Efekt Dopplera dla fal elektromagnetycznych. Badania podstawowe

Efekt Dopplera opisuje wzór:

gdzie jest częstotliwością fali rejestrowanej przez odbiornik; - częstotliwość fali emitowanej przez źródło; - w środowisku; i są odpowiednio prędkościami odbiornika i źródła względem ośrodka elastycznego.

Jeśli źródło dźwięku zbliża się do odbiornika, wówczas jego prędkość ma znak plus. Jeśli źródło oddala się od odbiornika, jego prędkość ma znak minus.

Ze wzoru jasno wynika, że ​​gdy źródło i odbiornik poruszają się w taki sposób, że odległość między nimi maleje, to częstotliwość odbierana przez odbiornik okazuje się większa od częstotliwości źródła. Jeśli odległość między źródłem a odbiornikiem wzrośnie, będzie ona mniejsza niż .

Efekt Dopplera jest podstawą radarów, za pomocą których funkcjonariusze policji drogowej określają prędkość samochodu. W medycynie wykorzystuje się efekt Dopplera urządzenie ultradźwiękowe odróżniać żyły od tętnic podczas wykonywania zastrzyków. Dzięki efektowi Dopplera astronomowie odkryli, że Wszechświat się rozszerza - galaktyki oddalają się od siebie. Wykorzystując efekt Dopplera wyznaczane są parametry ruchu planet i statków kosmicznych.

Przykłady rozwiązywania problemów

PRZYKŁAD 1

Ćwiczenia	Dwa samochody zbliżają się do siebie na autostradzie z prędkościami m/s i m/s. Pierwszy z nich wytwarza sygnał dźwiękowy o częstotliwości 600 Hz. Określ częstotliwość sygnału, który usłyszy kierowca drugiego samochodu: a) przed spotkaniem; b) po posiedzeniu. Przyjmuje się, że prędkość dźwięku wynosi 348 m/s.
Rozwiązanie	Przed spotkaniem samochody zbliżają się do siebie, tj. odległość między nimi maleje, a źródło dźwięku (pierwszy samochód) zbliża się do odbiornika dźwięku (drugi samochód), więc prędkość pierwszego samochodu zostanie wpisana do wzoru ze znakiem plus. Obliczmy: Hz Po spotkaniu samochody odsuną się od siebie, tj. źródło sygnału dźwiękowego odsunie się od odbiornika, więc prędkość źródła wejdzie do wzoru ze znakiem minus: Hz
Odpowiedź	Częstotliwość sygnału, który usłyszy kierowca drugiego samochodu przed spotkaniem pierwszego, wyniesie 732 Hz, a po spotkaniu – 616 Hz.

PRZYKŁAD 2

Ćwiczenia	Szybki pociąg zbliża się do stojącego na torach pociągu elektrycznego z prędkością 72 km/h. Pociąg elektryczny emituje sygnał dźwiękowy o częstotliwości 0,6 kHz. Wyznacz pozorną częstotliwość sygnału dźwiękowego, który usłyszy maszynista pociągu pospiesznego. Przyjmuje się, że prędkość dźwięku wynosi 340 m/s.
Rozwiązanie	Zapiszmy wzór na efekt Dopplera: W układzie odniesienia związanym z pociągiem pospiesznym maszynista pociągu pospiesznego (odbiornik sygnału) jest zatem nieruchomy , a pociąg elektryczny (źródło sygnału) porusza się w kierunku pociągu pospiesznego z prędkością , która jest oznaczona znakiem plus, ponieważ zmniejsza się odległość pomiędzy źródłem a odbiornikiem sygnału dźwiękowego. Przeliczmy jednostki na układ SI: prędkość ruchu pociągu elektrycznego względem pociągu pospiesznego km/h m/s; częstotliwość sygnału dźwiękowego pociągu elektrycznego kHz Hz. Obliczmy: Hz
Odpowiedź	Pozorna częstotliwość, którą usłyszy maszynista pociągu pospiesznego, to 638 Hz.

