганна Доплера. Хотя Доплер никогда не мог представить себе такую дань уважения, он осознал значение своей работы с самого начала. В статье 1842 года, в которой впервые описывалось это явление, Доплер предложил следующее предсказание: «Практически можно с уверенностью принять, что [эффект Доплера] в недалеком будущем предложит астрономам долгожданное средство для определения перемещений и расстояний до таких объектов. звезды, которые из-за их неизмеримых расстояний от нас и, как следствие, малости параллактических углов, до этого момента едва ли давали надежду на такие измерения и определения».
«Не слишком отдаленное будущее» закончилось тем, что длилось почти 100 лет - именно столько времени потребовалось эффекту Доплера, чтобы оказать серьезное влияние на космологию, метеорологию и медицину. Но это, безусловно, оказало влияние и сделало Доплера одним из самых узнаваемых имен в истории науки.

Досье Доплера
Скажите «относительность», и вы сразу создадите мысленный образ Альберта Эйнштейна: белые и растрепанные волосы, густые усы и задумчивые глаза. Однако мало кто может представить себе человека, стоящего за эффектом Доплера. Чтобы исправить это, давайте рассмотрим некоторые статистические данные Доплера:
День рождения: 29 ноября 1803 г.
Место рождения: Зальцбург, Австрия
Колледж: Венский политехнический институт
Специализация: математика, механика и астрономия.
Жена: Матильда Штурм, 1836 г.
Дети: Три сына, две дочери
Смерть: от туберкулеза, 17 марта 1853 г.
Впервые Доплер описал открытие, которое будет носить его имя в статье, опубликованной в 1842 году под названием «Über das farbige Licht der Doppelsterne» («О цветном свете двойных звезд и некоторых других звезд неба»). Шесть лет спустя французский физик по имени Арман-Ипполит-Луи Физо, не зная о работе Доплера, опубликует аналогичную статью, описывающую точно такое же явление в применении к красному и синему смещению звезд. Фактически, некоторые ученые описывают смещение света как эффект Доплера-Физо.