¿Qué son el efecto Doppler y la ley de Hubble?
El efecto Doppler recibe su nombre en honor al físico y matemático austriaco Christian Johann Doppler, quien propuso por primera vez en 1842 esta teoría. Doppler creía que la longitud de onda de la radiación de un objeto cambia debido al movimiento relativo de la fuente de luz y el observador. Frente a una fuente de onda en movimiento, la onda se comprime, su longitud de onda se acorta y su frecuencia aumenta (desplazamiento al azul). Detrás de una fuente de onda en movimiento se produce el efecto contrario. La longitud de onda se hace más larga y la frecuencia se hace más baja (corrimiento al rojo). Cuanto mayor sea la velocidad de la fuente de onda, mayor será el efecto. En función del grado de desplazamiento rojo/azul de la onda de luz, se puede calcular la velocidad de la fuente de onda que se mueve en la dirección de observación. El cambio en las líneas espectrales de una estrella muestra qué tan rápido se mueve la estrella en la dirección de observación. A menos que la fuente de la onda se mueva muy cerca de la velocidad de la luz, la magnitud del desplazamiento Doppler es generalmente pequeña. El efecto Doppler existe en todos los fenómenos ondulatorios, incluidas las ondas luminosas.
Explicación detallada del efecto Doppler
El efecto Doppler establece que la frecuencia recibida de una onda aumenta cuando la fuente de la onda se acerca al observador, y la frecuencia recibida disminuye cuando la fuente de la onda se acerca al observador. La fuente de onda se aleja del observador. A la misma conclusión se puede llegar cuando el observador se mueve. Sin embargo, debido a la falta de equipo experimental, Doppler no fue verificado experimentalmente en ese momento. Unos años más tarde, alguien pidió a un equipo de trompetistas que tocaran en un camión y luego pidió a músicos capacitados que usaran sus oídos para identificar cambios en. tono para verificar el efecto. Supongamos que la longitud de onda de la fuente de onda original es λ, la velocidad de la onda es c y la velocidad de movimiento del observador es v:
Cuando el observador se acerca a la fuente de onda, la frecuencia observada de la fuente de onda es ( v c)/λ Si el observador está lejos de la fuente de onda, entonces la frecuencia de la fuente de onda observada es (v-c)/λ.
Un ejemplo de uso común es el sonido del silbato de un tren. A medida que el tren se acerca al observador, su silbido será más penetrante de lo habitual. Se puede escuchar el cambio en el estridente del tren a medida que pasa. . Lo mismo ocurre con las sirenas de los coches de policía y los motores de los coches de carreras.
Si piensas en las ondas sonoras como pulsos emitidos a intervalos regulares, puedes imaginar que si emites un pulso cada vez que das un paso, entonces cada pulso ante ti estará más cerca que cuando estás quieto. . La fuente de sonido detrás de usted está un paso más lejos que cuando estaba parada. En otras palabras, la frecuencia del pulso delante de usted es más alta de lo habitual y la frecuencia del pulso detrás de usted es más baja de lo habitual.
El efecto Doppler no sólo se aplica a las ondas sonoras, sino que se aplica a todo tipo de ondas, incluidas las electromagnéticas. El científico Edwin Hubble utilizó el efecto Doppler para concluir que el universo se estaba expandiendo. Descubrió que la frecuencia de la luz emitida por los cuerpos celestes que se alejan de la Vía Láctea disminuye, es decir, se mueve hacia el extremo rojo del espectro, lo que se denomina corrimiento al rojo. Cuanto más rápido un objeto abandona la Vía Láctea, más rápido. mayor es su corrimiento al rojo, lo que indica que estos objetos se están alejando de la Vía Láctea. Por el contrario, si el objeto se mueve hacia la Vía Láctea, 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 que debemos considerar completamente el efecto Doppler en comunicaciones móviles. Por supuesto, debido a las limitaciones de nuestra velocidad de movimiento en la vida diaria, es imposible causar un desplazamiento de frecuencia muy grande, pero esto sin duda tendrá un impacto en las comunicaciones móviles. Para evitar que este impacto cause problemas en nuestras comunicaciones, nosotros. Tuvo que hacer varias consideraciones técnicas. También aumenta la complejidad de las comunicaciones móviles.
