Заключается в эффекте допплера. Эффект доплера и его применение

⁰

В наше время все чаще стали упоминать некий феномен, получивший название «эффект Доплера». Гениальное открытие трудолюбивого и, бесспорно, талантливого деятеля, чье имя и присвоено удивительному изобретению, не только принесло ученому мировую известность, но и стало настоящей находкой, широко используемой ныне во всевозможных научно-технических сферах.

Феномен утверждает следующее: звуковая волна (акустическое действие) или волна электромагнитного излучения (оптическое действие) распространяется в воздухе с неизменной скоростью, зависящей лишь от свойств окружающей среды. Впрочем, длина волны и ее звуковая частота могут значительно варьироваться в результате смены положения:

Источника, из которого исходит звук;
непосредственного наблюдателя.

Так, в случае приближения наблюдателя к источнику повышается частота волны, в то время как отдаление их способствует понижению частоты. «Эффект Доплера» легко увидеть в действии, когда мимо человека проезжает автомобиль с включенной сиреной. Допустим, она издает не меняющийся тон определенной высоты. Когда машина остается неподвижной относительно человека, его ухо воспринимает тон, непосредственно издаваемый сиреной. Но как только автомобиль начнет приближение к нему, частота звука усилится, и человек услышит более громкий тон, чем истинный. И наоборот, при отдалении машины звуковые волны приобретут низкую частоту, и ему будет слышен более тихий тон.

Как был открыт и доказан практически «эффект Доплера»? Основываясь на итогах проведенных им наблюдений за течением волн на водной поверхности, Кристиан Доплер сделал предположение, что полученные результаты можно использовать и применительно к волнам, которые распространяются в воздушной среде. На базе волновой теории в 1842 году он пришел к такому выводу: с приближением светового источника к наблюдателю увеличивается наблюдаемая частота, а с отдалением она, напротив, уменьшается. Таким образом, ученый дал теоретическое объяснение зависимости частоты звуковых и электромагнитных колебаний, воспринимаемых наблюдателем, от направления и скорости движения источника этих волн относительно самого наблюдателя.

Научное доказательство эффекта состоялось через три года, в 1845 году. Тогда ученый Кристиан Баллот, голландец по происхождению, провел следующий эксперимент:

1. в незакрытый ж/д вагон он поместил одну группу трубачей;
2. на платформе осталась другая группа трубачей;
3. предполагалось, что поезд проедет близь платформы;
4. музыканты в это время должны были взять любую тональность;
5. перед наблюдателем была поставлена задача записать на бумаге услышанное.

В результате выяснилось, что то, как испытуемые воспринимали высоту звукового тона, прямо пропорционально зависело от того, на какой скорости движется поезд, как и предполагал ученый.

Великое открытие Доплера и сегодня продолжает играть необыкновенно важную роль в различных областях человеческой жизни. Вот лишь некоторые возможности его применения на практике:

Астрономы с его помощью определили постоянную расширяемость Вселенной, вследствие чего звезды отдаляются друг от друга.

Благодаря такому эффекту становится возможным успешное определение параметров движения планет и летательных космических аппаратов.

Принцип действия обыкновенных радаров, повсеместно используемых сотрудниками ГИБДД с целью определения скорости движения автомобиля, также основан на доплеровском открытии.

Наконец, его применяют в медицинских целях – при помощи проведения УЗИ различают вены и артерии во время проведения инъекций.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

✪ Эффект Доплера. Введение

✪ Урок 378. Эффект Доплера в акустике

✪ Выпуск 5 - Эффект Доплера, Красное смещение, Большой взрыв.

