Dopplereffekten for lydbølger

Dane Wirtzfeld, Getty Images

Doppler-effekten er et middel som bølgeegenskaper (spesifikt frekvenser) påvirkes av bevegelsen til en kilde eller lytter. Bildet til høyre viser hvordan en bevegelig kilde vil forvrenge bølgene som kommer fra den, på grunn av Doppler-effekten (også kjent som Dopplerskifte ).

Hvis du noen gang har ventet ved en jernbaneovergang og lyttet til togets fløyte, har du sannsynligvis lagt merke til at tonehøyden på fløyten endres når den beveger seg i forhold til posisjonen din. På samme måte endres tonehøyden til en sirene når den nærmer seg og passerer deg på veien.

Beregning av dopplereffekten

Tenk på en situasjon hvor bevegelsen er orientert i en linje mellom lytteren L og kilden S, med retningen fra lytteren til kilden som den positive retningen. Hastighetene i_L og i_S er hastighetene til lytteren og kilden i forhold til bølgemediet (luft i dette tilfellet, som anses i hvile). Lydbølgens hastighet, i , anses alltid som positivt.

Ved å bruke disse bevegelsene og hoppe over alle de rotete avledningene, får vi frekvensen hørt av lytteren ( f_L ) når det gjelder frekvensen til kilden ( f_S ):

f_L = [( i + i_L )/( i + i_S )] f_S

Hvis lytteren er i ro, da i_L = 0.
Hvis kilden er i ro, da i_S = 0.
Dette betyr at hvis verken kilden eller lytteren beveger seg, da f_L = f_S , som er akkurat det man kan forvente.

Hvis lytteren beveger seg mot kilden, da i_L > 0, men hvis den beveger seg bort fra kilden da i_L <0.

Alternativt, hvis kilden beveger seg mot lytteren, er bevegelsen i negativ retning, så i_S <0, but if the source is moving away from the listener then i_S > 0.

Dopplereffekt og andre bølger

Dopplereffekten er fundamentalt sett en egenskap ved fysiske bølgers oppførsel, så det er ingen grunn til å tro at den kun gjelder lydbølger. Enhver form for bølge ser faktisk ut til å vise Doppler-effekten.

Det samme konseptet kan brukes ikke bare på lysbølger. Dette forskyver lyset langs det elektromagnetiske lysspekteret (begge synlig lys og utover), skaper en Dopplerskifte i lysbølger det kalles enten en rødforskyvning eller blåforskyvning, avhengig av om kilden og observatøren beveger seg bort fra hverandre eller mot hverandre. I 1927, astronomen Edwin Hubble observerte lyset fra fjerne galakser skiftet på en måte som samsvarte med spådommene til Doppler-skiftet og var i stand til å bruke det til å forutsi hastigheten de beveget seg bort fra jorden med. Det viste seg at fjerne galakser generelt beveget seg raskere bort fra jorden enn galakser i nærheten. Denne oppdagelsen bidro til å overbevise astronomer og fysikere (inkludert Albert Einstein ) at universet faktisk utvidet seg, i stedet for å forbli statisk i all evighet, og til slutt førte disse observasjonene til utviklingen av Big Bang teorien .