يعد تأثير دوبلر أحد الاكتشافات الرائعة في مجال أبحاث الملكية الظواهر الموجية. تحدد طبيعتها العالمية أن الآلاف والآلاف من الأجهزة المتنوعة تعمل اليوم على أساس هذا التأثير. مجالات متنوعة النشاط البشري. هذه الظاهرة، التي سُميت على اسم مكتشفها، اكتشفها الفيزيائي النمساوي كريستيان دوبلر في منتصف القرن التاسع عشر. قام دوبلر بقياس خصائص الموجات التي تصل إلى جهاز الاستقبال من مصدر متحرك وثابت.
وإذا نظرنا إلى تأثير دوبلر في أبسط صوره، تجدر الإشارة إلى أن هذا يصف التغير في تردد الإشارة بالنسبة إلى مقدار حركة مصدر هذه الإشارة من جهاز الاستقبال الذي يستقبلها. على سبيل المثال، موجة تأتي من مصدر معين ولها تردد ثابت معين سوف يستقبلها المستقبل بتردد مختلف إذا قام المصدر والمستقبل بتغيير موقعهما بالنسبة لبعضهما البعض أثناء مرورها، أي لقد انتقلوا. في هذه الحالة، سيزيد مؤشر التردد أو ينقص، اعتمادًا على الاتجاه الذي يتحول فيه المصدر بالنسبة إلى جهاز الاستقبال. ومع الأخذ في الاعتبار تأثير دوبلر، يمكننا أن نذكر بوضوح أنه إذا ابتعد المستقبل عن المصدر، فإن قيمة تردد الموجة تنخفض. إذا اقترب المستقبل من مصدر إشعاع الموجة، فإن تردد الموجة يزداد. وبناء على ذلك، نستنتج من هذه القوانين أنه إذا لم يغير مصدر الموجة ومستقبلها موقعهما أثناء مرورها، فإن قيمة تردد الموجة ستبقى كما هي.
تحذير مهم آخر يميز تأثير دوبلر. هذه الخاصية تتعارض إلى حد ما مع القوانين. والحقيقة هي أن قيمة تغير التردد لا تتحدد فقط من خلال ما إذا كان المستقبل ومصدر الإشعاع يتحركان أم لا، ولكن أيضا من خلال ما يتحرك بالضبط. أظهرت القياسات أن تحول التردد، الذي يتحدد حسب نوع الجسم المتحرك، يكون أكثر وضوحًا، كلما قل التناقض بين سرعات إزاحة جهاز الاستقبال والمصدر من سرعة الموجة. وفي الواقع، في الحالات التي يحدث فيها تأثير دوبلر، لا يوجد أي تناقض مع النظرية النسبية، لأن المهم هنا ليس الحركة النسبية للمستقبل والمصدر، بل طبيعة حركة الموجة في المرونة. الوسط الذي يتحرك فيه.
يظهر تأثير دوبلر مثل هذه الخصائص فيما يتعلق بكل من الموجات ذات الأصل الصوتي والموجات الكهرومغناطيسية، باستثناء أنه في حالة الموجات الكهرومغناطيسية، فإن ظاهرة تحول التردد لا تعتمد على ما إذا كان المصدر أو المستقبل يتحرك.
ومع ذلك، من السهل جدًا رؤية كيفية ظهور هذا التأثير المجرد. على سبيل المثال، يمكن رؤية تأثير دوبلر في الصوتيات، أو بشكل أكثر دقة، سماعه، في اللحظة التي يقف فيها الازدحام المروري، تسمع صفارة سيارة خاصة تمر بجانبك. من المؤكد أن الجميع قد لاحظوا حقيقة أنه إذا اقتربت مثل هذه السيارة، فإن صوت صفارات الإنذار يصدر صوتًا عاليًا في اتجاه واحد، وعندما تتفوق عليك مثل هذه السيارة، فإن صوت صفارات الإنذار يبدو أقل. وهذا يؤكد بدقة وجود تغيير في قيمة تردد الإشارة الصوتية.
قيمة عظيمةيلعب تردد الدوبلر دوراً في الرادار، وبناءً على هذا التأثير فإن جميع محطات الرادار وغيرها من أجهزة الكشف عن الأجسام المتحركة تعمل في مجموعة واسعة من فروع النشاط البشري.
تُستخدم خصائصه في التكنولوجيا الطبية لتحديد تدفق الدم، كما أن إجراء مثل تخطيط صدى القلب دوبلر معروف أيضًا على نطاق واسع. وقد تم بناء أدوات الملاحة للسفن تحت الماء على أساس تأثير دوبلر، ويستخدمه خبراء الأرصاد الجوية لقياس سرعة حركة الكتل السحابية.