Субтитры

В этом видео мы поговорим о двух источниках волн. Но один из них будет неподвижным, а другой - движущимся. Допустим, он двигается вправо со скоростью 5 метров в секунду. Давайте подумаем, где через 3-4 секунды будет находиться гребень волны? Допустим, оба источника испускают волны и скорость их распространения составляет 10 метров в секунду. Представьте, что это звуковые волны, хотя звук в воздухе движется гораздо, гораздо быстрее, чем 10 метров в секунду. Но это упростит наши расчёты, особенно для источника, движущегося вправо со скоростью 5 метров в секунду. Я хотел бы, чтобы вы поняли логику происходящего, так что упростим расчёты. Оба источника испускают волны, скорость распространения их - 10 метров в секунду. Период волны будет равен 1 секунде за цикл. Если период - 1 секунда за цикл, то частота волны, испускаемой источником, - это величина, обратная периоду. Итак, частота будет обратна периоду. Обратная величина 1 - 1. Но, 1 цикл в секунду. Если цикл проходится за секунду, то на 1 секунду проходится один цикл. Посмотрим, что здесь происходит. Допустим, источник испустил волну ровно 1 секунду назад. Где окажется гребень волны сейчас? Давайте рассмотрим неподвижный источник. Вот этот источник секунду назад испустил волну. Она удаляется от него. Волна распространяется в радиальном направлении от источника. Нужно указывать направление, если говорится о векторе. Скорость распространения - 10 метров в секунду. Так что, если волну испустили секунду назад, она должна пройти 10 метров в радиальном направлении от источника. Допустим, гребень волны здесь. Вот где будет гребень волны. Попробую нарисовать аккуратнее. Вот гребень. Где будет гребень волны, испущенной секунду назад? Вы могли бы решить, что нужно просто нарисовать круг радиусом 10 метров вокруг источника. Но секунду назад его здесь не было. Он был на 5 метров левее. Помните, он движется вправо со скоростью 5 метров в секунду. Так что секунду назад он был на 5 метров левее. Он мог быть примерно тут. И гребень волны, испущенной секунду назад, будет в 10 метрах не от этого источника. Он будет в 10 метрах от места, где располагался источник. Итак, копируем, вставляем. Вот так. Теперь источник находится здесь. А тут он был секунду назад, когда испустил волну, удалившуюся на 10 метров. Немного неточно, сейчас я передвину его. Это 5 метров. Это 10. Думаю, смысл вам понятен. Продолжаем. Давайте подумаем о гребне волны, испущенной обоими источниками 2 секунды назад. Вот этот всё время был неподвижен. Испущенная им волна расходится со скоростью 10 метров в секунду. Так что гребень располагается по кругу радиусом в 20 метров с центром на источнике. Это будет выглядеть примерно так. Вот таким образом. Я рисую только гребни волн. Представьте пруд, в который бросили камень. Это будут гребни волны, которая распространяется радиально от центра, то есть места, куда был брошен камень. А вокруг этого источника мы не можем просто нарисовать круг, потому что 2 секунды назад он здесь еще не находился. Он был не здесь, он был тут. Прямо здесь 2 секунды назад. Секунду назад он был на 5 метров левее. А за секунду до этого, он был ещё на 5 метров левее. Так что испущенная им волна будет в 20 метрах от этой точки. Теперь нужно скопировать и вставить. Вот это. Центр распространения будет не здесь и не здесь. Центр будет в этой точке, где источник был 2 секунды назад. Давайте повторим ещё разок. Что будет с гребнем волны, испущенной 3 секунды назад? Она должна располагаться по кругу радиусом 30 метров, так что это ещё 10 метров от предыдущего круга. Это будет вот здесь. Это источник по-прежнему неподвижный. А что с этим источником? Со вторым, давайте разберемся с ним. 3 секунды назад его здесь не было. Он был здесь. Так? Секунду назад - здесь. 2 секунды назад - здесь. 