PRZYKŁAD 3

Ćwiczenia

Pociąg elektryczny przejeżdża przez peron kolejowy. Obserwator stojący na peronie słyszy dźwięk syreny pociągu. Kiedy przyjedzie pociąg? Gdy pociąg się oddala, obserwator słyszy dźwięk o częstotliwości 1100 Hz; pozorna częstotliwość tego dźwięku wynosi 900 Hz. Znajdź prędkość lokomotywy elektrycznej i częstotliwość dźwięku wydawanego przez syrenę. Przyjmuje się, że prędkość dźwięku w powietrzu wynosi 340 m/s.

Rozwiązanie

Ponieważ obserwator stojący na platformie jest nieruchomy, prędkość odbiornika wynosi . Zapiszmy wzór na efekt Dopplera dla obu przypadków. a) gdy pociąg się zbliża: b) gdy pociąg odjeżdża: Wyraźmy częstotliwości sygnału dźwiękowego syreny i przyrównajmy prawe strony otrzymanych równości:

Pod Efekt Dopplera zrozumieć zmianę częstotliwości zarejestrowaną przez odbiornik fal związaną z ruchem źródła i odbiornika. Efekt ten został po raz pierwszy teoretycznie uzasadniony w akustyce i optyce przez austriackiego fizyka K. Dopplera w 1842 roku.

Rozważmy wyprowadzenie wzoru na częstotliwość fali sprężystej odbieranej przez odbiornik na przykładzie dwóch szczególnych przypadków. 1. Ośrodek zawiera stacjonarne źródło i odbiornik fal dźwiękowych. Częstotliwości i długości fal emitowane przez źródło
, poruszając się z dużą prędkością , dotrzeć do odbiornika i wytworzyć w nim oscylacje o tej samej częstotliwości
(ryc. 6.11, a). 2. Źródło i emitowana przez nie fala poruszają się wzdłuż osi Wołu. Odbiorca rusza w ich stronę. Należy pamiętać, że prędkość fali zależy wyłącznie od właściwości ośrodka i nie zależy od ruchu odbiornika i źródła. Dlatego ruch źródła ze stałą częstotliwością emitowane przez niego wibracje zmienią jedynie długość fali. Rzeczywiście, źródło okresu oscylacji pójdzie na odległość
, i zgodnie z prawem dodawania prędkości fala będzie się oddalać ze źródła na odległość
, a co za tym idzie, jego długość fali
będzie mniej (ryc. 6.11, b).

W stosunku do odbiornika fala, zgodnie z prawem dodawania prędkości, będzie przemieszczać się z pewną prędkością
i dla stałej długości fali częstotliwość wibracje odbierane przez źródło ulegną zmianie i będą równe

.

Jeśli źródło i odbiornik oddalają się od siebie, to we wzorze na częstotliwość znaki trzeba zmienić. W rezultacie pojedynczy wzór na częstotliwość oscylacji odbieraną przez odbiornik, gdy źródło i odbiornik poruszają się w jednej linii prostej, będzie wyglądał następująco:

. (6.36)

Z tego wzoru wynika, że ​​dla obserwatora znajdującego się np. na stacji częstotliwość sygnału dźwiękowego nadjeżdżającego pociągu ( υ PR =0, υ IST >0)

będzie coraz większe i mniejsze w miarę oddalania się od stacji. Jeśli przyjmiemy np. prędkość dźwięku υ = 340 m/s, prędkość pociągu υ = 72 km/h i częstotliwość sygnału dźwiękowego ν 0 = 1000 Hz (częstotliwość ta jest dobrze odbierana przez człowieka ucho, a ucho rozróżnia fale dźwiękowe o różnicy częstotliwości większej niż 10 Hz), wówczas częstotliwość sygnału odbieranego przez ucho będzie zmieniać się w granicach

=

Jeżeli źródło i odbiornik poruszają się z prędkościami skierowanymi pod kątem do łączącej je linii prostej, to należy obliczyć częstotliwość , postrzegany przez odbiornik, należy wykonać rzuty ich prędkości na tę linię prostą (ryc. 6.11, c):

. (6.37)

Efekt Dopplera obserwuje się także w przypadku fal elektromagnetycznych. Ale w przeciwieństwie

fale sprężyste, fale elektromagnetyczne mogą rozchodzić się pod nieobecność ośrodka, w próżni. W konsekwencji dla fal elektromagnetycznych prędkość ruchu źródła i odbiornika względem ośrodka nie ma znaczenia. W przypadku fal elektromagnetycznych należy uwzględnić względną prędkość ruchu źródła i odbiornika, uwzględniając transformacje Lorentza i dylatację czasu w poruszającym się układzie odniesienia.