حتى علم الفلك يستخدم تأثير دوبلر في قياساته. وبالتالي، من خلال حجم التحول في أطياف الأجسام الفلكية المختلفة، يتم تحديد سرعة حركتها في الفضاء، على وجه الخصوص، على أساس هذا التأثير تم طرح الفرضية حول توسيع الكون.
يعتمد التردد المتصور للموجة على السرعة النسبيةمصدرها.
ربما أتيحت لك الفرصة مرة واحدة على الأقل في حياتك للوقوف بجانب الطريق الذي تمر عبره سيارة بإشارة خاصة وصفارة إنذار. مع اقتراب عواء صفارة الإنذار، تكون درجة صوتها أعلى، وبعد ذلك، عندما تصل السيارة إليك، تنخفض، وأخيرًا، عندما تبدأ السيارة في التحرك بعيدًا، تنخفض أكثر، وتصبح مألوفًا: ييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييا ييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييي فيه فيه ،،،،،،،، أص أصييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييي،،،،،،... ييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييييب المقياس. ربما دون أن تدرك ذلك، فأنت تراقب الخاصية الأساسية (والأكثر فائدة) للموجات.
الأمواج بشكل عام شيء غريب. تخيل زجاجة فارغة تتدلى بالقرب من الشاطئ. إنها تمشي صعودا وهبوطا، ولا تقترب من الشاطئ، بينما يبدو أن الماء يندفع إلى الشاطئ في الأمواج. لكن لا - يظل الماء (والزجاجة الموجودة فيه) في مكانه، ويتأرجح فقط في مستوى عمودي على سطح الخزان. وبعبارة أخرى، فإن حركة الوسط الذي تنتشر فيه الموجات لا تتوافق مع حركة الموجات نفسها. على الأقل، تعلم مشجعو كرة القدم هذا جيدًا وتعلموا استخدامه عمليًا: عند إرسال "موجة" حول الملعب، فإنهم هم أنفسهم لا يركضون في أي مكان، بل ينهضون ويجلسون بدورهم، و"الموجة" (في المملكة المتحدة، تسمى هذه الظاهرة عادة "الموجة المكسيكية" ") تدور حول المدرجات.
عادة ما يتم وصف الموجات تكرار(عدد قمم الموجة في الثانية عند نقطة المراقبة) أو طول(المسافة بين تلال أو وديان متجاورة). وترتبط هاتان الخاصيتان ببعضهما البعض من خلال سرعة انتشار الموجة في الوسط، وبالتالي، بمعرفة سرعة انتشار الموجة وإحدى خصائص الموجة الرئيسية، يمكنك بسهولة حساب الأخرى.
بمجرد أن تبدأ الموجة، يتم تحديد سرعة انتشارها فقط من خلال خصائص الوسط الذي تنتشر فيه - لم يعد مصدر الموجة يلعب أي دور. على سطح الماء، على سبيل المثال، الموجات، بمجرد إثارةها، لا تنتشر إلا بسبب تفاعل قوى الضغط، التوتر السطحيوالجاذبية. تنتشر الموجات الصوتية في الهواء (وغيرها من الوسائط الموصلة للصوت) بسبب النقل الاتجاهي لاختلافات الضغط. ولا تعتمد أي من آليات انتشار الموجة على مصدر الموجة. ومن هنا تأثير دوبلر.
دعونا نفكر مرة أخرى في مثال صفارة الإنذار. لنفترض أولاً أن السيارة الخاصة ثابتة. يصل إلينا صوت صفارة الإنذار لأن الغشاء المرن الموجود بداخلها يعمل بشكل دوري على الهواء، مما يؤدي إلى ضغطه - مناطقه ضغط دم مرتفع- بالتناوب مع الخلخلة. تنتشر قمم الضغط - "قمم" الموجة الصوتية - عبر الوسط (الهواء) حتى تصل إلى آذاننا وتؤثر على طبلة الأذن، التي ترسل إشارة إلى دماغنا (هذه هي الطريقة التي يعمل بها السمع). نحن نطلق تقليديًا على تردد اهتزازات الصوت التي ندركها على أنها نغمة أو طبقة صوت: على سبيل المثال، تردد اهتزاز يبلغ 440 هرتز في الثانية يتوافق مع النغمة "A" للأوكتاف الأول. لذلك، بينما تكون المركبة الخاصة ثابتة، سنستمر في سماع نغمة إشارتها دون تغيير.