3 секунды - здесь. Так что нам нужен радиус 30 метров из этой точки. Опять копируем, вставляем вот сюда. Центр круга будет примерно вот тут. Теперь давайте подумаем, какова будет частота волны для восприятия наблюдателей. Разместим наблюдателя здесь, хотя можно разместить его где угодно вокруг источника. Другой наблюдатель будет вот тут. А третий - здесь. Что будет воспринимать этот наблюдатель? Каждую секунду он получает импульс - тут есть ещё пара моментов. Какова длина волны, например, вот здесь? Каждую секунду источник испускает импульс. Так что импульс, испущенный секунду назад, пройдёт 10 метров. А источник испускает следующий импульс. Импульсы разделяет 1 секунда, но, поскольку они проходят за нее 10 метров, их разделяет также 10 метров. Так что, длина волны в этом случае будет равна 10 метрам. Расстояние между этими гребнями равно 10 метрам. Теперь, что касается второго случая. Тут всё зависит от того, приближается источник звука к вам или удаляется от вас, как в случае с этим наблюдателем. Когда же он приближается к вам, он испускает импульсы. Например, он испустил импульс отсюда и продвинулся на 5 метров вправо до того, как испустить следующий импульс. Так что расстояние между гребнями будет уже не 10 метров, как здесь, потому что источник сократил дистанцию на 5 метров в этом направлении. Так что гребни будет разделять лишь 5 метров. И длина волны здесь будет только 5 метров. Вы сами можете это увидеть. Это расстояние наполовину меньше, чем это. Их разделяет лишь 5 метров. А с левой стороны, когда источник удаляется от вас, это расстояние должно быть 10 метров, но с каждой секундой источник удаляется от вас на 5 метров. Так что воспринимаемая длина волны здесь составит 15 метров. Можно убедиться в этом наглядно. Для этого я нарисовал всё именно таким образом. Какова будет частота волн, воспринимаемых наблюдателем? Этого наблюдателя как раз достиг один из гребней. До прихода следующего гребня пройдёт в точности 1 секунда, потому что он движется со скоростью 10 метров в секунду. Так что он воспринимает волны с частотой 1 гребень, или 1 цикл в секунду, или 1 Гц, что вполне логично. Источник неподвижен. Наблюдатель и источник неподвижны по отношению друг к другу. Мы говорим о классической механике, не затрагивая релятивистскую и все прочие. Но частота, воспринимаемая наблюдателем, в точности совпадает с частотой волны, испускаемой источником. А теперь, что касается этого случая. Для этого наблюдателя гребни разделяет 5 метров. Представьте, что к наблюдателю приближается поезд, Гребни разделяет 5 метров, но скорость распространения 10 метров в секунду. Так сколько гребней в секунду доходит до наблюдателя? Их будет 2. Вот этот достигнет наблюдателя за полсекунды, следом, ещё через полсекунды, появится второй. Или, можно сказать, что вот этому понадобится полсекунды, а этот достигнет вас через секунду. Наблюдателя достигает 2 гребня в секунду. Можно выразить это 2 способами. Можно сказать, что в этом случае период равен полсекунды за цикл. Или, можно сказать, что воспринимаемая наблюдателем частота составит 2 цикла в секунду. Заметьте, воспринимаемая этим наблюдателем частота выше, потому что волны, или гребни волн, проходят мимо него более часто. И связано это с тем, что источник приближается к наблюдателю, и они сближаются. А вот это противоположный случай. Допустим, этот гребень как раз достиг наблюдателя. Через какое время следующий гребень пройдёт эти 15 метров? Скорость распространения волн - 10 метров в секунду. Так период, воспринимаемый наблюдателем, составит 1,5 секунды за цикл. Находим обратную величину: 1,5 - это 3/2, то есть получается 2/3, или, можно сказать, 2/3 цикла в секунду. Итак, если источник удаляется от наблюдателя, частота, или воспринимаемая частота, ниже, чем истинная частота волны, испускаемой источником. При приближении источника частота повышается. Это может показаться необычным, но это наверняка знакомо вам по опыту. Это называется эффект Доплера, о котором вы, вероятно, слышали. Это именно то, что можно наблюдать, стоя около железной дороги. Но не стойте слишком близко. Допустим, к вам приближается поезд, включив сирену. Издаваемый сиреной звук будет очень высоким. Затем, когда поезд проходит мимо и начинает удаляться, звук значительно понижается. Это воспринимаемый диапазон, это способ вашего мозга и ушей ощущать частоту звука. Когда поезд приближается к вам, это высокий диапазон, высокая частота. При удалении от вас - низкий диапазон, низкая частота. Надеюсь, изображённая мной схема даёт вам визуальное понимание того, как всё устроено, почему эти точки на гребнях сближаются друг с другом при приближении к вам и отдаляются, когда источник отдаляется от вас. Далее выведем обобщённые формулы соотношения частоты, воспринимаемой наблюдателем и испускаемой источником. Subtitles by the Amara.org community