Rozważmy podłużny efekt Dopplera. Wyprowadźmy wzór na częstotliwość fal elektromagnetycznych rejestrowanych przez odbiornik; w konkretnym przypadku źródło i odbiornik zbliżają się do siebie w kierunku łączącej je linii prostej. Niech będą dwa I.S.O. – nieruchome I.S.O. DO(znajduje się w nim nieruchomy odbiornik EMW) i poruszanie się względem niego po pokrywających się osiach współrzędnych Oh I Oh' ISO DO′ (zawiera stacjonarne źródło fal elektromagnetycznych) (ryc. 6.12, a).

Zastanówmy się, co obserwuje się w I.S.O. DO I DO".

1. ISODO ′ . Źródło fali elektromagnetycznej jest nieruchome i znajduje się w początku osi współrzędnych Oh′ (ryc. 6.12,a). Emituje w trybie ISO. DO′ EMW z kropką
, częstotliwości
i długość fali
.

Odbiornik porusza się, lecz jego ruch nie wpływa na zmianę częstotliwości odbieranego sygnału. Wynika to z faktu, że zgodnie z drugim postulatem S.T.O. prędkość fali elektromagnetycznej względem odbiornika będzie zawsze równa Z, a co za tym idzie, częstotliwość fali odbieranej przez odbiornik w ISO. DO" też będzie równe ,

2. ISODO . Oh Odbiornik EMW jest nieruchomy, a źródło EMW porusza się w kierunku osi z prędkością
().

. Dlatego w przypadku źródła należy uwzględnić relatywistyczny efekt dylatacji czasu. Oznacza to, że okres fali emitowanej przez źródło w tym układzie inercjalnym będzie większy niż okres fali w układzie ISO. Dla długości fali

, emitowane przez źródło w kierunku odbiornika, można zapisać To wyrażenie uwzględnia kropkę T i częstotliwości odbierane przez odbiornik EMW w ISO. DO,

, (6.38)

zapisz następujące formuły: DO gdzie bierze się pod uwagę, że prędkość fali elektromagnetycznej względem odbiornika w ISO. równy.

Z

W przypadku usunięcia źródła i odbiornika konieczna jest zmiana znaków we wzorze (6.38). W takim przypadku częstotliwość promieniowania rejestrowana przez odbiornik zmniejszy się w porównaniu z częstotliwością fali emitowanej przez źródło, tj. obserwuje się przesunięcie ku czerwieni w widmie światła widzialnego.

Jak widać, wyrażenie (6.38) nie uwzględnia prędkości źródła i odbiornika oddzielnie, a jedynie prędkość ich względnego ruchu. Obserwuje się to również w przypadku fal elektromagnetycznych poprzeczny efekt Dopplera
, co jest związane z efektem dylatacji czasu w poruszającym się inercjalnym układzie odniesienia. Poświęćmy chwilę, gdy prędkość źródła fali elektromagnetycznej jest prostopadła do linii obserwacji (rys. 6.12,b), wówczas źródło nie przemieszcza się w stronę odbiornika i dlatego długość emitowanej przez nie fali nie ulega zmianie (

,
. (6.39)

). Pozostaje tylko relatywistyczny efekt dylatacji czasu
.