ولكن بمجرد أن تبدأ السيارة الخاصة في التحرك في اتجاهك، ستضيف تأثير جديد. خلال الفترة الممتدة من انبعاث ذروة موجة إلى أخرى، ستسافر السيارة مسافة معينة نحوك. ولهذا السبب، سيكون مصدر كل ذروة موجة لاحقة أقرب. ونتيجة لذلك، ستصل الموجات إلى أذنيك في كثير من الأحيان أكثر مما كانت عليه عندما كانت السيارة متوقفة، وستزداد طبقة الصوت التي تسمعها. وعلى العكس من ذلك، إذا بدأت السيارة الخاصة في غير إتجاهقمم الموجات الصوتيةسيصل إلى أذنيك بشكل أقل وسيقل التردد المدرك للصوت. هذا هو السبب وراء انخفاض صوت صفارة الإنذار عند مرور سيارة بها إشارات خاصة.
لقد نظرنا إلى تأثير دوبلر فيما يتعلق بالموجات الصوتية، لكنه على قدم المساواةينطبق على أي شخص آخر. إذا كان المصدر ضوء مرئييقترب منا، الطول الموجي الذي نراه يقصر، ونلاحظ ما يسمى التحول الأرجواني(من الكل الألوان المرئيةمقاييس طيف الضوءالبنفسجي يتوافق مع أقصر الأطوال الموجية). إذا تحرك المصدر بعيدا، هناك تحول واضح نحو الجزء الأحمر من الطيف (إطالة الموجات).
تم تسمية هذا التأثير على اسم كريستيان يوهان دوبلر، الذي تنبأ به لأول مرة من الناحية النظرية. لقد أثار تأثير دوبلر اهتمامي طوال حياتي بسبب كيفية اختباره تجريبيًا لأول مرة. قام العالم الهولندي كريستيان بايز بالوت (1817-1870) بوضع فرقة نحاسية في عربة سكة حديد مفتوحة، وعلى المنصة تجمعت مجموعة من الموسيقيين ذوي النغمات المطلقة. (طبقة الصوت المثالية هي القدرة، بعد الاستماع إلى ملاحظة ما، على تسميتها بدقة.) في كل مرة يمر فيها قطار بعربة موسيقية بالمنصة، تعزف الفرقة النحاسية نغمة، ويقوم المراقبون (المستمعون) بتدوين المقطوعة الموسيقية التي سمعوها. كما هو متوقع، كانت طبقة الصوت الظاهرة تعتمد بشكل مباشر على سرعة القطار، والتي، في الواقع، تم التنبؤ بها من خلال قانون دوبلر.
يستخدم تأثير دوبلر على نطاق واسع في العلوم وفي الحياة اليومية. يتم استخدامه في رادارات الشرطة في جميع أنحاء العالم للقبض على منتهكي القواعد وتغريمهم. مرورتتجاوز السرعة. يصدر مسدس الرادار إشارة موجة راديوية (عادةً في نطاق الترددات العالية جدًا أو نطاق الميكروويف) تنعكس على الجسم المعدني لسيارتك. تعود الإشارة إلى الرادار من خلال إزاحة تردد دوبلر، والتي تعتمد قيمتها على سرعة السيارة. ومن خلال مقارنة ترددات الإشارات الصادرة والواردة، يقوم الجهاز تلقائيًا بحساب سرعة سيارتك وعرضها على الشاشة.
وجد تأثير دوبلر تطبيقًا أكثر خصوصية إلى حد ما في الفيزياء الفلكية: على وجه الخصوص، قام إدوين هابل، لأول مرة، بقياس المسافات إلى أقرب المجراتعلى أحدث التلسكوب، اكتشفهم في نفس الوقت في الطيف الإشعاع الذريإزاحة دوبلر الحمراء والتي استنتج منها أن المجرات تبتعد عنا ( سم.قانون هابل). في الواقع، كان هذا استنتاجًا واضحًا كما لو أنك، بعد أن أغمضت عينيك، سمعت فجأة أن نغمة محرك سيارة من طراز كنت على دراية به كانت أقل من اللازم، وخلصت إلى أن السيارة كانت تبتعد عن أنت. علاوة على ذلك، متى اكتشف هابل ما هو المجرة القادمةكلما كان التحول الأحمر أقوى (وأسرع بعيدًا عنا) أدرك أن الكون يتوسع. كانت هذه هي الخطوة الأولى نحو نظرية الانفجار الكبير، وهذا شيء أكثر خطورة من قطار بفرقة نحاسية.
كريستيان يوهان دوبلر، 1803-53
عالم فيزياء نمساوي. ولد في سالزبورغ في عائلة البناء. تخرج معهد البوليتكنيكبقي هناك في فيينا في مناصب تدريسية مبتدئة حتى عام 1835، عندما تلقى عرضًا لرئاسة قسم الرياضيات في جامعة براغ، مما أجبره في اللحظة الأخيرة على التخلي عن قراره الطويل الأمد بالهجرة إلى أمريكا، يائسًا من ذلك. تحقيق الاعتراف في الأوساط الأكاديمية في المنزل. أنهى حياته المهنية كأستاذ في الجامعة الملكية الإمبراطورية في فيينا.
