Dopplerov efekt pre zvukové vlny

Dane Wirtzfeld, Getty Images

Dopplerov jav je prostriedkom, ktorým vlnové vlastnosti (konkrétne frekvencie) sú ovplyvnené pohybom zdroja alebo poslucháča. Obrázok vpravo ukazuje, ako by pohybujúci sa zdroj skresľoval vlny z neho vychádzajúce v dôsledku Dopplerovho efektu (známeho aj ako Dopplerov posun ).

Ak ste niekedy čakali na železničnom priecestí a počúvali píšťalku vlaku, určite ste si všimli, že výška píšťalky sa mení, keď sa pohybuje vzhľadom na vašu polohu. Podobne sa mení výška tónu sirény, keď sa blíži a potom vás míňa na ceste.

Výpočet Dopplerovho efektu

Uvažujme situáciu, keď je pohyb orientovaný v priamke medzi poslucháčom L a zdrojom S, pričom smer od poslucháča k zdroju je kladný. Rýchlosti v_L a v_S sú rýchlosti poslucháča a zdroja vzhľadom na vlnové médium (v tomto prípade vzduch, ktorý sa považuje za pokojový). Rýchlosť zvukovej vlny, v , sa vždy považuje za pozitívne.

Aplikovaním týchto pohybov a preskočením všetkých chaotických odvodení dostaneme frekvenciu, ktorú počuje poslucháč ( f_L ) z hľadiska frekvencie zdroja ( f_S ):

f_L = [( v + v_L )/( v + v_S )] f_S

Ak je poslucháč v pokoji, potom v_L = 0.
Ak je zdroj v pokoji, potom v_S = 0.
To znamená, že ak sa zdroj ani poslucháč nehýbu, tak f_L = f_S , čo je presne to, čo by človek očakával.

Ak sa poslucháč pohybuje smerom k zdroju, potom v_L > 0, ak sa však vzďaľuje od zdroja v_L <0.

Alternatívne, ak sa zdroj pohybuje smerom k poslucháčovi, pohyb je v negatívnom smere, takže v_S <0, but if the source is moving away from the listener then v_S > 0.

Dopplerov efekt a iné vlny

Dopplerov jav je v podstate vlastnosťou správania sa fyzikálnych vĺn, takže nie je dôvod domnievať sa, že sa vzťahuje len na zvukové vlny. V skutočnosti sa zdá, že akýkoľvek druh vlny vykazuje Dopplerov efekt.

Rovnaký koncept možno aplikovať nielen na svetelné vlny. To posúva svetlo pozdĺž elektromagnetického spektra svetla (obe viditeľné svetlo a ďalej), vytváranie a Dopplerov posun vo svetelných vlnách ktorý sa nazýva buď červený alebo modrý posun v závislosti od toho, či sa zdroj a pozorovateľ pohybujú od seba alebo k sebe. V roku 1927 astronóm Edwin Hubble pozoroval svetlo zo vzdialených galaxií posunuté spôsobom, ktorý zodpovedal predpovediam Dopplerovho posunu a dokázal to použiť na predpovedanie rýchlosti, s akou sa vzďaľujú od Zeme. Ukázalo sa, že vo všeobecnosti sa vzdialené galaxie vzďaľujú od Zeme rýchlejšie ako blízke galaxie. Tento objav pomohol presvedčiť astronómov a fyzikov (vrátane Albert Einstein ), že vesmír sa v skutočnosti rozpínal, namiesto toho, aby zostal statický po celú večnosť, a nakoniec tieto pozorovania viedli k vývoju teória veľkého tresku .