W przypadku poprzecznego efektu Dopplera zmiana częstotliwości będzie znacznie mniejsza niż w przypadku podłużnego efektu Dopplera. Rzeczywiście, stosunek częstotliwości znaleziony za pomocą wzorów (6.38) i (6.39) dla efektów podłużnych i poprzecznych będzie znacznie mniejszy od jedności:

Poprzeczny efekt Dopplera został potwierdzony eksperymentalnie, co po raz kolejny potwierdziło słuszność szczególnej teorii względności. Przedstawione tu argumenty na rzecz wzoru (6.39) nie pretendują do miana rygorystycznych, lecz dają prawidłowy wynik. Ogólnie rzecz biorąc, dla dowolnego kąta pomiędzy linią obserwacji a prędkością źródła , możemy napisać

następującą formułę , (6.40) gdzie kąt

Poprzeczny efekt Dopplera nie występuje w przypadku fal sprężystych w ośrodku. Wynika to z faktu, że w celu wyznaczenia częstotliwości fali odbieranej przez odbiornik rzuty prędkości są przyjmowane na linię prostą łączącą źródło i odbiornik (patrz rys. 6.11c), a dla sprężystości nie występuje dylatacja czasu fale.

Efekt Dopplera ma szerokie zastosowania praktyczne, na przykład do pomiaru prędkości gwiazd i galaktyk poprzez przesunięcie Dopplera (czerwone) linii w ich widmach emisyjnych; do wyznaczania prędkości poruszających się celów w radarze i sonarze; do pomiaru temperatury ciał metodą dopplerowskiego poszerzania linii emisyjnych atomów i cząsteczek itp.

Efekt Dopplera dla fal sprężystych wynika ze stałości prędkości propagacji fali sprężystej w ośrodku będącym pewnym wybranym układem odniesienia. Dla fale elektromagnetyczne taki dedykowany układ odniesienia (ośrodek) nie istnieje, a wyjaśnienie efektu Dopplera dla fal elektromagnetycznych można podać jedynie w ramach szczególnej teorii względności.

Niech źródło S zbliża się do stacjonarnego odbiornika z dużą prędkością R. W tym przypadku źródło emituje impulsy elektromagnetyczne o częstotliwości (częstotliwości naturalnej) w kierunku odbiornika. Odstęp czasu pomiędzy dwoma kolejnymi impulsami w ramce odniesienia powiązanej ze źródłem jest równy . Ponieważ źródło się porusza, odpowiedni okres czasu w nieruchomym układzie odniesienia związanym z odbiornikiem, ze względu na efekt spowolnienia poruszającego się zegara, będzie większy, a mianowicie

, (40.1)

Odległość pomiędzy sąsiednimi impulsami w ramce odniesienia powiązanej z odbiornikiem będzie równa

. (40.2)

Wtedy częstotliwość powtarzania impulsów odbierana przez odbiornik będzie równa , lub

. (40.3)

Wynikowy wzór (40,3) odpowiada podłużny efekt Dopplera, co jest konsekwencją dwóch zjawisk: spowolnienia poruszającego się zegara oraz „kompresji” (lub rozładowywania) impulsów związanej ze zmianą odległości źródła od odbiornika. Jeśli źródło się zbliża (jak w rozpatrywanym przypadku), wówczas częstotliwość odbieranej fali elektromagnetycznej wzrasta (), ale jeśli się oddala, to (w tym przypadku znak prędkości zmienia się na przeciwny).

Jeżeli prędkość jest znacznie mniejsza od prędkości światła, to (40.3) można zastąpić co do wyrazów wzorem przybliżonym (przybliżeniem nierelatywistycznym):

. (40.4)

W ogólnym przypadku, gdy wektor prędkości źródła tworzy kąt z kierunkiem do odbiornika (linią wzroku), prędkość we wzorze (40.3) należy zastąpić jej rzutem do linii wzroku, a następnie częstotliwość odbieranych fal elektromagnetycznych jest określana przez wyrażenie

. (40.5)

Z ostatniego wyrażenia wynika, że ​​jeśli źródło porusza się prostopadle do kierunku odbiornika (), to obserwuje się poprzeczny efekt Dopplera:

, (40.6)

w którym częstotliwość odbierana przez odbiornik jest zawsze mniejsza niż częstotliwość własna źródła (). Efekt poprzeczny jest bezpośrednią konsekwencją spowolnienia poruszającego się zegara i jest znacznie słabszy niż efekt podłużny.