История открытия

Исходя из собственных наблюдений за волнами на воде, Доплер предположил, что подобные явления происходят в воздухе с другими волнами. На основании волновой теории он в 1842 году вывел, что приближение источника света к наблюдателю увеличивает наблюдаемую частоту, отдаление уменьшает её (статья «О цветном свете двойных звезд и некоторых других звезд на небесах (англ.) русск. »). Доплер теоретически обосновал зависимость частоты звуковых и световых колебаний, воспринимаемых наблюдателем, от скорости и направления движения источника волн и наблюдателя относительно друг друга. Это явление впоследствии было названо его именем.

Доплер использовал этот принцип в астрономии и провел параллель между акустическим и оптическим явлениями. Он полагал, что все звёзды излучают белый свет, однако цвет меняется из-за их движения к или от Земли (этот эффект для рассматриваемых Доплером двойных звёзд очень мал). Хотя изменения в цвете невозможно было наблюдать с оборудованием того времени, теория о звуке была проверена уже в 1845 году . Только открытие спектрального анализа дало возможность экспериментальной проверки эффекта в оптике.

Критика публикации Доплера

Главным основанием для критики являлось то, что статья не имела экспериментальных подтверждений и была исключительно теоретической. Хотя общее объяснение его теории и вспомогательные иллюстрации, которые он привел для звука, и были верны, объяснения и девять поддерживающих аргументов об изменении цвета звёзд верны не были. Ошибка произошла из-за заблуждения, что все звёзды излучают белый свет, и Доплер, видимо, не знал об открытиях инфракрасного (У. Гершель , 1800 год) и ультрафиолетового излучения (И. Риттер , 1801 год) .

Хотя к 1850 году эффект Доплера был подтверждён экспериментально для звука, его теоретическая основа вызвала острые дебаты, которые спровоцировал Йозеф Пецваль . Основные возражения Пецваля были основаны на преувеличении роли высшей математики. Он ответил на теорию Доплера своей работой «Об основных принципах волнового движения: закон сохранения длины волны», представленной на встрече Академии Наук 15 января 1852 года. В ней он утверждал, что теория не может представлять ценности, если она опубликована всего на 8 страницах и использует только простые уравнения. В своих возражениях Пецваль смешал два абсолютно разных случая движения наблюдателя и источника и движения среды. В последнем случае, согласно теории Доплера, частота не меняется .

Экспериментальная проверка

В 1845 году голландский метеоролог из Утрехта , Христофор Хенрик Дидерик Бёйс-Баллот , подтвердил эффект Доплера для звука на железной дороге между Утрехтом и Амстердамом . Локомотив, достигший невероятной на то время скорости 40 миль/ч (64 км/ч), тянул открытый вагон с группой трубачей. Баллот слушал изменения тона во время движения вагона при приближении и удалении. В тот же год Доплер провел эксперимент, используя две группы трубачей, одна из которых двигалась от станции, а вторая оставалась неподвижной. Он подтвердил, что, когда оркестры играют одну ноту, они находятся в диссонансе . В 1846 году он опубликовал пересмотренную версию своей теории, в которой он рассматривал как движение источника, так и движение наблюдателя. Позднее в 1848 году французский физик Арман Физо обобщил работы Доплера, распространив его теорию и на свет (рассчитал смещение линий в спектрах небесных светил) . В 1860 году Эрнст Мах предсказал, что линии поглощения в спектрах звёзд, связанные с самой звездой, должны обнаруживать эффект Доплера, также в этих спектрах существуют линии поглощения земного происхождения, не обнаруживающие эффект Доплера. Первое соответствующее наблюдение удалось провести в 1868 году Уильяму Хаггинсу .

Прямое подтверждение формул Доплера для световых волн было получено Г. Фогелем в 1871 году путём сравнения положений линий Фраунгофера в спектрах , полученных от противоположных краёв солнечного экватора. Относительная скорость краёв, рассчитанная по значениям измеренных Г. Фогелем спектральных интервалов, оказалась близка к скорости, рассчитанной по смещению солнечных пятен .

Сущность явления

Также важен случай, когда в среде движется заряженная частица с релятивистской скоростью . В этом случае в лабораторной системе регистрируется черенковское излучение , имеющее непосредственное отношение к эффекту Доплера.

Математическое описание явления

Если источник волн движется относительно среды, то расстояние между гребнями волн (длина волны λ) зависит от скорости и направления движения. Если источник движется по направлению к приёмнику, то есть догоняет испускаемую им волну, то длина волны уменьшается, если удаляется - длина волны увеличивается:

где - угловая частота , с которой источник испускает волны, c {\displaystyle c} - скорость распространения волн в среде, v {\displaystyle v} - скорость источника волн относительно среды (положительная, если источник приближается к приёмнику и отрицательная, если удаляется).

