¿Por qué ocurre el efecto Doppler?
El efecto Doppler recibe su nombre en honor a Christian Doppler, quien propuso por primera vez la teoría en 1842.
Creía que cuando la fuente de sonido se acerca al observador, la frecuencia de la onda de sonido aumenta, y cuando la fuente de sonido se aleja del observador, la frecuencia se vuelve más baja. Un ejemplo comúnmente utilizado son los trenes. A medida que el tren se acerca al observador, su vapor chirriará más de lo habitual. Se escucha un cambio estridente en el sonido cuando pasa el tren. Y así es: la sirena de un coche de policía, el sonido del motor de un coche de carreras.
Piense en las ondas sonoras como pulsos emitidos a intervalos regulares. Imagínese si enviara un pulso con cada paso que diera, entonces cada pulso frente a usted estaría más cerca de usted que si estuviera parado. La fuente del sonido detrás de ti está un paso más lejos de lo que estaba cuando estabas quieto. En otras palabras, su pulso era más alto de lo habitual antes y su pulso era más bajo de lo habitual después.
El físico austriaco Doppler nació en 1803, hijo de un cantero en Salzburgo. Sus padres esperaban que su hijo siguiera los pasos de su padre, pero de niño era demasiado débil para convertirse en cantero. Aceptaron el consejo de un profesor de matemáticas y le pidieron a Doppler que estudiara matemáticas en el Politécnico de Viena. Después de graduarse, Doppler regresó a Salzburgo para estudiar filosofía y luego fue a la Universidad de Viena para estudiar matemáticas superiores, astronomía y mecánica.
Después de graduarse, Doppler permaneció en la Universidad de Viena como profesor asistente durante cuatro años, trabajó como contador en una fábrica y luego enseñó en una escuela secundaria técnica en Praga y trabajó como profesor a tiempo parcial. Profesor del Politécnico de Praga. No fue hasta 1841 que se convirtió oficialmente en profesor de matemáticas en el Politécnico. Doppler es un profesor riguroso. Una vez fue investigado por la escuela después de que los estudiantes se quejaran de que los exámenes eran demasiado exigentes. Los intensos asuntos académicos y la fuerte presión empeoraron cada vez más la salud de Doppler, pero sus logros científicos lo hicieron famoso en todo el mundo. En 1850 fue nombrado primer decano de la Facultad de Física de la Universidad de Viena, pero murió tres años después, a la edad de 49 años.
El famoso efecto Doppler apareció por primera vez en un artículo publicado en 1842. En 1842, el físico austriaco Doppler llevó a su hija a caminar por el ferrocarril y notó que cuando la fuente de la onda y el observador se movían entre sí, la frecuencia de las ondas recibidas por el observador cambiaba. Intentó utilizar este principio para explicar los cambios de color de las estrellas binarias. Aunque Doppler confundió las ondas de luz con las ondas longitudinales, la conclusión del efecto Doppler fue correcta. El efecto Doppler sólo influye ligeramente en el color de las estrellas binarias. En ese momento, no había instrumentos disponibles para medir estos cambios. Pero a partir de 1845, algunas personas empezaron a experimentar con ondas sonoras. Hicieron que algunos músicos tocaran música en el tren y otros escribieron los tonos que escuchaban mientras el tren se acercaba y salía del andén. Los resultados experimentales apoyan la existencia del efecto Doppler.
Efecto Doppler Generalizado
El efecto Doppler se aplica no sólo a las ondas sonoras, sino también a todo tipo de ondas, incluidas las ondas luminosas y las ondas electromagnéticas. El científico Edwin Hubble utilizó el efecto Doppler para concluir que el universo se está expandiendo. Descubrió que la frecuencia de la luz de las galaxias distantes es cada vez mayor, es decir, moviéndose hacia el extremo rojo del espectro. Este es el corrimiento Doppler rojo o corrimiento al rojo. Si la Vía Láctea se mueve hacia él, la luz se desplazará hacia el azul.
En las comunicaciones móviles, cuando la estación móvil se acerca a la estación base, la frecuencia aumenta, y cuando se aleja de la estación base, la frecuencia disminuye. Por lo tanto, se produce el "efecto Doppler" en las comunicaciones móviles. las comunicaciones deben considerarse plenamente. Por supuesto, debido a la limitación de nuestra velocidad de movimiento en la vida diaria, es imposible provocar un gran cambio de frecuencia, pero es innegable que afectará a las comunicaciones móviles. Para evitar que este efecto cause problemas en nuestras comunicaciones, tenemos que tenerlo en cuenta en diversas tecnologías. Y aumenta la complejidad de las comunicaciones móviles.