Podłużny efekt Dopplera wykorzystywany jest w lokalizacji do określenia prędkości obiektu. Księgowość przesunięcie Dopplera częstotliwości mogą być wymagane podczas organizowania komunikacji z poruszającymi się obiektami. Gwiazdy podwójne odkryto dzięki efektowi Dopplera. W 1929 roku amerykański astronom E. Hubble odkrył, że linie w widmie emisyjnym odległych galaktyk przesunęły się w stronę dłuższych fal (kosmologiczne przesunięcie ku czerwieni). Przesunięcie ku czerwieni powstaje w wyniku efektu Dopplera i wskazuje, że odległe galaktyki oddalają się od nas, a prędkość ekspansji galaktyk jest proporcjonalna do odległości do nich:

gdzie jest stała Hubble'a.

Czy zauważyłeś kiedyś, że dźwięk syreny samochodowej ma inną wysokość w miarę zbliżania się lub oddalania od Ciebie?

Różnica w częstotliwości gwizdka lub syreny jadącego i zbliżającego się pociągu lub samochodu jest prawdopodobnie najbardziej oczywistym i powszechnym przykładem efektu Dopplera. Efekt ten, teoretycznie odkryty przez austriackiego fizyka Christiana Dopplera, odegrał później kluczową rolę w nauce i technologii.

Dla obserwatora długość fali promieniowania będzie miała inne znaczenie przy różnych prędkościach źródła względem obserwatora. W miarę zbliżania się źródła długość fali będzie się zmniejszać, a w miarę oddalania – zwiększać. W związku z tym częstotliwość zmienia się również wraz z długością fali. Dlatego częstotliwość gwizdka nadjeżdżającego pociągu jest zauważalnie większa niż częstotliwość gwizdka w miarę oddalania się. Właściwie to jest istota efektu Dopplera.

Efekt Dopplera leży u podstaw działania wielu przyrządów pomiarowych i badawczych. Dziś jest szeroko stosowany w medycynie, lotnictwie, astronautyce, a nawet życiu codziennym. Wykorzystując efekt Dopplera, nawigację satelitarną i radary drogowe, maszyny ultradźwiękowe i alarm bezpieczeństwa. Efekt Dopplera znalazł szerokie zastosowanie w: badania naukowe. Być może jest najbardziej znany w astronomii.

Wyjaśnienie efektu

Aby zrozumieć naturę efektu Dopplera, wystarczy spojrzeć na powierzchnię wody. Kręgi na wodzie doskonale ukazują wszystkie trzy składowe każdej fali. Wyobraźmy sobie, że jakiś nieruchomy pływak tworzy koła. W tym przypadku okres będzie odpowiadał czasowi, jaki upłynął pomiędzy emisją jednego i następnego okręgu. Częstotliwość jest równa liczbie okręgów wyemitowanych przez pływak w określonym czasie. Długość fali będzie równa różnicy promieni dwóch kolejno emitowanych okręgów (odległość między dwoma sąsiednimi grzbietami).

Wyobraźmy sobie, że do tego nieruchomego pływaka zbliża się łódź. Ponieważ łódź porusza się w kierunku grzbietów, prędkość łodzi zostanie dodana do prędkości propagacji okręgów. Dlatego w stosunku do łodzi prędkość zbliżających się grzbietów wzrośnie. Jednocześnie zmniejszy się długość fali. W rezultacie skróci się czas, który upłynie pomiędzy uderzeniami dwóch sąsiadujących ze sobą okręgów w burtę łodzi. Innymi słowy, okres się zmniejszy i odpowiednio częstotliwość wzrośnie. W ten sam sposób w przypadku cofającej się łodzi prędkość grzbietów, które ją teraz dogonią, zmniejszy się, a długość fali wzrośnie. Oznacza to zwiększenie okresu i zmniejszenie częstotliwości.