- أهم ظاهرة في فيزياء الموجات. قبل الانتقال مباشرة إلى جوهر الموضوع، هناك القليل من النظرية التمهيدية.
تردد– بدرجة أو بأخرى، عملية متكررة لتغيير حالة النظام حول موضع التوازن. موجة- وهي ذبذبة يمكن أن تبتعد عن مكان نشأتها وتنتشر في الوسط. وتتميز الأمواج السعة, طولو تكرار. الصوت الذي نسمعه هو موجة، أي. الاهتزازات الميكانيكيةجزيئات الهواء تنتشر من مصدر الصوت.
متسلحين بمعلومات عن الموجات، فلننتقل إلى تأثير دوبلر. وإذا كنت تريد معرفة المزيد عن الاهتزازات والموجات والرنين، فمرحبًا بك في مدونتنا.
جوهر تأثير دوبلر
المثال الأكثر شيوعًا والأبسط الذي يشرح جوهر تأثير دوبلر هو مراقب ثابت وسيارة بها صفارة إنذار. لنفترض أنك تقف في محطة للحافلات. سيارة إسعاف مع صفارة الإنذار تتجه نحوك في الشارع. تردد الصوت الذي ستسمعه عند اقتراب السيارة ليس هو نفسه.
سيكون الصوت في البداية ذو تردد أعلى عندما تتوقف السيارة. سوف تسمع التردد الحقيقي لصوت صفارة الإنذار، وسوف يقل تردد الصوت كلما ابتعدت. هذا ما هو عليه تأثير دوبلر.
يتغير التردد والطول الموجي للإشعاع الذي يراه المراقب بسبب حركة مصدر الإشعاع.
إذا سُئل كاب من اكتشف تأثير دوبلر، سيجيب دون تردد أن دوبلر هو من اكتشف ذلك. وسيكون على حق. هذه الظاهرة، مثبتة نظريا في 1842 سنة من قبل الفيزيائي النمساوي كريستيان دوبلر، وسمي فيما بعد باسمه. وقد استمد دوبلر نظريته بنفسه من خلال ملاحظة التموجات على الماء واقتراح إمكانية تعميم الملاحظات على جميع الموجات. أصبح من الممكن لاحقًا تأكيد تأثير دوبلر للصوت والضوء تجريبيًا.
أعلاه نظرنا إلى مثال لتأثير دوبلر موجات صوتية. ومع ذلك، فإن تأثير دوبلر لا ينطبق فقط على الصوت. هناك:
- تأثير دوبلر الصوتية.
- تأثير دوبلر البصري.
- تأثير دوبلر ل موجات كهرومغناطيسية;
- تأثير دوبلر النسبي.
لقد كانت التجارب على الموجات الصوتية هي التي ساعدت في تقديم أول تأكيد تجريبي لهذا التأثير.
التأكيد التجريبي لتأثير دوبلر
يرتبط تأكيد صحة منطق كريستيان دوبلر بواحد من الأشياء المثيرة للاهتمام وغير العادية التجارب الفيزيائية. في 1845 عالم الأرصاد الجوية من هولندا الاقتراع المسيحيأخذ قاطرة قوية وأوركسترا مكونة من موسيقيين ذوي نغمة مثالية. ركب بعض الموسيقيين - وكانوا عازفي البوق - في المنطقة المفتوحة للقطار وكانوا يعزفون نفس النغمة باستمرار. لنفترض أنها كانت A من الأوكتاف الثاني.
وكان موسيقيون آخرون في المحطة يستمعون إلى ما كان يعزفه زملاؤهم. أدى السمع المطلق لجميع المشاركين في التجربة إلى تقليل احتمالية الخطأ إلى الحد الأدنى. استمرت التجربة يومين، وكان الجميع متعبين، وتم حرق الكثير من الفحم، لكن النتائج كانت تستحق العناء. اتضح أن درجة الصوت تعتمد حقًا على السرعة النسبية للمصدر أو المراقب (المستمع).
تطبيق تأثير دوبلر
أحد التطبيقات الأكثر شهرة هو تحديد سرعة الأجسام المتحركة باستخدام مستشعرات السرعة. تنعكس إشارات الراديو التي يرسلها الرادار من السيارات وتعود مرة أخرى. في هذه الحالة، يرتبط إزاحة التردد الذي تعود عنده الإشارات ارتباطًا مباشرًا بسرعة الآلة. ومن خلال مقارنة السرعة وتغير التردد، يمكن حساب السرعة.