En primer lugar, el efecto Doppler de las ondas sonoras
En la vida diaria, todos tenemos esta experiencia: cuando un tren que toca la bocina pasa junto al observador, este encontrará que el tren toca la bocina. El tono de la flauta cambia de alto a bajo. ¿Por qué sucede esto? Esto se debe a que el tono está determinado por las diferentes frecuencias de vibración de las ondas sonoras. Si la frecuencia es alta, el tono suena alto. Por otro lado, el tono suena muy bajo. Este fenómeno se denomina efecto Doppler, en honor a su descubridor, Christian Doppler (1803-1853). Doppler fue un físico y matemático austriaco. Descubrió este efecto por primera vez en 1842. Para comprender este fenómeno es necesario investigar el momento en que se acerca un tren a velocidad constante. La regularidad de las ondas sonoras emitidas cuando se propaga el silbido. Como resultado, la longitud de onda de la onda sonora se acorta, como si la onda hubiera sido comprimida.
Por lo tanto, aumenta el número de ondas que se propagan en un determinado intervalo de tiempo, por lo que el observador percibe el tono como más alto. Por el contrario, a medida que el tren avanza, la longitud de onda de la onda sonora se hace más grande, como si la onda se estirara. Por tanto, el sonido suena muy bajo. El análisis cuantitativo muestra que f1=(u+v0)/(u-vs)f, donde vs es la velocidad de la fuente de onda en relación con el medio, v0 es la velocidad del observador en relación con el medio, f representa la frecuencia natural de la fuente de onda, y u representa el medio estacionario en ondas. Cuando el observador está lejos de la fuente de la onda (es decir, a lo largo de la fuente de la onda), v0 toma un signo negativo. Cuando la fuente de onda se mueve hacia el observador, vs adquiere un signo negativo. Cuando la fuente de onda frontal se desvía del movimiento del observador, Vs toma un signo positivo. Es fácil saber a partir de la fórmula anterior que cuando el observador y la fuente de sonido están cerca, F 1 > F; cuando el observador y la fuente de sonido están lejos, f1 < f.
2. Efecto Doppler de las ondas luminosas (incluidas las ondas electromagnéticas)
La luz fluctuante también tendrá este efecto, que también se denomina efecto Doppler-Fizeau. Porque el físico francés Fizeau (1819-1896) explicó de forma independiente el cambio de longitud de onda de las estrellas en 1848 y señaló el método para utilizar este efecto para medir la velocidad relativa de las estrellas. La diferencia entre las ondas de luz y las ondas de sonido es que si la estrella se mueve hacia nosotros, las líneas espectrales de la luz se desplazan hacia la luz violeta. Esto se llama desplazamiento hacia el azul.
Amplias aplicaciones del efecto Doppler
1. Velocímetro de radar
Este efecto Doppler también lo utilizan los velocímetros de radar para detectar el movimiento de la velocidad de los vehículos de motor. La policía de tránsito emite ondas electromagnéticas de frecuencia conocida, generalmente infrarrojas, al vehículo en movimiento y al mismo tiempo mide la frecuencia de la onda reflejada. En función del cambio en la frecuencia de la onda reflejada, se puede conocer la velocidad del vehículo. Los coches de policía equipados con velocímetros Doppler a veces se detienen al costado de la carretera, toman una fotografía del número del vehículo mientras miden la velocidad e imprimen automáticamente la velocidad medida en la foto.
2. Aplicación del efecto Doppler en medicina
En la práctica clínica, el efecto Doppler es cada vez más utilizado. En los últimos años, los equipos Doppler de pulso ultrasónico se han desarrollado rápidamente. Cuando una fuente de sonido o una interfaz reflectante se mueve, como cuando los glóbulos rojos fluyen a través de los grandes vasos del corazón, la frecuencia del sonido que se dispersa desde su superficie cambia y, a partir de esta frecuencia, se puede cambiar la dirección y velocidad del flujo sanguíneo. conocido. Por ejemplo, cuando los glóbulos rojos se enfrentan a la sonda, la frecuencia de audio reflejada aumenta según el principio Doppler, y cuando los glóbulos rojos se alejan de la sonda, la frecuencia de audio reflejada disminuye.