Teraz wyobraź sobie, że pływak znajduje się pomiędzy dwiema nieruchomymi łodziami. Co więcej, rybak na jednym z nich przyciąga pływak do siebie. Nabierając prędkości względem powierzchni, pływak nadal emituje dokładnie te same koła. Jednakże środek każdego kolejnego okręgu będzie przesunięty względem środka poprzedniego w stronę łodzi, do której zbliża się pływak. Dlatego po stronie tej łodzi odległość między grzbietami zostanie zmniejszona. Okazuje się, że koła o zmniejszonej długości fali, a więc o zmniejszonym okresie i zwiększonej częstotliwości, będą pojawiać się na łodzi z rybakiem ciągnącym pływak. Podobnie fale o zwiększonej długości, okresie i zmniejszonej częstotliwości dotrą do innego rybaka.

Wielokolorowe gwiazdki

Takie wzorce zmian charakterystyki fal na powierzchni wody zauważył kiedyś Christian Doppler. Każdy taki przypadek opisał matematycznie, a uzyskane dane odniósł do dźwięku i światła, które również mają naturę falową. Doppler zasugerował, że kolor gwiazd zależy zatem bezpośrednio od prędkości, z jaką się do nas zbliżają lub oddalają. Nakreślił tę hipotezę w artykule przedstawionym w 1842 roku.

Należy zauważyć, że Doppler mylił się co do koloru gwiazd. Wierzył, że wszystkie gwiazdy promieniują biały, która jest następnie zniekształcana ze względu na ich prędkość względem obserwatora. W rzeczywistości efekt Dopplera nie wpływa na kolor gwiazd, ale na wzór ich widma. W przypadku gwiazd oddalających się od nas wszystkie ciemne linie widma zwiększą długość fali – przesuną się w stronę czerwieni. Efekt ten został ustalony w nauce pod nazwą „przesunięcie ku czerwieni”. Natomiast w przypadku zbliżających się gwiazd linie zmierzają do części widma o wyższej częstotliwości - koloru fioletowego.

Ta cecha linii widmowych, oparta na wzorach Dopplera, została teoretycznie przewidziana w 1848 roku przez francuskiego fizyka Armanda Fizeau. Zostało to eksperymentalnie potwierdzone w 1868 roku przez Williama Hugginsa, który wniósł znaczący wkład w badania widmowe przestrzeni. Już w XX wieku efekt Dopplera dla linii widma nazwano by „przesunięciem ku czerwieni”, do czego jeszcze wrócimy.

Koncert na torach

W 1845 roku holenderski meteorolog Beuys-Ballot, a później sam Doppler, przeprowadzili serię eksperymentów w celu sprawdzenia efektu „dźwięku” Dopplera. W obu przypadkach wykorzystano wspomniany już efekt klaksonu nadjeżdżającego i odjeżdżającego pociągu. Rolę gwizdka pełniły grupy trębaczy, którzy w otwartym wagonie jadącego pociągu grali określoną nutę.

Beuys-Ballot wysyłał trębaczy obok osób dobrze słyszących, które rejestrowały zmianę nuty przy różnych prędkościach utworu. Następnie powtórzył ten eksperyment, umieszczając trębaczy na platformie, a słuchaczy w powozie. Doppler zarejestrował dysonans nut dwóch grup trębaczy, którzy jednocześnie podchodzili do niego i odsuwali się od niego, grając jedną nutę.

W obu przypadkach udało się potwierdzić efekt Dopplera dla fal dźwiękowych. Co więcej, każdy z nas może przeprowadzić ten eksperyment w życie codzienne i potwierdź to sam. Dlatego pomimo tego, że efekt Dopplera był krytykowany przez współczesnych, dalsze badania uczyniły go niezaprzeczalnym.

Jak wspomniano wcześniej, efekt Dopplera służy do określania prędkości obiektów kosmicznych względem obserwatora.

Ciemne linie na widmie obiektów kosmicznych początkowo zawsze znajdują się w ściśle określonym miejscu. To położenie odpowiada długości fali absorpcji danego pierwiastka. W przypadku zbliżającego się lub oddalającego obiektu wszystkie pasma zmieniają swoje położenie odpowiednio w fioletowym lub czerwonym obszarze widma. Porównanie linii widmowych Ziemi pierwiastki chemiczne Mając podobne linie na widmach gwiazd, możemy oszacować, jak szybko obiekt się do nas zbliża lub oddala.

