Эффект Доплера

Воспринимаемая частота волны зависит от относительной скорости ее источника.

Вам, наверняка, хоть раз в жизни доводилось стоять у дороги, по которой проносится машина со спецсигналом и включенной сиреной. Пока вой сирены приближается, его тон выше, затем, когда машина поравняется с вами, он понижается, и, наконец, когда машина начинает удаляться, он понижается еще, и получается знакомое: ййййииииээээЭААААОоооуууумммм — такой примерно звукоряд. Сами того, возможно, не сознавая, вы при этом наблюдаете фундаментальнейшее (и полезнейшее) свойство волн.

Волны — вообще вещь странная. Представьте себе пустую бутылку, болтающуюся неподалеку от берега. Она гуляет вверх-вниз, к берегу не приближаясь, в то время как вода, казалось бы, волнами набегает на берег. Но нет — вода (и бутылка в ней) — остаются на месте, колеблясь лишь в плоскости, перпендикулярной поверхности водоема. Иными словами, движение среды, в которой распространяются волны, не соответствует движению самих волн. По крайней мере, футбольные болельщики хорошо это усвоили и научились использовать на практике: пуская «волну» по стадиону, они сами никуда не бегут, просто встают и садятся в свой черед, а «волна» (в Великобритании это явление принято называть «мексиканской волной») бежит вокруг трибун.

Волны принято описывать их частотой (число волновых пиков в секунду в точке наблюдения) или длиной (расстояние между двумя соседними гребнями или впадинами). Эти две характеристики связаны между собой через скорость распространения волны в среде, поэтому, зная скорость распространения волны и одну из главных волновых характеристик, можно легко рассчитать другую.

Как только волна пошла, скорость ее распространения определяется только свойствами среды, в которой она распространяется, — источник же волны никакой роли больше не играет. По поверхности воды, например, волны, возбудившись, далее распространяются лишь в силу взаимодействия сил давления, поверхностного натяжения и гравитации. Акустические же волны распространяются в воздухе (и иных звукопроводящих средах) в силу направленной передачи перепада давлений. И ни один из механизмов распространения волн не зависит от источника волны. Отсюда и эффект Доплера.

Давайте еще раз задумаемся над примером с воющей сиреной. Предположим для начала, что спецмашина стоит. Звук от сирены доходит до нас потому, что упругая мембрана внутри нее периодически воздействует на воздух, создавая в нем сжатия — области повышенного давления, — чередующиеся с разрежениями. Пики сжатия — «гребни» акустической волны — распространяются в среде (воздухе), пока не достигнут наших ушей и не воздействуют на барабанные перепонки, от которых поступит сигнал в наш головной мозг (именно так устроен слух). Частоту воспринимаемых нами звуковых колебаний мы по традиции называем тоном или высотой звука: например, частота колебаний 440 герц в секунду соответствует ноте «ля» первой октавы. Так вот, пока спецмашина стоит, мы так и будем слышать неизмененный тон ее сигнала.

Но как только спецмашина тронется с места в вашу сторону, добавится новый эффект. За время с момента испускания одного пика волны до следующего машина проедет некоторое расстояние по направлению к вам. Из-за этого источник каждого следующего пика волны будет ближе. В результате волны будут достигать ваших ушей чаще, чем это было, пока машина стояла неподвижно, и высота звука, который вы воспринимаете, увеличится. И, наоборот, если спецмашина тронется в обратном направлении, пики акустических волн будут достигать ваших ушей реже, и воспринимаемая частота звука понизится. Вот и объяснение тому, почему при проезде машины со спецсигналами мимо вас тон сирены понижается.

Мы рассмотрели эффект Доплера применительно к звуковым волнам, но он в равной мере относится и к любым другим. Если источник видимого света приближается к нам, длина видимой нами волны укорачивается, и мы наблюдаем так называемое фиолетовое смещение (из всех видимых цветов гаммы светового спектра фиолетовому соответствуют самые короткие длины волн). Если же источник удаляется, происходит кажущееся смещение в сторону красной части спектра (удлинение волн).

