Doppler-effekten til lydbølger

Doppler-effekten er et middel bølgeegenskaber (specifikt frekvenser) påvirkes af bevægelsen af ​​en kilde eller lytter. Billedet til højre viser, hvordan en bevægelig kilde vil forvrænge bølgerne der kommer fra den på grund af Doppler-effekten (også kendt som Doppler-skift).

Hvis du nogensinde har ventet på en jernbaneovergang og lyttet til togets fløjte, har du sandsynligvis bemærket, at fløjtenes tonehøjde ændrer sig, når den bevæger sig i forhold til din position. Tilsvarende ændrer tonehøjden for en sirene sig, når den nærmer sig og derefter passerer dig på vejen.

Overvej en situation, hvor bevægelsen er orienteret i en linje mellem lytteren L og kilden S, med retningen fra lytteren til kilden som den positive retning. Hastighederne v_L og v_S er lytterens og kildens hastigheder i forhold til bølgemediet (luft i dette tilfælde, der betragtes som hvile). Hastigheden på lydbølgen, v, betragtes altid som positiv.

Ved at anvende disse bevægelser og springe over alle de rodede afledninger får vi frekvensen hørt af lytteren (

f_L = [(v + v_L)/(v + v_S)] f_S

Hvis lytteren er i ro, så v_L = 0.
Hvis kilden er i ro, så v_S = 0.
Dette betyder, at hvis hverken kilden eller lytteren bevæger sig, så f_L = f_S, hvilket er nøjagtigt, hvad man kunne forvente.

Hvis lytteren bevæger sig mod kilden, så v_L > 0, men hvis det bevæger sig væk fra kilden så v_L < 0.

Alternativt, hvis kilden bevæger sig mod lytteren, er bevægelsen i negativ retning v_S <0, men hvis kilden bevæger sig væk fra lytteren så v_S > 0.

Doppler-effekten er grundlæggende en egenskab ved opførelsen af ​​fysiske bølger, så der er ingen grund til at tro, at den kun gælder for lydbølger. Faktisk ser det ud til, at enhver form for bølge udviser Doppler-effekten.

Det samme koncept kan ikke kun anvendes på lysbølger. Dette forskyder lyset langs det elektromagnetiske lysspektrum (begge dele) synligt lys og videre), skabe en Doppler-skift i lysbølger det kaldes enten en rødskift eller blåskift, afhængigt af om kilden og observatøren bevæger sig væk fra hinanden eller mod hinanden. I 1927 astronomen Edwin Hubble observerede lyset fra fjerne galakser skiftet på en måde, der matchede forudsigelserne af Doppler skift og var i stand til at bruge det til at forudsige den hastighed, hvormed de bevæger sig væk fra Jorden. Det viste sig, at fjerne galakser generelt bevægede sig væk fra Jorden hurtigere end nærliggende galakser. Denne opdagelse hjalp med at overbevise astronomer og fysikere (inklusiveAlbert Einstein) at universet faktisk ekspanderede i stedet for at forblive statisk i all evighed, og i sidste ende førte disse observationer til udviklingen af teorien om Big Bang.