Φαινόμενο Doppler

action-asphalt-back-light-315938

Όταν ήμουν σε νεαρή ηλικία, θυμάμαι πολύ συχνά που περπατούσα στον δρόμο και έβλεπα αυτοκίνητα με τέρμα τη μουσική στα ηχεία τους να πλησιάζουν κι ύστερα να φεύγουν από δίπλα μου έχοντας αναπτύξει κάποια ταχύτητα. 

Μου είχε κάνει φοβερή εντύπωση, πόσο διαφορετικός ακουγόταν ο ήχος της μουσική κατά τη διάρκεια της κίνησης του αυτοκινήτου από και προς το μέρος μου (πιο μπάσος και μετά πιο πρίμος), με την έντασή του να μην αλλάζει, να παραμένει σταθερή.  

Σε ποιο φαινόμενο οφείλει την ύπαρξή του το γεγονός αυτό;  

Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται φαινόμενο Doppler και το μελέτησε ο Αυστριακός φυσικός και μαθηματικός Christian Doppler το 1842.  

Τι είναι το φαινόμενο Doppler ;                                                                                                                                                                         Είναι η αλλαγή στη συχνότητα του κύματος (π.χ. ήχος, φως κ.ά.) που εκπέμπει κάποια πηγή (π.χ. σειρήνα ασθενοφόρου), όταν η απόστασή της από τον άνθρωπο, στον οποίο φτάνει το κύμα (=παρατηρητής), μεταβάλλεται. Το φαινόμενο Doppler ισχύει για κάθε είδους κύμα. 

Ας δούμε όμως μερικές έννοιες ξεχωριστά για να τις κατανοήσουμε καλύτερα.  

Τι ονομάζεται κύμα; 

Κύμα ονομάζεται μια διαταραχή που προκαλείται με διάφορους τρόπους και ταξιδεύει (ή διαδίδεται) από μια περιοχή του χώρου σε μια άλλη σε συγκεκριμένο χρονικό διάστημα. Παραδείγματα κυμάτων είναι τα ηλεκτρομαγνητικά (φως, ακτίνες Χ κ.ά.), τα ηχητικά, τα σεισμικά κλπ.  

Για να διαδοθεί ένα κύμα χρειάζεται να υπάρχει κάποιο μέσο διάδοσης. Λόγου χάρη τα ηχητικά κύματα διαδίδονται μέσω του αέρα, τα σεισμικά μέσω των πετρωμάτων της γης. Εξαίρεση αποτελούν τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα (φως), τα οποία μπορούν να διαδοθούν και στο κενό. Κατά τη διάδοση ενός κύματος μεταφέρεται ενέργεια και ορμή από το ένα σημείο του μέσου στο άλλο, δε μεταφέρεται όμως ύλη. 

Ποια είναι τα βασικά χαρακτηριστικά μεγέθη ενός κύματος; 

Για να περιγραφεί ένα κύμα, τα βασικά μεγέθη που χρειάζεται να γνωρίζουμε είναι το μήκος κύματος, η περίοδος και η συχνότητά του. Μήκος κύματος είναι η απόσταση στην οποία η εικόνα του κύματος επαναλαμβάνεται πλήρως, π.χ. η απόσταση ανάμεσα σε δύο κορυφές ενός θαλάσσιου κύματος (=οι κορυφές του θαλάσσιου κύματος ονομάζονται μέτωπα του κύματος). Αντίστοιχα, το χρονικό διάστημα που απαιτείται, για να διαδοθεί το κύμα σε απόσταση ενός μήκους κύματος ονομάζεται περίοδος του κύματος. Και τέλος, συχνότητα είναι ο ρυθμός επανάληψης του κύματος (πόσα μέτωπα αντιλαμβάνεται ένας παρατηρητής) στη μονάδα του χρόνου (βλέπε σχήμα παρακάτω).  

Όταν μία πηγή ηχητικών κυμάτων (η S του παρακάτω σχήματος) είναι ακίνητη σε σχέση με τον αέρα (που είναι το μέσο διάδοσης του κύματος) και εκπέμπει έναν ήχο ορισμένης συχνότητας, ο οποίος φτάνει σε έναν, επίσης, ακίνητο παρατηρητή (τον Α του σχήματος), ο παρατηρητής Α θα ακούσει ήχο της ίδιας συχνότητας, αφού η απόστασή τους δεν αλλάζει.  Αντίθετα, αν η πηγή πλησιάζει προς τον παρατηρητή, η συχνότητα του ήχου αυξάνεται (τα εκπεμπόμενα κύματα πυκνώνουν) και ο ήχος ακούγεται πιο οξύς. Αντίστοιχα όταν η πηγή απομακρύνεται από τον παρατηρητή, η συχνότητα του ήχου μειώνεται (τα κύματα αραιώνουν).  

Το φαινόμενο, επίσης, ισχύει και στα ηλεκτρομαγνητικά κύματα (φως). Παρατηρείται αλλαγή στο χρώμα που βλέπει ο παρατηρητής, αν η φωτεινή πηγή πλησιάζει προς αυτόν (μετατόπιση προς το κυανό) ή απομακρύνεται από αυτόν (μετατόπιση προς το ερυθρό).  

Για να γίνει, όμως, αντιληπτό πρέπει η φωτεινή πηγή ή ο παρατηρητής να κινούνται με ταχύτητα η οποία θα προσεγγίζει αυτή του φωτός (=300.000 χλμ/δευτερόλεπτο). Γι’ αυτό,  αν ένα όχημα μπορούσε να αναπτύξει ταχύτητα 60.000 χλμ/δευτερόλεπτο, το κόκκινο φως των φαναριών του δρόμου θα φαινόταν στον οδηγό σαν πράσινο!  

Εφαρμογές του φαινομένου συναντάμε σε διάφορες περιπτώσεις της Επιστήμης, όπως στην Ιατρική με το υπερηχογράφημα, την Αστρονομία με την ταχύτητα κίνησης άστρων σε σχέση με τη Γη, αλλά και στην καθημερινότητά μας με τον έλεγχο της ταχύτητας των οχημάτων μέσω ραντάρ από την Τροχαία, που είναι και η πιο γνωστή και διαδεδομένη εφαρμογή.  

Ειδικότερα, η αστυνομία είναι εφοδιασμένη με συσκευές ραντάρ που ελέγχουν τις ταχύτητες των οχημάτων. Το ραντάρ, ακίνητο ως προς το δρόμο, εκπέμπει ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα, το οποίο ανακλάται πάνω στο διερχόμενο όχημα. Το κύμα επιστρέφει στο ραντάρ με συχνότητα λίγο διαφορετική, επειδή το όχημα κινείται σε σχέση με το ραντάρ (κίνηση παρατηρητή σε σχέση με την πηγή).

Από τη διαφορά της συχνότητας ανάμεσα στο εκπεμπόμενο κύμα και αυτό που επιστρέφει, η συσκευή υπολογίζει την ταχύτητα του οχήματος. 

Πηγές:

  1. http://users.sch.gr/kassetas/zzzDoppler3.htm 
  2. https://el.wikipedia.org/wiki/%CE%9A%CF%8D%CE%BC%CE%B1 
  3. Ιωάννου, Α., & Ντάνος, Ι., & Πήττας Α., & Ράπτης Σ. (1994). Φυσική Ομάδας Προσανατολισμού Θετικών Σπουδών: Γ΄ τάξη Γενικού Λυκείου, Αθήνα, Ινστιτούτο Τεχνολογίας Υπολογιστών και Εκδόσεων «Διόφαντος».  
Ακολουθείστε μας και χαρίστε μας ένα like:
Close Menu