En tercer lugar, el fenómeno Doppler en la investigación cosmológica
En la década de 1920, el astrónomo estadounidense Slifer descubrió por primera vez el fenómeno Doppler mientras estudiaba el espectro emitido por lejanas nebulosas espirales y descubrió el corrimiento al rojo de las estrellas. espectro y me di cuenta de que la Nebulosa Hélice se estaba alejando rápidamente de la Tierra. En 1929, Hubble resumió la famosa ley de Hubble basada en el corrimiento al rojo generalizado: la distancia V de una galaxia es proporcional a la distancia R de la Tierra, es decir, V = HR, y H es la constante de Hubble. Basado en la ley de Hubble y la posterior determinación de los corrimientos al rojo de más cuerpos celestes, se piensa que el universo se ha ido expandiendo con el tiempo y la densidad de la materia ha ido disminuyendo. De ello se deduce que la estructura del universo no existía antes de cierto momento y sólo podía ser producto de la evolución. Por lo tanto, en 1948, G. Gamow y sus colegas propusieron el modelo del universo del Big Bang. Desde la década de 1960, el modelo del Big Bang ha sido tan ampliamente aceptado que los astrónomos lo llaman el "modelo estándar" del universo.
El efecto Doppler-Fizeau permite estudiar el movimiento de los cuerpos celestes a cualquier distancia de la Tierra simplemente analizando el espectro de la luz recibida. En 1868, el astrónomo británico W. Huggins utilizó este método para medir la velocidad aparente de Sirio (es decir, la velocidad a la que el objeto nos abandona) y obtuvo un valor de velocidad de 46 kilómetros por segundo.
En cuarto lugar, el efecto Doppler en las comunicaciones móviles.
En las comunicaciones móviles, cuando la estación móvil se mueve hacia la estación base, la frecuencia aumenta y cuando se aleja de la estación base. , la frecuencia disminuye, por lo que se debe considerar plenamente el "efecto Doppler" en las comunicaciones móviles. Por supuesto, debido a la limitación de nuestra velocidad de movimiento en la vida diaria, es imposible provocar una gran desviación de frecuencia. En las comunicaciones móviles por satélite, la frecuencia aumenta cuando la aeronave se acerca al satélite y la frecuencia disminuye cuando se aleja del satélite. Y como la velocidad de los aviones es muy rápida, se debe tener plenamente en cuenta el "efecto Doppler" en las comunicaciones móviles por satélite. Para evitar que este efecto cause problemas en nuestras comunicaciones, tenemos que dar varias consideraciones técnicas. Y aumenta la complejidad de las comunicaciones móviles.
Cuando te quedas quieto y prestas atención al sonido del motor de un automóvil que se mueve rápidamente en la carretera, encontrarás que el tono del sonido aumentará (es decir, la frecuencia aumentará). A medida que se acerca a usted, el tono será más bajo (es decir, la frecuencia será más baja) a medida que se aleje de usted.
Este fenómeno se llama efecto Doppler. También existe el efecto Doppler en el fenómeno de la luz. Cuando la fuente de luz se mueve hacia usted rápidamente, la frecuencia de la luz también aumentará, lo que se manifiesta como un cambio en el color de la luz hacia la luz azul (porque en la luz visible, la frecuencia de la luz azul es alta), es decir , un cambio de espectro hacia el azul; cuando la fuente de luz se aleja rápidamente de usted, la frecuencia de la luz disminuirá, lo que significa que el color de la luz cambiará hacia la luz roja (porque la frecuencia de la luz roja en la luz visible es menor). ), es decir, el espectro se desplazará hacia el rojo.
Antes de seguir estudiando el efecto Doppler, primero comprendamos los conceptos básicos sobre las ondas:
Si dejamos caer una pequeña piedra en aguas tranquilas, aparecerán ondas en el agua y continuarán. para extenderse hacia adelante. En este momento, cada vez que vibre la superficie del agua en la fuente de la onda, se generará un nuevo tren de ondas en la superficie del agua.
Supongamos que el período de vibración de la fuente de onda es t, es decir, cada vez que la fuente de onda vibra t veces, la distancia entre dos trenes de ondas adyacentes en la superficie del agua es VT, donde v es la velocidad de propagación de la ola en el agua. En física, a esta distancia la llamamos distancia entre las longitudes de onda de trenes de ondas adyacentes, representada por el símbolo λ. De esta forma, la relación entre la longitud de onda, la velocidad de la onda y el período de vibración se puede expresar como λ = VT (1).
