Doplera efekts skaņas viļņiem

Doplera efekts ir līdzeklis, ar kura palīdzību viļņu īpašības (īpaši frekvences) ietekmē avota vai klausītāja kustība. Labajā pusē redzamais attēls parāda, kā kustīgs avots Doplera efekta dēļ (saukts arī par Doplera maiņa).

Ja jūs kādreiz esat gaidījis dzelzceļa pārbrauktuvē un klausījies vilciena svilpi, jūs droši vien pamanījāt, ka svilpes slīpums mainās, kad tas pārvietojas attiecībā pret jūsu stāvokli. Līdzīgi mainās sirēnas skaņa, tuvojoties tai un dodoties garām jums uz ceļa.

Apsveriet situāciju, kad kustība ir orientēta līnijā starp klausītāju L un avotu S, un pozitīvais virziens ir virziens no klausītāja uz avotu. Ātrumi v_L un v_S ir klausītāja un avota ātrumi attiecībā pret viļņa vidi (gaiss šajā gadījumā tiek ņemts vērā miera stāvoklī). Skaņas viļņa ātrums, v, vienmēr tiek uzskatīts par pozitīvu.

Izmantojot šīs kustības un izlaižot visus netīros atvasinājumus, mēs iegūstam klausītāja dzirdēto frekvenci (f_L) attiecībā uz avota biežumu (f_S):

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

Ja klausītājs ir miera stāvoklī, tad v_L = 0.
Ja avots atrodas miera stāvoklī, tad v_S = 0.
Tas nozīmē, ka, ja ne avots, ne klausītājs nekustas, tad f_L = f_S, kas ir tieši tas, ko varētu gaidīt.

Ja klausītājs virzās uz avotu, tad v_L > 0, lai gan, ja tas attālinās no avota, tad v_L < 0.

Pārmaiņus, ja avots virzās uz klausītāju, kustība ir negatīvā virzienā, tā v_S <0, bet, ja avots attālinās no klausītāja, tad v_S > 0.

Doplera efekts būtībā ir fizisko viļņu izturēšanās īpašums, tāpēc nav pamata uzskatīt, ka tas attiecas tikai uz skaņas viļņiem. Patiešām, šķiet, ka jebkura veida viļņiem ir Doplera efekts.

Šo pašu koncepciju var piemērot ne tikai gaismas viļņiem. Tādējādi gaisma tiek novirzīta pa gaismas elektromagnētisko spektru (abiem) redzamā gaisma un ārpus tā), izveidojot Doplera maiņa gaismas viļņos to sauc par sarkano vai blūza maiņu atkarībā no tā, vai avots un novērotājs attālinās viens no otra vai viens pret otru. 1927. gadā astronoms Edvīns Habls novēroja gaismu no tālām galaktikām, kas nobīdījās tādā veidā, kas atbilda Doplera maiņa un varēja to izmantot, lai prognozētu ātrumu, ar kādu viņi attālinājās no Zeme. Izrādījās, ka kopumā attālās galaktikas attālinājās no Zemes ātrāk nekā tuvumā esošās galaktikas. Šis atklājums palīdzēja pārliecināt astronomus un fiziķus (ieskaitotAlberts Einšteins), ka Visums faktiski paplašinājās, tā vietā, lai paliktu statisks visas mūžības garumā, un galu galā šie novērojumi noveda pie lielā sprādziena teorija.