Этот эффект назван в честь Кристиана Иоганна Доплера, впервые предсказавшего его теоретически. Эффект Доплера меня на всю жизнь заинтересовал благодаря тому, как именно он был впервые проверен экспериментально. Голландский ученый Кристиан Баллот (Christian Buys Ballot, 1817–1870) посадил духовой оркестр в открытый железнодорожный вагон, а на платформе собрал группу музыкантов с абсолютным слухом. (Идеальным слухом называется умение, выслушав ноту, точно назвать её.). Всякий раз, когда состав с музыкальным вагоном проезжал мимо платформы, духовой оркестр тянул какую-либо ноту, а наблюдатели (слушатели) записывали слышащуюся им нотную партитуру. Как и ожидалось, кажущаяся высота звука оказалась в прямой зависимости от скорости поезда, что, собственно, и предсказывалось законом Доплера.

Эффект Доплера находит широкое применение и в науке, и в быту. Во всем мире он используется в полицейских радарах, позволяющих отлавливать и штрафовать нарушителей правил дорожного движения, превышающих скорость. Пистолет-радар излучает радиоволновой сигнал (обычно в диапазоне УКВ или СВЧ), который отражается от металлического кузова вашей машины. Обратно на радар сигнал поступает уже с доплеровским смещением частоты, величина которого зависит от скорости машины. Сопоставляя частоты исходящего и входящего сигнала, прибор автоматически вычисляет скорость вашей машины и выводит ее на экран.

Несколько более эзотерическое применение эффект Доплера нашел в астрофизике: в частности, Эдвин Хаббл, впервые измеряя расстояния до ближайших галактик на новейшем телескопе, одновременно обнаружил в спектре их атомного излучения красное доплеровское смещение, из чего был сделан вывод, что галактики удаляются от нас (см. Закон Хаббла). По сути, это был столь же однозначный вывод, как если бы вы, закрыв глаза, вдруг услышали, что тон звука двигателя машины знакомой вам модели оказался ниже, чем нужно, и сделали вывод, что машина от вас удаляется. Когда же Хаббл обнаружил к тому же, что чем дальше галактика, тем сильнее красное смещение (и тем быстрее она от нас улетает), оно понял, что Вселенная расширяется. Это стало первым шагом на пути к теории Большого взрыва — а это вещь куда более серьезная, чем поезд с духовым оркестром.

Кристиан Иоганн ДОПЛЕР
Кристиан Иоганн ДОПЛЕР
Christian Johann Doppler, 1803–53

Австрийский физик. Родился в Зальцбурге в семье каменщика. Окончил Политехнический институт в Вене, остался в нем на младших преподавательских должностях до 1835 года, когда получил предложение возглавить кафедру математики Пражского университета, что в последний момент заставило его отказаться от назревшего решения эмигрировать в Америку, отчаявшись добиться признания в академических кругах на родине. Закончил свою карьеру в должности профессора Венского королевского имперского университета.


12
Показать комментарии (12)
Свернуть комментарии (12)

  • Людмила  | 01.06.2006 | 22:29 Ответить
    "Частоту воспринимаемых нами звуковых колебаний мы по традиции называем тоном или высотой звука"