Przesunięcie ku czerwieni w widmach galaktyk odkrył amerykański astronom Vesto Slifer w 1914 roku. Jego rodak Edwin Hubble porównał odległości do odkrytych przez siebie galaktyk z wielkością ich przesunięcia ku czerwieni. Dlatego w 1929 roku doszedł do wniosku, że im dalej znajduje się galaktyka, tym szybciej się od nas oddala. Jak się później okaże, odkryte przez niego prawo było dość niedokładne i nie do końca poprawnie opisywało rzeczywisty obraz. Hubble wyznaczył jednak właściwy kierunek dalszych badań innym naukowcom, którzy następnie wprowadzili koncepcję kosmologicznego przesunięcia ku czerwieni.

W przeciwieństwie do przesunięcia ku czerwieni Dopplera, które wynika z ruchu właściwego galaktyk względem nas, kosmologiczne przesunięcie ku czerwieni wynika z ekspansji przestrzeni. Jak wiadomo, Wszechświat rozszerza się równomiernie w całej swojej objętości. Dlatego im dalej dwie galaktyki są od siebie, tym szybciej się od siebie oddalają. Zatem każdy megaparsek pomiędzy galaktykami oddala je od siebie o około 70 kilometrów na sekundę. Wielkość ta nazywana jest stałą Hubble’a. Co ciekawe, sam Hubble początkowo oszacował tę stałą na aż 500 km/s na megaparsek.

Wyjaśnia to fakt, że nie wziął pod uwagę faktu, że przesunięcie ku czerwieni dowolnej galaktyki jest sumą dwóch różnych przesunięć ku czerwieni. Oprócz tego, że napędzane są ekspansją Wszechświata, galaktyki podlegają również własnym ruchom. Jeśli relatywistyczne przesunięcie ku czerwieni ma taki sam rozkład dla wszystkich odległości, wówczas przesunięcie ku czerwieni Dopplera akceptuje najbardziej nieprzewidywalne rozbieżności. Wszakże prawidłowy ruch galaktyk w ich gromadach zależy wyłącznie od wzajemnych wpływów grawitacyjnych.

Bliskie i dalekie galaktyki

Pomiędzy pobliskimi galaktykami stała Hubble'a praktycznie nie ma zastosowania do szacowania odległości między nimi. Na przykład galaktyka Andromeda ulega całkowitemu przesunięciu fioletu w stosunku do nas, gdy zbliża się do Drogi Mlecznej z prędkością około 150 km/s. Jeśli zastosujemy do tego prawo Hubble'a, to powinien on oddalać się od naszej galaktyki z prędkością 50 km/s, co zupełnie nie odpowiada rzeczywistości.

W przypadku odległych galaktyk przesunięcie ku czerwieni Dopplera jest prawie niezauważalne. Szybkość ich usuwania od nas zależy bezpośrednio od odległości i z niewielkim błędem odpowiada stałej Hubble'a. Zatem najbardziej odległe kwazary oddalają się od nas z prędkością większą niż prędkość światła. Co dziwne, nie jest to sprzeczne z teorią względności, ponieważ jest to prędkość rozszerzania się przestrzeni, a nie samych obiektów. Dlatego ważna jest umiejętność odróżnienia przesunięcia ku czerwieni Dopplera od przesunięcia kosmologicznego.

Warto również zauważyć, że w przypadku fal elektromagnetycznych występują również efekty relatywistyczne. Towarzyszące temu zniekształcenie czasu i zmiany wymiarów liniowych podczas ruchu ciała względem obserwatora również wpływają na charakter fali. Jak w każdym przypadku z efektami relatywistycznymi

Oczywiście bez efektu Dopplera, który umożliwił odkrycie przesunięcia ku czerwieni, nie wiedzielibyśmy o wielkoskalowej strukturze Wszechświata. Jednak astronomowie zawdzięczają tej właściwości fal coś więcej.