Dado que se requiere T para que la fuente de onda vibre una vez, el número de veces que la fuente de onda vibra por unidad de tiempo es 1/t. En física, el número de veces que la fuente de onda vibra por unidad de tiempo es. llamada frecuencia de la onda, representada por f. De esta manera, su relación con el período se puede expresar como f=1/T, o T=1/f (2).
Combinando (1) y (2), podemos obtener λ=VT=V/f (3).
Esta fórmula es la fórmula básica para que podamos discutir problemas relacionados con las ondas. Aunque se resume a la propagación de las ondas del agua, es aplicable a todas las ondas.
La investigación experimental muestra que para un medio dado, la velocidad de propagación de la onda V es constante. Por tanto, cuando una onda se propaga en un determinado medio, su longitud de onda λ es directamente proporcional a su período (e inversamente proporcional a su frecuencia). Es decir, cuanto mayor es la frecuencia de la onda, menor es el período y más corta es la longitud de onda; por el contrario, cuanto menor es la frecuencia, más largo es el período y mayor es la longitud de onda de la onda.
En el caso de las ondas sonoras, la frecuencia del sonido determina el tono del sonido. Es decir, cuanto mayor sea la frecuencia de la onda sonora, mayor será el tono de la onda sonora y más agudo, más fino e incluso más áspero será el sonido. Según la conclusión anterior, la fuente de sonido que produce un tono alto vibra lentamente, tiene un período de vibración más largo y la longitud de onda de la onda sonora correspondiente también es más larga. Por ejemplo, la longitud de onda de una onda sonora de 10000 Hz es 1/100 de la longitud de onda de una onda sonora de 100 Hz.
En la luz visible, la frecuencia de las ondas luminosas determina el color de la luz coloreada. Las frecuencias de menor a mayor corresponden al rojo, naranja, amarillo, verde, azul, índigo y violeta. La luz roja tiene la frecuencia más baja y la longitud de onda más larga. La luz violeta tiene la frecuencia más alta pero la longitud de onda más corta.
Analicemos el efecto Doppler de la luz basándonos en los conocimientos previos anteriores:
Supongamos que una fuente de luz emite un tren de ondas cada T, es decir, el período de la fuente de luz es T, como se muestra en la figura Como se muestra en la figura, cuando está estacionario, el intervalo de tiempo entre dos trenes de ondas adyacentes es T y el intervalo de distancia es λ = cT.
Donde c representa la velocidad de la luz.
Cuando la fuente de luz sale del observador con velocidad v, la distancia que se mueve la fuente de luz en el tiempo entre cada dos trenes de ondas adyacentes es VT, por lo que el tiempo que tarda el siguiente pico en llegar al observador aumenta por VT /c, por lo que el tiempo necesario para que dos picos adyacentes lleguen al observador es:
T ' = T+VT/c & gt; Para el observador, el período de la onda de luz se hace más largo y la frecuencia se hace más baja. Según la relación anterior entre frecuencia y color de la luz, el color de la luz secundaria cambiará hacia la luz roja. En física, este fenómeno se llama corrimiento al rojo.
En este momento, la distancia entre dos trenes de ondas adyacentes que llegan al observador, es decir, la longitud de onda, se convierte en λ'=cT+VT.
Es decir, la longitud de onda se hace más larga. La relación entre estas dos longitudes de onda es λ'/λ = t'/t = 1+V/C.
Es decir, la longitud de onda aumenta en V/c. A este aumento relativo lo llamamos desplazamiento al rojo. El desplazamiento al rojo depende de la velocidad a distancia de la fuente de luz. Porque en términos generales, V
Por ejemplo, el cúmulo de galaxias de Virgo abandona nuestra galaxia a una velocidad de aproximadamente 1000 km/s, entonces la longitud de onda de cualquier línea espectral en su espectro es mayor que el valor normal en una relación λ' /λ= 1+V/C = 1+10000/300000 = 65438.
Si la fuente de luz se mueve hacia el observador, simplemente cambie V en la fórmula anterior a -V. La diferencia es que habrá un desplazamiento de la luz hacia el azul.
Con base en la velocidad de movimiento de la fuente de luz, podemos calcular el desplazamiento de la luz en el espectro; a la inversa, con base en el desplazamiento de la luz en el espectro, también podemos calcular la velocidad de movimiento de; la fuente de luz en relación con nosotros. Entendiendo esto, no nos resulta difícil comprender el proceso de descubrimiento de la ley de Hubble.