En el caso del monocromo, el color que perciben nuestros ojos se puede explicar como la frecuencia de las vibraciones de las ondas de luz, o como el número de veces que se alterna el campo electromagnético en 1 segundo. En el área visible, cuanto menor es la eficiencia, más tiende a ser roja y cuanto mayor es la frecuencia, más tiende a ser azul-púrpura. Por ejemplo, el color rojo brillante producido por un láser de helio-neón corresponde a una frecuencia de 4,74×10^14 Hz, mientras que el color púrpura de una lámpara de mercurio corresponde a una frecuencia superior a 7×10^14 Hz. El mismo principio se aplica a las ondas sonoras: la percepción de un sonido como alto o bajo corresponde a la frecuencia de vibración con la que el sonido ejerce presión sobre el tímpano (los sonidos de alta frecuencia son agudos, los de baja frecuencia, amortiguados).
Si la fuente de ondas es estacionaria, las ondas recibidas por el receptor estacionario vibran con el mismo ritmo que las ondas emitidas por la fuente: la frecuencia de transmisión es igual a la frecuencia de recepción. La situación es diferente si la fuente de la onda se mueve con respecto al receptor, por ejemplo alejándose entre sí. En relación con el receptor, la distancia entre las dos crestas de onda generadas por la fuente de onda se alarga, por lo que el tiempo que tardan las dos crestas de onda en llegar al receptor también se hace más largo. Luego, la frecuencia disminuye cuando llega al receptor y el color percibido cambia hacia el rojo (lo contrario ocurre si la fuente de la onda se acerca al receptor). Para darle al lector una idea de la magnitud de este efecto, se muestra el desplazamiento Doppler, que se aproxima a la frecuencia que recibe una fuente de luz en movimiento a medida que cambia su velocidad relativa. Por ejemplo, en la línea espectral roja del láser de helio-neón mencionado anteriormente, cuando la velocidad de la fuente de onda es equivalente a la mitad de la velocidad de la luz, la frecuencia recibida cae de 4,74×10^14 Hz a 4,74×10^14 Hz Este valor cayó significativamente a la banda de frecuencia infrarroja.
El efecto Doppler de las ondas sonoras
En la vida diaria, todos tenemos esta experiencia: cuando un tren con un silbato pasa junto a un observador, este notará que el tren silba El tono cambia de mayor a menor. ¿Por qué sucede esto? Esto se debe a que el tono del tono está determinado por la diferencia en la frecuencia de vibración de la onda sonora. Si la frecuencia es alta, el tono suena alto; de lo contrario, el tono suena bajo. Este fenómeno se llama efecto Doppler. descubierto por Christian · Debe su nombre a Doppler, el físico y matemático austriaco que descubrió este efecto por primera vez en 1842. Para comprender este fenómeno es necesario examinar el patrón de propagación de las ondas sonoras emitidas por el silbato cuando el tren se acerca a velocidad constante. El resultado es que la longitud de onda de las ondas sonoras se acorta, como si las ondas fueran. comprimido Por lo tanto, las ondas sonoras se propagan dentro de un cierto intervalo de tiempo. El número de ondas aumenta, por lo que el observador experimenta que el tono se vuelve más alto, a medida que el tren se aleja, la longitud de onda de la onda sonora se hace más grande, como si el tren se alejara. La ola se está estirando. Por lo tanto, el sonido suena bajo. El análisis cuantitativo produce f1=(u v0)/(u-vs)f, donde vs es la velocidad de la fuente de onda con respecto al medio, v0 es la velocidad del observador con respecto al medio, y f representa la velocidad de la fuente de onda. La frecuencia natural, u representa la velocidad de propagación de las ondas en medios estacionarios. Cuando el observador se acerca a la fuente de onda, v0 toma un signo positivo cuando el observador se aleja de la fuente de onda. es, a lo largo de la fuente de onda), v0 toma un signo negativo cuando la fuente de onda se mueve hacia la observación. Cuando el observador se mueve, vs toma un signo negativo cuando la fuente de onda frontal se aleja del observador, vs toma un signo positivo. De la fórmula anterior, es fácil ver que cuando el observador y la fuente de sonido están cerca uno del otro, f1>f; cuando el observador y la fuente de sonido están lejos el uno del otro, . f1＜f
Efecto Doppler de las ondas de luz
Este efecto también ocurrirá en la luz ondulatoria, que también se llama 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 una forma de 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 las ondas de luz El cambio de frecuencia se siente como un cambio de color. Si la estrella se aleja de nosotros, la línea espectral de la luz se mueve en la dirección de la luz roja, lo que se llama corrimiento al rojo; si la estrella se acerca a nosotros, la línea espectral de la luz se mueve en la dirección de la luz violeta. movimiento, llamado desplazamiento hacia el azul.