Efekt Dopplera pozwala wykryć niewielkie odchylenia w położeniu gwiazd, które mogą być spowodowane przez krążące wokół nich planety. Dzięki temu odkryto setki egzoplanet. Służy także do potwierdzania obecności egzoplanet odkrytych wcześniej innymi metodami.

Efekt Dopplera odegrał decydującą rolę w badaniu bliskich układów gwiazd. Kiedy dwie gwiazdy są tak blisko siebie, że nie można ich zobaczyć oddzielnie, z pomocą astronomom przychodzi efekt Dopplera. Pozwala prześledzić niewidzialny wzajemny ruch gwiazd wzdłuż ich widma. Takie układy gwiezdne nazwano nawet „optycznymi układami podwójnymi”.

Korzystając z efektu Dopplera, możesz oszacować nie tylko prędkość obiektu kosmicznego, ale także prędkość jego obrotu, ekspansji, prędkość przepływów atmosferycznych i wiele więcej. Dzięki temu efektowi mierzone są prędkość pierścieni Saturna, ekspansja mgławic i pulsacje gwiazd. Służy nawet do określania temperatury gwiazd, ponieważ temperatura jest również wskaźnikiem ruchu. Można powiedzieć, że współcześni astronomowie mierzą prawie wszystko, co dotyczy prędkości obiektów kosmicznych, za pomocą efektu Dopplera.

Efekt Dopplera to zmiana długości i częstotliwości fal rejestrowanych przez odbiornik, powodująca ruch ich źródła lub samego odbiornika. Efekt otrzymał tę nazwę na cześć Christiana Dopplera, który go odkrył. Holenderskiemu naukowcowi Christianowi Ballotowi udało się później eksperymentalnie udowodnić tę hipotezę, umieszczając orkiestrę dętą w otwartym wagonie kolejowym i gromadząc na peronie grupę najbardziej utalentowanych muzyków. Kiedy obok peronu przejeżdżał powóz z orkiestrą, muzycy zagrali nutę, a słuchacze zapisywali na papierze to, co usłyszeli. Zgodnie z oczekiwaniami, percepcja wysokości dźwięku była bezpośrednio zależna od , jak stwierdziło prawo Dopplera.

Działanie efektu Dopplera

Zjawisko to można wyjaśnić dość prosto. Na słyszalny ton dźwięku wpływa częstotliwość fali dźwiękowej docierającej do ucha. Kiedy źródło dźwięku zbliża się do człowieka, każda kolejna fala nadchodzi coraz szybciej. Ucho odbiera fale jako częstsze, przez co dźwięk wydaje się wyższy. Jednak w miarę oddalania się źródła dźwięku kolejne fale emitowane są nieco dalej i docierają do ucha później niż poprzednie, przez co dźwięk jest odczuwalny niżej.

Zjawisko to występuje nie tylko podczas ruchu źródła dźwięku, ale także podczas ruchu człowieka. „Wbiegając” w falę, człowiek częściej przekracza jej grzbiety, postrzegając dźwięk jako wyższy i oddalając się od fali – odwrotnie. Zatem efekt Dopplera nie zależy od ruchu źródła dźwięku lub jego odbiornika osobno. Odpowiednia percepcja dźwięku powstaje w procesie ich ruchu względem siebie i ten efekt charakterystyczne nie tylko dla fal dźwiękowych, ale także dla światła i promieniowania radioaktywnego.

Zastosowanie efektu Dopplera

W większości przypadków efekt Dopplera nadal odgrywa niezwykle ważną rolę różne obszary nauka i działalność człowieka. Z jego pomocą astronomom udało się odkryć, że wszechświat stale się rozszerza, a gwiazdy „uciekają” od siebie. Ponadto efekt Dopplera umożliwia określenie parametrów ruchu statków kosmicznych i planet. Stanowi także podstawę działania radarów, których funkcjonariusze policji drogowej używają w samochodach. Ten sam efekt wykorzystują lekarze specjaliści, którzy podczas zastrzyków wykorzystują urządzenie ultradźwiękowe do odróżnienia żył od tętnic.