Частота, регистрируемая неподвижным приёмником

Аналогично, если приёмник движется навстречу волнам, он регистрирует их гребни чаще и наоборот. Для неподвижного источника и движущегося приёмника

ω = ω 0 (1 + u c) , {\displaystyle \omega =\omega _{0}\left(1+{\frac {u}{c}}\right),}

(2)

где u {\displaystyle u} - скорость приёмника относительно среды (положительная, если он движется по направлению к источнику).

Подставив вместо ω 0 {\displaystyle \omega _{0}} в формуле (2) значение частоты ω {\displaystyle \omega } из формулы (1), получим формулу для общего случая:

ω = ω 0 (1 + u c) (1 − v c) . {\displaystyle \omega =\omega _{0}{\frac {\left(1+{\frac {u}{c}}\right)}{\left(1-{\frac {v}{c}}\right)}}.}

(3)

Релятивистский эффект Доплера

ω = ω 0 ⋅ 1 − v 2 c 2 1 + v c ⋅ cos ⁡ θ {\displaystyle \omega =\omega _{0}\cdot {\frac {\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}{1+{\frac {v}{c}}\cdot \cos \theta }}}

где c {\displaystyle c} - скорость света , v {\displaystyle v} - скорость источника относительно приёмника (наблюдателя), θ {\displaystyle \theta } - угол между направлением на источник и вектором скорости в системе отсчёта приёмника. Если источник радиально удаляется от наблюдателя, то θ = 0 {\displaystyle \theta =0} , если приближается, то θ = π {\displaystyle \theta =\pi } .

Релятивистский эффект Доплера обусловлен двумя причинами:

классический аналог изменения частоты при относительном движении источника и приёмника;

Последний фактор приводит к поперечному эффекту Доплера , когда угол между волновым вектором и скоростью источника равен θ = π 2 {\displaystyle \theta ={\frac {\pi }{2}}} . В этом случае изменение частоты является чисто релятивистским эффектом, не имеющим классического аналога.

Эффект Доплера – это физическое явление, состоящее в изменении частоты волн в зависимости от движения источника этих волн относительно наблюдателя. При приближении источника частота излучаемых им волн увеличивается, а длина уменьшается. При удалении источника волн от наблюдателя их частота уменьшается, а длина волны увеличивается.

Например, в случае звуковых волн при удалении источника высота звука понизится, а при приближении тон звука станет более высоким. Так, по изменению высоты тона можно определить, приближается или удаляется поезд, автомобиль со звуковым спецсигналом и т.д. Электромагнитные волны также демонстрируют эффект Доплера. Наблюдатель в случае удаления источника заметит смещение спектра в «красную» сторону, т.е. в сторону более длинных волн, а при приближении – в «фиолетовую», т.е. в сторону более коротких волн.

Эффект Доплера оказался крайне полезным открытием. Благодаря ему было обнаружено расширение Вселенной (спектры галактик смещены в красную сторону, следовательно, они от нас удаляются); разработан метод диагностики сердечно-сосудистой системы через определение скорости кровотока; созданы различные радары, в том числе и те, которые используются ГИБДД.

Самый популярный пример распространения эффекта Доплера: машина с сиреной. Когда она едет к тебе или от тебя, ты слышишь один звук, а когда проезжает мимо, то совершенной другой - более низкий. Эффект Доплера связан не только со звуковыми волнами, но и любыми другими. С помощью эффекта Доплера можно определить скорость чего-либо, будь это машина или небесные тела, при условии, что мы знаем параметры (частоту и длину волны). Все, что связано с телефонными сетями, вай-фаем, охранными сигнализациями - везде можно наблюдать эффект Доплера.

Или возьмем светофор - у него есть красный, желтый и зеленый цвета. В зависимости от того, с какой скоростью мы движемся, эти цвета могут меняться, но не между собой, а смещаться в сторону фиолетового: желтый будет уходить в зеленый, а зеленый в синий.

Ну почему же? Если мы движемся от источника света и смотрим назад (или светофор уезжает от нас), то цвета сдвинутся в сторону красного.

И, наверное, стоит уточнить, что скорость, на которой красный можно перепутать с зеленым, намного выше той, с которой можно ездить по дорогам.