يستخدم تأثير دوبلر على نطاق واسع في الطب. ويستند تشغيل الأجهزة على ذلك التشخيص بالموجات فوق الصوتية. هناك تقنية منفصلة في الموجات فوق الصوتية تسمى تصوير الدوبلر.
كما يستخدم تأثير دوبلر في بصريات, الصوتيات, إلكترونيات الراديو, الفلك, رادار.
بالمناسبة! لقرائنا هناك الآن خصم 10٪ على
لعبت اكتشاف تأثير دوبلر دور مهمأثناء التكوين الفيزياء الحديثة. أحد التأكيدات نظريات .الانفجار العظيم ويستند على هذا التأثير. ما هي العلاقة بين تأثير دوبلر والانفجار الكبير؟ وفقا لنظرية الانفجار الكبير، الكون يتوسع.
عند مراقبة المجرات البعيدة، يلاحظ التحول الأحمر - تحول الخطوط الطيفية إلى الجانب الأحمر من الطيف. من خلال شرح التحول الأحمر باستخدام تأثير دوبلر، يمكننا استخلاص استنتاج يتوافق مع النظرية: المجرات تتحرك بعيدًا عن بعضها البعض، والكون يتوسع.
صيغة لتأثير دوبلر
عندما تم انتقاد نظرية تأثير دوبلر، كانت إحدى الحجج التي ساقها معارضو العالم هي أن النظرية وردت في ثماني صفحات فقط، وأن اشتقاق صيغة تأثير دوبلر لم يكن يحتوي على حسابات رياضية مرهقة. في رأينا، هذه مجرد ميزة إضافية!
يترك ش - سرعة المستقبل بالنسبة للوسط، الخامس - سرعة مصدر الموجة بالنسبة للوسط، مع - سرعة انتشار الموجات في الوسط، w0 - تردد موجات المصدر. ثم صيغة تأثير دوبلر نفسه الحالة العامةسوف تبدو مثل هذا:
هنا ث - التردد الذي سيسجله جهاز الاستقبال.
تأثير دوبلر النسبي
على النقيض من تأثير دوبلر الكلاسيكي، عندما تنتشر الموجات الكهرومغناطيسية في الفراغ، لحساب تأثير دوبلر، يجب استخدام SRT ويجب أن يؤخذ تمدد الزمن النسبي في الاعتبار. دع الضوء - مع , الخامس - سرعة المصدر بالنسبة للمستقبل، ثيتا - الزاوية بين الاتجاه إلى المصدر ومتجه السرعة المرتبط بالنظام المرجعي للمستقبل. ثم ستبدو صيغة تأثير دوبلر النسبي كما يلي:
تحدثنا اليوم عن التأثير الأكثر أهمية في عالمنا - تأثير دوبلر. هل تريد أن تتعلم كيفية حل مشاكل تأثير دوبلر بسرعة وسهولة؟ اسألهم وسيكونون سعداء بمشاركة تجربتهم! وفي النهاية - المزيد عن نظرية الانفجار الكبير وتأثير دوبلر.
هل سبق لك أن لاحظت وجود صوت صفارة السيارة ارتفاعات مختلفةمتى يقترب أو يبتعد عنك؟
ربما يكون الاختلاف في تردد صافرة أو صفارة الإنذار للقطار أو السيارة المتراجعة والمقتربة هو المثال الأكثر وضوحًا وانتشارًا لتأثير دوبلر. تم اكتشاف هذا التأثير نظريًا من قبل الفيزيائي النمساوي كريستيان دوبلر، وقد لعب هذا التأثير لاحقًا دورا رئيسيافي العلوم والتكنولوجيا.
بالنسبة للمراقب، سيكون الطول الموجي للإشعاع معنى مختلفبسرعات مختلفة للمصدر بالنسبة للمراقب. ومع اقتراب المصدر، يقل الطول الموجي، وكلما ابتعد عنه، يزداد. ونتيجة لذلك، يتغير التردد أيضًا مع طول الموجة. ولذلك، فإن تردد صافرة القطار المقترب يكون أعلى بشكل ملحوظ من تردد الصافرة أثناء تحركه بعيدًا. في الواقع، هذا هو جوهر تأثير دوبلر.
يكمن تأثير دوبلر في تشغيل العديد من أدوات القياس والبحث. اليوم يستخدم على نطاق واسع في الطب والطيران والملاحة الفضائية وحتى الحياة اليومية. يعمل تأثير دوبلر على تشغيل الملاحة عبر الأقمار الصناعية ورادارات الطرق وأجهزة الموجات فوق الصوتية وأجهزة الإنذار الأمنية. لقد أصبح تأثير دوبلر قابلاً للتطبيق على نطاق واسع في بحث علمي. وربما هو الأكثر شهرة في علم الفلك.