    Вообще-то такого утверждения не встречалось нигде. Да, частота (объективная характеристика) соответствует высоте звука (субъективной, связанной со слуховым восприятием), но не называется высотой.
    Ответить
  • Kopylov  | 10.11.2006 | 12:33 Ответить
    Красное смещение в спектре Галактик обнаружено. Но объясняется ли это смещение эффектом Доплера ? Очень может быть, что и нет !
    Оказывается, имеются и другие гипотезы, которые объясняют красное смещение.
    Одна из гипотез состоит в том, что, как следует из общей теории относительности, когда фотон покидает массивное тело (например, галактику), его энергия из-за гравитационных сил уменьшается, и фотон испытывает красное смещение.
    По другой гипотезе при движении фотона на колоссальные расстояния его энергия по каким-то причинам уменьшается, и он испытывает красное смещение. Эта гипотеза прекрасно согласуется с экспериментальным фактом, согла сно которому, в целом, чем дальше от нас галактика, тем сильнее красное смещение ! А в земных условиях никто еще не проверял, испытывает ли фотон красное смещение после того как прошел путь в миллионы и миллирды световых лет.
    Ответить
    • KindMaster > Kopylov | 13.02.2008 | 16:06 Ответить
      Красное смещение, открытое Хабблом, никакого отношения к эффекту Доплера не имеет. Фотон уменьшает свою длину именно во время перемещения в пространстве за счет его расширения. Действительно, существовало несколько теорий, объясняющих красное смещение Хабла. Но последние наблюдения сверхновых 1а убирают всякую возможность существования космологической теории, не содержащей расширения пространства. Дело в том, что сверхновые типа 1а имеют одинаковые кривые блеска и пик яркости. На физических причинах этого останавливаться не буду. Дело в том, что от далеких сверхновых не только спектр смещается в красную сторону, но и сама кривая блеска растягивается на величину красного смещения спектра. То есть скажем для красного смещения 1 мы будем наблюдать эффект сверхновой вдвое дольше, чем если бы это произошло где нибудь по местному. Если бы не было расширения пространства, то мы бы наблюдали только смещение спектра, а кривая блеска оставалась бы прежней
      Ответить
  • mayu  | 02.09.2007 | 19:37 Ответить
    У мня небольшая путаница в голове,прошу помощи,и так.....Скажем что нашей наблюдаемой вселенной 14.5 миллиардов лет,если взять в расчёт что к примеру среднею арифметическую скорость разбежки(удаления) галактик скажем 2000 км/с то за 14.5 миллиардов лет они проделали растояние равное этой скорости,как же тогда наблюдают галактические скопления которые находятся на растоянии от нас в 13.5 миллиардов СВЕТОВЫХ ЛЕТ,световой год равняется растоянию которое преодолевает свет за 1 год,скорость которого равна примерно почти 300 тысяч километров в секунду,но расширение вселенной к примеру всего в 2000 километров в секунду,то как же они оказались на таком растояние при скорости удаления примено 1000 раз менше скорости света.
    По логике - со коростью в 2000 километров в секунду самая удалённая галактика от ипицентра взрыва должна находится на растоянии в 1000 раз меньше(потому что скорость удаления в 1000 раз меньше) и равнятся 14.4 миллионов световых лет.
    Где я чего не допонял,зарание благодорю
    Ответить
  • TIMUA  | 04.04.2008 | 16:28 Ответить
    А почему именно эти цвета. Почему крастный, фиолтовый и т.п...
    Почему в таком порядке???
    Ответить
    • hellrised > TIMUA | 13.07.2008 | 04:15 Ответить
      КОЖЗГСФ - цвета ВИДИМОГО спектра. Крайними я вляются красный и фиолетовый, как видимые цвета с самой длинной и короткой волной.
      При смещении они же себя и появляют в большей степени, чем другие...
      Ответить
  • letters60  | 10.07.2009 | 22:03 Ответить
    А я считаю, что эффект Комптона более подходит для объяснения красного смещения, чем эффект Доплера. Фотон просто рассеивается на виртуальных частицах, и чем дольше он путешествует в этой квантовой среде, тем значительнее величина красного смещения.
    Ответить
  • letters60  | 11.07.2009 | 10:30 Ответить
    Если позволите, поделюсь с вами несколько не традиционным объяснением самого эффекта Доплера. Дело не в том, что поезд движется относительно человека на пероне - дело в том, что поезд движется относительно соприкосающейся с ним среды (или среда движется относительно поезда). В момент образования волны встречный поток среды сокращает длину волны, а попутный поток ее увеличивает. Движение принимающего объекта относительно среды приводит к обратному эффекту. Так же и со светом: фотон синеет в момент испускания и краснеет при поглощении. Сходящиеся квантовые гравитационные потоки являются встречными для испускаемого фотона и попутными для поглощаемого.
    Так бы и странствовал испущенный фотон миллионы лет не меняя длины волны если бы не эффект Комптона. На мой взгляд, эффект Комптона более подходит для объяснения красного смещения, чем эффект Доплера. Фотон просто рассеивается на виртуальных частицах, и чем дольше он путешествует в этой квантовой среде, тем значительнее величина красного смещения.
    Ответить
  • Миха  | 07.10.2009 | 12:31 Ответить
    К сообщению Olegal