Ответить

Прокомментировать

Суть эффекта Допплера заключается в том, что если источник звука приближается к наблюдателю или отдаляется от него, то частота звука, испускаемого им, с точки зрения наблюдателя изменяется. Так, например, изменяется звук двигателя машины, которая проезжает мимо вас. Он выше пока она приближается к вам и резко становится ниже, когда она пролетает мимо вас и начинает удаляться. Изменение частоты тем сильнее, чем выше скорость движения источника звука.

К слову, этот эффект справедлив не только для звука, но и, скажем, для света. Просто для звука он нагляднее - его можно наблюдать на относительно небольших скоростях. У видимого света настолько большая частота, что небольшие изменения за счёт эффекта Допплера невооружённым глазом незаметны. Однако, в некоторых случая эффект Допплера следует учитывать даже в радиосвязи.

Если не углубляться в строгие определения и попытаться объяснить эффект, что называется, на пальцах, то всё достаточно просто. Звук (как и свет или радиосигнал) - это волна. Для наглядности, давайте будем считать, что частота принимаемой волны зависит от того, как часто мы принимаем "гребни" схематической волны (). Если источник и приёмник будут неподвижны (да, относительно друг друга), то мы будем принимать "гребни" с той же частотой, с какой их излучает приёмник. Если же источник и приёмник начнут сближаться, то мы начнём принимать тем чаще, чем выше скорость сближения - скорости будут складываться. В итоге частота звука на приёмнике будет выше. Если же источник начнёт удаляться от приёмника, то каждому следующему "гребню" понадобится чуть больше времени, чтобы достигнуть приёмника - мы начнём принимать "гребни" чуть реже, чем их излучает источник. Частота звука на приёмнике будет ниже.

Это объяснение в известной степени схематично, но общий принцип оно отражает.

Если коротко - изменение наблюдаемой частоты и длины волны в том случае, если источник и приемник движутся относительно друг друга. Связан с конечностью скорости распространения волн. Если источник с приемником сближаются - частота растет (пик волны регистрируется чаще); удаляются друг от друга - частота падает (пик волны регистрируется реже). Оычная иллюстрация эффекта - сирена спецслужб. Если скорая к вам подъезжает - сирена визжит, отъезжает - басовито гудит. Отдельный случай - распространение электромагнитной волны в ваккууме - там добавяется еще релятивистская составляющая и допплеровский эффект проявляется и в том случае, когда приемник и источник неподвижны относительно друг друга, что объясняется свойствами времени.

Попробую ответить наиболее простым способом:
Представте, что вы стоите на месте и каждую секунду запускаете волну (например голосом), которая радиально распространяется от вас со скоростью 100 м/с.

Замечали ли вы когда-нибудь, что звук сирены машины имеет различную высоту при её приближении или отдалении относительно вас?

Разность частоты гудка или сирены отдаляющегося и приближающегося поезда или машины являются, пожалуй, самым наглядным и распространённым примером эффекта Доплера. Теоретически открытый австрийским физиком Кристианом Доплером, этот эффект впоследствии сыграет ключевую роль в науке и технике.

Для наблюдателя длина волны излучения будет иметь различное значение при различных скоростях источника относительно наблюдателя. При приближении источника длина волны будет уменьшаться, при отдалении – увеличиваться. Следовательно, с длинной волны меняется и частота. Поэтому частота гудка приближающегося поезда заметно выше частоты гудка при его отдалении. Собственно, в этом и заключается суть эффекта Доплера.

Эффект Доплера лежит в основе работы многих измерительных и исследовательских приборов. Сегодня его повсеместно применяют в медицине, авиации, космонавтики и даже быту. С помощью эффекта Доплера работает спутниковая навигация и дорожные радары, аппараты УЗИ и охранная сигнализация. Эффект Доплера получил широко применим в научных исследованиях. Пожалуй, наиболее он известен именно в астрономии.

Объяснение эффекта

Чтобы понять природу эффекта Доплера достаточно взглянуть на водную гладь. Круги на воде прекрасно демонстрируют все три составляющие любой волны. Представим, что какой-нибудь неподвижный поплавок создаёт круги. В таком случае период будет соответствовать времени, прошедшему между испусканием одного и последующего круга. Частота равняется количеству кругов, испущенных поплавком за определённый промежуток времени. Длина волны будет равна разности радиусов двух последовательно испущенных кругов (расстоянию между двумя соседними гребнями).