شرح التأثير
لفهم طبيعة تأثير دوبلر، ما عليك سوى إلقاء نظرة على سطح الماء. تُظهر الدوائر الموجودة على الماء المكونات الثلاثة لأي موجة بشكل مثالي. دعونا نتخيل أن بعض العوامات الثابتة تخلق دوائر. في هذه الحالة، فإن الفترة تتوافق مع الوقت المنقضي بين انبعاث الدائرة الواحدة والدائرة التالية. التردد يساوي عدد الدوائر المنبعثة من العوامة في فترة زمنية معينة. سيكون الطول الموجي مساوياً للفرق في نصف قطر دائرتين منبعثتين على التوالي (المسافة بين قمتين متجاورتين).
دعونا نتخيل أن القارب يقترب من هذا الطفو الثابت. وبما أنه يتحرك نحو التلال، ستضاف سرعة القارب إلى سرعة انتشار الدوائر. لذلك، بالنسبة للقارب، ستزداد سرعة التلال القادمة. سوف ينخفض الطول الموجي في نفس الوقت. وبالتالي فإن الزمن الذي سيمضي بين اصطدام دائرتين متجاورتين على جانب القارب سيقل. بمعنى آخر، ستنخفض الفترة، وبالتالي سيزداد التردد. وبنفس الطريقة، بالنسبة للقارب المتراجع، فإن سرعة القمم التي ستلحق به ستنخفض، وسيزداد طول الموجة. مما يعني زيادة الدورة وتقليل التردد.
تخيل الآن أن العوامة تقع بين قاربين ثابتين. علاوة على ذلك، فإن الصياد الموجود على أحدهم يسحب العوامة نحو نفسه. باكتساب السرعة بالنسبة للسطح، يستمر العوامة في إصدار نفس الدوائر تمامًا. ومع ذلك، سيتم إزاحة مركز كل دائرة لاحقة بالنسبة لمركز الدائرة السابقة نحو القارب الذي تقترب منه العوامة. لذلك، على جانب هذا القارب، سيتم تقليل المسافة بين التلال. اتضح أن الدوائر ذات الطول الموجي المنخفض، وبالتالي مع فترة زمنية منخفضة وتكرار متزايد، ستأتي إلى القارب مع قيام الصياد بسحب العوامة. وبالمثل، فإن الأمواج ذات الطول المتزايد والدورة المنخفضة والتكرار ستصل إلى صياد آخر.
نجوم متعددة الألوان
وقد لاحظ كريستيان دوبلر ذات مرة مثل هذه الأنماط من التغيرات في خصائص الأمواج على سطح الماء. ووصف كل حالة من هذه الحالات رياضيًا وطبق البيانات التي تم الحصول عليها على الصوت والضوء، اللذين لهما أيضًا طبيعة موجية. اقترح دوبلر أن لون النجوم يعتمد بشكل مباشر على السرعة التي تقترب بها منا أو تبتعد عنها. وقد أوجز هذه الفرضية في مقال قدمه عام 1842.
لاحظ أن دوبلر كان مخطئًا بشأن لون النجوم. كان يعتقد أن كل النجوم تشع لون أبيض، والتي يتم تشويهها لاحقًا بسبب سرعتها بالنسبة للمراقب. في الواقع، تأثير دوبلر لا يؤثر على لون النجوم، بل على نمط طيفها. بالنسبة للنجوم التي تبتعد عنا، فإن جميع خطوط الطيف المظلمة ستزيد من الطول الموجي - وتتحول إلى اللون الأحمر. وهذا التأثير مثبت في العلم تحت اسم "التحول الأحمر". وعلى العكس من ذلك، عند اقتراب النجوم، تميل الخطوط إلى الجزء من الطيف ذي التردد الأعلى - وهو اللون البنفسجي.
تم التنبؤ بهذه الميزة للخطوط الطيفية، بناءً على صيغ دوبلر، نظريًا في عام 1848 من قبل الفيزيائي الفرنسي أرماند فيزو. تم تأكيد ذلك تجريبيًا في عام 1868 بواسطة ويليام هوجينز، الذي قدم مساهمة كبيرة في الدراسة الطيفية للفضاء. بالفعل في القرن العشرين، كان تأثير دوبلر للخطوط في الطيف يسمى "التحول الأحمر"، والذي سنعود إليه.
حفلة موسيقية على القضبان
في عام 1845، أجرى عالم الأرصاد الجوية الهولندي بويس-بالوت، وبعد ذلك دوبلر نفسه، سلسلة من التجارب لاختبار تأثير دوبلر "الصوتي". وفي كلتا الحالتين، استخدموا التأثير المذكور سابقًا وهو بوق القطار المقترب والمغادر. لعبت دور الصافرة مجموعات من عازفي الأبواق الذين عزفوا نغمة معينة أثناء وجودهم في عربة مفتوحة لقطار متحرك.