La aplicación del efecto Doppler de la luz
En la década de 1920, el astrónomo estadounidense Slifer descubrió por primera vez el espectro al estudiar el espectro emitido por una lejana nebulosa espiral, reconociendo que la. La Nebulosa Espiral se está alejando rápidamente de la Tierra. En 1929, Hubble resumió la famosa ley de Hubble basada en el corrimiento óptico al rojo: la velocidad de alejamiento v de una galaxia es proporcional a la distancia r a la Tierra, es decir, v=Hr, y H es la constante de Hubble. Según la ley de Hubble y la posterior determinación del corrimiento al rojo de más cuerpos celestes, se cree que el universo se ha estado expandiendo durante un largo período de tiempo y la densidad de la materia se ha ido reduciendo. De ello se deduce que la estructura del universo no existía antes de cierto momento, y sólo puede ser producto de la evolución.
Por lo tanto, G. Gamow y sus colegas propusieron el modelo del universo del Big Bang en 1948. Desde la década de 1960, el modelo del universo del Big Bang se ha ido volviendo gradualmente ampliamente aceptado, e incluso 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. Basta con analizar el espectro de la luz recibida. En 1868, el astrónomo británico W. Huggins utilizó este método para medir la velocidad radial de Sirio (es decir, la velocidad a la que el objeto se aleja de nosotros) y obtuvo un valor de velocidad de 46 km/s.
Aplicación del efecto Doppler de las ondas sonoras
El efecto Doppler de las ondas sonoras también se puede utilizar en el diagnóstico médico, que es lo que solemos llamar ecografía color. En pocas palabras, la ecografía en color es una ecografía B en blanco y negro de alta definición más Doppler en color. Primero, hablemos del método de diagnóstico de cambio de frecuencia de la ecografía, es decir, la ecografía D. Este método aplica el principio del efecto Doppler. Cuando la fuente de sonido y el receptor (es decir, cuando hay un movimiento relativo entre la sonda y el reflector, la frecuencia del eco cambia. Este cambio de frecuencia se denomina cambio de frecuencia. La ecografía D incluye Doppler pulsado, Doppler continuo y Doppler color sanguíneo imágenes de flujo. La ecografía Doppler color generalmente utiliza tecnología de autocorrelación para el procesamiento de la señal Doppler. La señal de flujo sanguíneo obtenida mediante la tecnología de autocorrelación está codificada por colores y se superpone a la imagen bidimensional en tiempo real para formar una imagen de flujo sanguíneo de ecografía Doppler color. Se puede ver que la ecografía Doppler color (es decir, la ecografía Doppler color) no solo tiene las ventajas de las imágenes estructurales de la ecografía bidimensional, sino que también proporciona información rica sobre hemodinámica. Su aplicación práctica ha sido ampliamente valorada y bienvenida, y ha sido elogiada. en la práctica clínica para la "angiografía no invasiva".
En 1929, Edwin Hubble estudió la relación entre la velocidad radial y la distancia de las galaxias extragalácticas. En ese momento, las velocidades radiales de sólo 46 galaxias extragalácticas estaban disponibles, y sólo 24 de ellas tenían distancias calculadas. Hubble derivó una relación proporcional aproximadamente lineal entre la velocidad radial y la distancia. Las observaciones modernas y precisas han confirmado esta relación proporcional lineal
v = H0×d
donde v es la velocidad de recesión, d es la distancia de la galaxia y H0 es la constante de proporcionalidad, llamada Constante de Hubble. Esta es la famosa ley de Hubble.
La ley de Hubble revela que el universo está en constante expansión. Esta expansión es una expansión uniforme de todo el espacio. Por lo tanto, un observador en cualquier punto verá exactamente la misma expansión desde cualquier galaxia, todas las galaxias se están expandiendo en todas direcciones con ella como centro. Cuanto más lejos están las galaxias, más rápido se separan unas de otras.
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Cuando Hubble hizo sus experimentos, inicialmente estudió las distancias entre galaxias y sus corrimientos al rojo. A partir de estos datos pudo medir la velocidad de cada galaxia y descubrió una relación lineal entre distancia y velocidad, conocida como ley de Hubble. La ley de Hubble se expresa mediante la siguiente ecuación:
v = Hd
v es la velocidad de retroceso de la galaxia, H es la constante de Hubble y d es la distancia a la galaxia. A medida que d aumenta, v también aumenta.
Lo encontré en línea, espero que sea útil