Представим, что к этому неподвижному поплавку приближается лодка. Так как она движется навстречу к гребням, к скорости распространения кругов прибавится скорость лодки. Поэтому относительно лодки скорость встречных гребней увеличится. Длина волны в тоже время уменьшится. Следовательно, время, которое пройдёт между ударами двух соседних кругов о борт лодки, уменьшиться. Другими словами, уменьшится период и, соответственно, увеличится частота. Точно также для удаляющейся лодки скорость гребней, которые теперь будут догонять её, уменьшиться, а длина волны увеличится. Что означает увеличение периода и уменьшения частоты.

Теперь представим, что поплавок расположен между двумя неподвижными лодками. Причём, рыбак на одной из них тянет поплавок к себе. Приобретая скорость относительно глади, поплавок продолжает испускать точно такие же круги. Однако центр каждого последующего круга будет смещён относительно центра предыдущего в сторону лодки, к которой приближается поплавок. Поэтому со стороны этой лодки расстояние между гребнями будет уменьшено. Получается, до лодки с рыбаком, что тянет поплавок, придут круги с уменьшенной длинной волны, а значит и с уменьшенным периодом и увеличенной частотой. Аналогичным образом до другого рыбака дойдут волны с увеличенной длиной, периодом и уменьшенной частотой.

Разноцветные звёзды

Такие закономерности изменения характеристик волн на водной глади в своё время заметил Кристиан Доплер. Он описал каждый такой случай математически и применил полученные данные к звуку и свету, которые также имеют волновую природу. Доплер предположил, что таким образом цвет звёзд напрямую зависит от того, с какой скоростью они приближаются или удаляются от нас. Эту гипотезу он изложил в статье, которую презентовал в 1842 году.

Заметим, что насчёт цвета звёзд Доплер заблуждался. Он полагал, что все звёзды излучают белый цвет, который впоследствии искажается из-за их скорости относительно наблюдателя. На самом деле эффект Доплера влияет не на цвет звёзд, а на картину их спектра. У отдаляющихся от нас звёзд все тёмные линии спектра будут увеличивать длину волны – смещаться в красную сторону. Этот эффект закрепился в науке под названием «красное смещение». У приближающихся звёзд напротив, линии стремятся к части спектра с более высокой частотой – фиолетовому цвету.

Такую особенность линий спектра, основываясь на формулах Доплера, теоретически предсказал в 1848 французский физик АрманФизо. Экспериментально это было подтверждено в 1868 году Уильямом Хаггинсом, который внёс большой вклад в спектральное исследование космоса. Уже в 20 веке эффект Доплера для линий в спектре получит название «красное смещение», к которому мы ещё вернёмся.

Концерт на рельсах

В 1845 году голландский метеоролог Бёйс-Баллот, а затем и сам Доплер, провели серию экспериментов для проверки «звукового» эффекта Доплера. В обоих случаях они использовали, оговорённый ранее, эффект гудка приближающегося и отдаляющегося поезда. Роль гудка им выполняли группы трубачей, которые играли определённую ноту, находясь в открытом вагоне движущегося состава.

Бёйс-Баллот пускал трубачей мимо людей с хорошим слухом, которые фиксировали изменение ноты при различной скорости состава. Затем он повторил этот эксперимент, поместив трубачей на платформу, а слушателей – в вагон. Доплер же фиксировал диссонанс нот двух групп трубачей, которые приближались и отдалялись от него одновременно, играя одну ноту.

В обоих случаях эффект Доплера для звуковых волн успешно подтвердился. Более того, каждый из нас может провести этот эксперимент в повседневной жизни и подтвердить его для себя. Поэтому не смотря на то, что эффект открытие Доплера подвергалось критике со стороны современников, дальнейшие исследования сделали его неоспоримым.

Как отмечалось ранее, эффект Доплера применяется для определения скорости космических объектов относительно наблюдателя.

Тёмные линии на спектре космических объектов изначально всегда расположены в строго фиксированном месте. Это место соответствует длине волны поглощениям того или иного элемента. У приближающегося или удаляющегося объекта все полосы меняют своё положения в фиолетовую или красную область спектра соответственно. Сравнивая спектральные линии земных химических элементов с аналогичными линиями на спектрах звёзд, можно оценить с какой скоростью приближается или удаляется от нас объект.