أرسل Beuys-Ballot عازفي البوق إلى الأشخاص ذوي السمع الجيد، الذين سجلوا التغيير في النغمة بسرعات مختلفة للتكوين. ثم كرر هذه التجربة، حيث وضع عازفي الأبواق على منصة والمستمعين في عربة. سجل دوبلر تنافر نغمات مجموعتين من عازفي الأبواق، الذين اقتربوا منه وابتعدوا عنه في نفس الوقت، وهم يعزفون نغمة واحدة.
وفي كلتا الحالتين تم تأكيد تأثير دوبلر للموجات الصوتية بنجاح. علاوة على ذلك، يمكن لكل واحد منا إجراء هذه التجربة الحياة اليوميةوتأكد من ذلك بنفسك. لذلك، على الرغم من انتقاد المعاصرين لتأثير دوبلر، إلا أن المزيد من الأبحاث جعلته لا يمكن إنكاره.
كما ذكرنا سابقًا، يتم استخدام تأثير دوبلر لتحديد السرعة الأجسام الفضائيةنسبة إلى المراقب.
تقع الخطوط الداكنة على طيف الأجسام الكونية دائمًا في البداية في مكان ثابت تمامًا. يتوافق هذا الموقع مع الطول الموجي للامتصاص لعنصر معين. بالنسبة لجسم يقترب أو يبتعد، تغير جميع النطاقات مواقعها إلى المنطقة البنفسجية أو الحمراء من الطيف، على التوالي. مقارنة الخطوط الطيفيةأرضي العناصر الكيميائيةوباستخدام خطوط متشابهة على أطياف النجوم، يمكننا تقدير مدى سرعة اقتراب جسم ما أو ابتعاده عنا.
تم اكتشاف الانزياح الأحمر في أطياف المجرات من قبل عالم الفلك الأمريكي فيستو سليفر في عام 1914. وقارن مواطنه إدوين هابل المسافات بالمجرات التي اكتشفها بحجم انزياحها الأحمر. لذلك توصل في عام 1929 إلى استنتاج مفاده أنه كلما كانت المجرة أبعد، كلما زادت سرعة ابتعادها عنا. وكما اتضح لاحقا، فإن القانون الذي اكتشفه كان غير دقيق إلى حد ما ولم يتم وصفه بشكل صحيح تماما صورة حقيقية. ومع ذلك، حدد هابل الاتجاه الصحيح لـ مزيد من البحوثعلماء آخرون قدموا فيما بعد مفهوم الانزياح الأحمر الكوني.
على عكس انزياح دوبلر نحو الأحمر، الذي ينشأ من الحركة الصحيحة للمجرات بالنسبة لنا، فإن الانزياح الكوني نحو الأحمر ينشأ من توسع الفضاء. كما تعلمون، فإن الكون يتوسع بشكل موحد في كامل حجمه. لذلك، كلما كانت المجرتان بعيدتين عن بعضهما البعض، كلما ابتعدتا عن بعضهما البعض بشكل أسرع. لذا فإن كل فرسخ فلكي بين المجرات سيبعدها عن بعضها البعض بنحو 70 كيلومترًا في الثانية. وتسمى هذه الكمية بثابت هابل. ومن المثير للاهتمام أن هابل نفسه قدّر في البداية ثابته بما يصل إلى 500 كيلومتر في الثانية لكل ميغا فرسخ فلكي.
ويفسر ذلك بحقيقة أنه لم يأخذ في الاعتبار حقيقة أن الانزياح الأحمر لأي مجرة هو مجموع انزياحين مختلفين نحو الأحمر. بالإضافة إلى كونها مدفوعة بتوسع الكون، تخضع المجرات أيضًا لحركاتها الخاصة. إذا كان للانزياح الأحمر النسبي نفس التوزيع لجميع المسافات، فإن انزياح دوبلر للأحمر يقبل أكثر التناقضات التي لا يمكن التنبؤ بها. بعد كل ذلك الحركة الخاصةتعتمد المجرات الموجودة داخل مجموعاتها فقط على تأثيرات الجاذبية المتبادلة.
المجرات القريبة والبعيدة
بين المجرات القريبة، لا ينطبق ثابت هابل عمليا على تقدير المسافات بينها. على سبيل المثال، مجرة المرأة المسلسلة بالنسبة لنا لديها تحول كلي إلى اللون البنفسجي، مع اقترابها درب التبانةوبسرعة حوالي 150 كيلومترا في الثانية. وإذا طبقنا عليها قانون هابل، فلا بد أنها تبتعد عن مجرتنا بسرعة 50 كيلومترا في الثانية، وهو ما لا يتوافق مع الواقع على الإطلاق.
