Efectul Doppler descrie modul în care frecvența unei unde se schimbă atunci când sursa sau observatorul se mișcă în raport cu mediul. Acesta este motivul pentru care o sirenă sună cu tonuri mai acute când se apropie o ambulanță și cu tonuri mai joase pe măsură ce se retrage. Înțelegerea efectului Doppler este esențială în acustică, radar, astronomie și ultrasunete medicale.

Formula

Pentru unde sonore (sursa în mișcare, observatorul staționar):

Observed Frequency = Source Frequency × (Speed of Sound) / (Speed of Sound ± Source Velocity)

Utilizați semnul minus dacă sursa se apropie, plus dacă se retrage.

Pentru unde luminoase (Doppler relativistic):

Observed Frequency = Source Frequency × √((1 - β) / (1 + β))

Unde β = viteza / viteza luminii.

Exemplu de lucru

O sirena de ambulanță emite la 1.000 Hz. Sunetul circulă cu 343 m/s în aer. Ambulanța se apropie cu 30 m/s.

Observed Frequency = 1,000 × 343 / (343 - 30)
                   = 1,000 × 343 / 313
                   = 1,000 × 1.096
                   = 1,096 Hz

Sirena care se apropie sună cu aproximativ 9,6% mai mare. După trecere și retragere cu 30 m/s:

Observed Frequency = 1,000 × 343 / (343 + 30)
                   = 1,000 × 343 / 373
                   = 920 Hz

Scăderea de la 1.096 Hz la 920 Hz este dramatică - o schimbare de aproximativ 176 Hz.

Aplicații

Radar și pistoale de viteză: Emite unde radio, măsoară schimbarea frecvenței în undele reflectate pentru a calcula viteza vehiculului.

Astronomie: Stelele care se deplasează spre Pământ arată o schimbare în albastru (frecvență mai mare). Stelele care se îndepărtează arată deplasare la roșu (frecvență mai scăzută). Acest lucru a arătat că universul se extinde.

Imagistica cu ultrasunete: Ecografia Doppler măsoară fluxul sanguin prin detectarea schimbării frecvenței undelor reflectate de la globulele roșii în mișcare.

Perspectivă cheie

Efectul Doppler depinde doar de mișcarea relativă. Un observator staționar și o sursă care se apropie produc același efect ca o sursă staționară și un observator care se apropie (deși matematica diferă ușor).

Sfaturi

Pentru viteze non-relativiste (mult mai lente decât lumina), utilizați formula sonoră. Pentru viteze ușoare sau foarte mari, utilizați formula relativistă. Efectul este mai pronunțat pentru undele de înaltă frecvență și viteze mari.

Utilizați Calculatorul efectului Doppler pentru a găsi frecvența observată pentru orice sursă și viteza observatorului.