Красное смещение на спектрах галактик было обнаружено американским астрономом Весто Слайфером в 1914 году. Его соотечественник Эдвин Хаббл сопоставлял, открытые им же, расстояния до галактик с величиной их красного смещения. Так в 1929 году он пришёл к выводу, что чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется от нас. Как окажется в последствие, открытый им закон был довольно неточен и не совсем верно описывал реальную картину. Однако Хаббл задал верную тенденцию для дальнейших исследований других учёных, которые впоследствии введут понятия космологического красного смещения.

В отличие от доплеровского красного смещения, возникающего из-за собственного движения галактик относительно нас, космологическое возникает из-за расширения пространства. Как известно, Вселенная равномерно расширяется по всему своему объёму. Поэтому чем дальше друг от друга две галактики, тем с большими скоростями они разбегаются друг от друга. Так каждый мегапарсек между галактиками каждую секунду удалят их друг от друга примерно на 70 километров. Это величина называется постоянной Хаббла. Что интересно, изначально сам Хаббл оценил свою постоянную в целых 500 км/с на мегапарсек.

Это объясняется тем, что он никак не учитывал то, что красное смещение любой галактики складывается из двух разных красных смещений. Помимо того, что галактиками движет расширение Вселенной, они также совершают собственные движения. Если релятивистское красное смещение имеет одинаковое распределение для всех расстояний, то доплеровское принимает самые непредсказуемые расхождения. Ведь собственное движение галактик внутри их скоплений зависит лишь от взаимных гравитационных воздействий.

Близкие и далёкие галактики

Между близкими галактиками постоянная Хаббла практически не применима для оценки расстояний между ними. К примеру, галактика Андромеда относительно нас имеет суммарное фиолетовое смещение, так как приближается к Млечному Пути со скоростью около 150 км/с. Если мы применим к ней закон Хаббла, то она должна удаляться от нашей галактики со скоростью 50 км/с, что совсем не соответствует реальности.

Для далёких же галактик доплеровское красное смещение практически неощутимо. Их скорость удаления от нас лежит в прямой зависимости от расстояния и с небольшой погрешностью соответствует постоянной Хаббла. Так самые далёкие квазары удаляются от нас скоростью большей, чем скорость света. Как это ни странно, это не противоречит теории относительности, ведь это скорость расширяющегося пространства, а не самих объектов. Поэтому важно уметь различать доплеровское красное смещение от космологического.

Также стоит отметить, в случае электромагнитных волн имеют место быть и релятивистские эффекты. Сопутствующие искажение времени и изменение линейных размеров при движении тела относительно наблюдателя также влияют на характер волны. Как и в любом случае с релятивистскими эффектам

Несомненно, без эффекта Доплера, с помощью которого произошло открытие красного смещения, мы бы не знали о крупномасштабной структуре Вселенной. Однако не только этим астрономы обязаны этому свойству волн.

Эффект Доплера позволяет обнаружить незначительные отклонения в положении звёзд, которые могут создавать планеты, обращающиеся вокруг них. Благодаря этому было открыто сотни экзопланет. Также он используется для подтверждения наличия экзопланет, предварительно обнаруженных с помощью других методов.

Эффект Доплера сыграл решающую роль в исследовании тесных звёздных систем. Когда две звезды настолько близки, что их невозможно увидеть по-отдельности, на помощь астрономам приходит эффект Доплера. Он позволяет проследить невидимое взаимное движение звёзд по их спектру. Такие звёздные системы даже получили название «оптически двойные».

С помощью эффекта Доплера можно оценить не только скорость космического объекта, но и скорость его вращения, расширения, скорость его атмосферных потоков и многого другого. Скорость колец Сатурна, расширения туманностей, пульсации звёзд – всё это измерена благодаря этому эффекту. С помощью него даже определяют температуру звёзд, ведь температура также являет собой показатель движения. Можно сказать, что практически всё, что связано со скоростями космических объектов, современные астрономы измеряют, использую именно эффекту Доплера.

Ответить

Прокомментировать

Это объяснение в известной степени схематично, но общий принцип оно отражает.