    Насчет Связи с американскими Пионерами. Наблюдаются непонятные изменения частот, не согласующихся с эффекттом Доплера.Мы можем судить по частоте волны только так, как ее определяет приемник. Приемник определяет частоту, как количество полных волн, прошедших через приемник за единицу времени.Если скорость волны падает, частота (в приемнике) уменьшается. Если из-за падения скорости длина волны укорачивается, то частота соответственно увеличивается.
    Я о том, что приемник должен показывать одно и тоже количество полных волн. Сколько и каких вышло, столько подошло, столько и прошло.
    Раз это не так, то я, по простоте, могу сделать вывод,что с соотношением С/L=F что то не так.
    Я не говорю про фотоны света, которые регистрируются по энергии фотона.
    Ответить
    • fatyalink > Миха | 22.12.2009 | 11:05 Ответить
      Эффект Доплера, по определению для однородной среды. учет неоднородностей по михельсону сделан лишь для радиосигналов, и то эмпирически. мало того это Всего для одной траектории полета. может американцы и еще аппараты запускали, с которыми прошли такие же фокусы не знаю. Нужна статистика а ее нет. То что магнитное поле со светом делает, известно давно - Эффект Зеемана.и что среда со светом делает, тоже - пример световоды и вообще оптика. Что плотность эм излучения возле источника увеличивается оно само собой разумеется. отсюда и нелинейность преломления. количественные характеристики нелинейности неизвестны. Магнитное поле вокруг солнца не стационарно, бурь бы не было. что пространство по магнитным характеристикам неоднородно , так это предположить нетрудно. а эффект доплера в любой неоднородной среде работает неверно. на нем и давление среды сказывается, и температура, и движение самой среды. так что все эти разбегания, расширения, убегания мнение слепого по звуку определяющего за сотню километров приближение паровоза. так и под колеса недолго попасть. вот и с красно фиолетовыми смещениями та же картина.

      в добавление ко всему, а кто это установил для конкретного монохроматического света конкретной мощности его скорость конкретно в вакууме и в каком (степень разреженности)? в химическом, абсолютном или физическом, космическом?
      опыты а потом и голословное утверждение о 3000000 всего и вся сделаны в воздушной среде для рассеянного видимого света (белый шум), с другими частотами вообще не проверялось: ни ИК, ни Уф, ни Ри а тем более Гамма. Есть повод усомниться в правильности подхода.
      тогда любые измерения с участием воздушной или газовой среды и любой среды кроме космической не являются достоверными. в том числе и лазерная локация луны.
      это хорошо на малых расстояниях при полной уверенности в однородности среды. кстати, есть подтверждение различия скоростей в виде эффекта козырева. уф сигнал дольше видимого светового. вопрос один от какой частоты срабатывают датчики.
      Ответить
      • a_b > fatyalink | 30.08.2012 | 22:42 Ответить
        "а кто это установил для конкретного монохроматического света конкретной мощности его скорость конкретно в вакууме и в каком (степень разреженности)? в химическом, абсолютном или физическом, космическом?"
        Есть такой астрономический объект - сверхновые звезды. Их по несколько штук в год регистрируют, спектры снимают и все прочее. Так вот, они находятся так далеко, что мизерное отличие в скорости привело бы к разнице прихода в дни для разных концов спектра. Чего не наблюдается.
        Ответить
        • novoim > a_b | 17.01.2016 | 15:16 Ответить
          "Свет- это перенос средой направленных сдвигов-импульсов.
          Тело при падении, движении, своим объёмом раздвигает молекулы воды во все стороны одновременно, что мы видим в форме кругов-волн. Механизмом домино молекулы воды-частицы среды переталкивают полученные толчки-импульсы. И последняя молекула воды, от которой мы принимаем импульс, является молекулой воды -"золотой рыбкой". В космосе такими переносчиками толчков от движущихся галактик, звёзд, планет являются молекулы и атомы межзвёздной среды. Частицы не являются частями звёзд, Солнца, а они окружают приёмники света, как часть среды-электропровода. Следовательно, от источника передаются только толчки, как от костяшек домино, но сами костяшки не летают, не разлетаются от источника как при взрыве, да и сам взрыв- это тот же сдвиг, но на определённое ограниченное расстояние.
          17.1.2016г. Пивень Григорий – автор свыше 1000 научных гипотез в математике, физике, астрономии, опубликованных на форуме РАН, но и здесь их некому даже рассмотреть и оценить, ибо президент РАН упрямо не создаёт комиссию экспертов для использования научного потенциала энтузиастов- разведчиков природы в интересах науки и во славу России"-философский форум.
          Ответить
Написать комментарий

1842
Эффект Доплера
1859
1929
1948
Иллюстрация эффекта Доплера применительно к галактикам. Пунктирные линии показывают, где находилась бы спектральная линия излучения в случае стационарного источника. В верхней части спектра — синее смещение (источник излучения приближается к наблюдателю); в нижней — красное смещение (источник удаляется от наблюдателя)

Иллюстрация эффекта Доплера применительно к галактикам. Пунктирные линии показывают, где находилась бы спектральная линия излучения в случае стационарного источника. В верхней части спектра — синее смещение (источник излучения приближается к наблюдателю); в нижней — красное смещение (источник удаляется от наблюдателя)

Элементы

© 2005-2017 «Элементы»