بالنسبة للمجرات البعيدة، يكون انزياح دوبلر نحو الأحمر غير محسوس تقريبًا. تعتمد سرعة إزالتها منا بشكل مباشر على المسافة، ومع وجود خطأ بسيط، تتوافق مع ثابت هابل. لذا فإن أبعد النجوم الزائفة تبتعد عنا بسرعة أكبر من سرعة الضوء. ومن الغريب أن هذا لا يتعارض مع النظرية النسبية، لأن هذه هي سرعة توسيع الفضاء، وليس الأشياء نفسها. لذلك، من المهم أن نكون قادرين على التمييز بين انزياح دوبلر نحو الأحمر وبين الانزياح الكوني.
ومن الجدير بالذكر أيضًا أنه في حالة الموجات الكهرومغناطيسية، تحدث تأثيرات نسبية أيضًا. إن التشويه المصاحب للزمن والتغيرات في الأبعاد الخطية عندما يتحرك الجسم بالنسبة للراصد يؤثر أيضًا على طبيعة الموجة. كما هو الحال في أي حال مع الآثار النسبية
وبطبيعة الحال، من دون تأثير دوبلر، الذي مكّن من اكتشاف الانزياح الأحمر، لم نكن لنعرف عن البنية واسعة النطاق للكون. ومع ذلك، فإن علماء الفلك مدينون بأكثر من ذلك لخاصية الموجات.
يمكن لتأثير دوبلر اكتشاف الانحرافات الطفيفة في مواقع النجوم، والتي يمكن أن تنشأ عن الكواكب التي تدور حولها. وبفضل هذا، تم اكتشاف مئات الكواكب الخارجية. ويستخدم أيضًا لتأكيد وجود الكواكب الخارجية التي تم اكتشافها مسبقًا باستخدام طرق أخرى.
لعبت تأثير دوبلر دور الحاسمفي دراسة أنظمة النجوم القريبة. عندما يكون نجمان قريبين جدًا بحيث لا يمكن رؤيتهما بشكل منفصل، فإن تأثير دوبلر يأتي لمساعدة علماء الفلك. يسمح لك بتتبع الحركة المتبادلة غير المرئية للنجوم على طول طيفها. هذه أنظمة النجومحتى أنهم حصلوا على اسم "المزدوج البصري".
باستخدام تأثير دوبلر، لا يمكنك تقدير السرعة فقط كائن فضائيولكن أيضًا سرعة دورانه وتوسعه وسرعة تدفقاته الجوية وغير ذلك الكثير. يتم قياس سرعة حلقات زحل، وتوسع السدم، ونبضات النجوم بفضل هذا التأثير. حتى أنها تستخدم لتحديد درجة حرارة النجوم، لأن درجة الحرارة هي أيضًا مؤشر للحركة. يمكننا القول أن علماء الفلك المعاصرين يقيسون تقريبًا كل ما يتعلق بسرعات الأجسام الفضائية باستخدام تأثير دوبلر.
يتم وصف تأثير دوبلر بالصيغة:
أين هو تردد الموجة المسجل بواسطة جهاز الاستقبال؟ - تردد الموجة المنبعثة من المصدر؛ - في البيئة؛ وهي سرعات المستقبل والمصدر بالنسبة للوسط المرن، على التوالي.
إذا اقترب مصدر الصوت من جهاز الاستقبال، فإن سرعته تحمل علامة زائد. إذا تحرك المصدر بعيدًا عن جهاز الاستقبال، فإن سرعته تحمل علامة ناقص.
يتضح من الصيغة أنه عندما يتحرك المصدر والمستقبل بطريقة تقل المسافة بينهما، فإن التردد الذي يدركه المستقبل يتبين أنه أكبر من تردد المصدر. وإذا زادت المسافة بين المصدر والمستقبل فإنها تقل عن .
تأثير دوبلر هو أساس الرادارات التي يحدد بها ضباط شرطة المرور سرعة السيارة. في الطب، يتم استخدام تأثير دوبلر جهاز بالموجات فوق الصوتيةتمييز الأوردة والشرايين عند إجراء الحقن. بفضل تأثير دوبلر، وجد علماء الفلك أن الكون يتوسع - المجرات تتحرك بعيدا عن بعضها البعض. باستخدام تأثير دوبلر، يتم تحديد معلمات حركة الكواكب والمركبات الفضائية.
أمثلة على حل المشكلات
مثال 1
| يمارس | تقترب سيارتان من بعضهما البعض على الطريق السريع بسرعات م/ث و م/ث. الأول منهم ينتج إشارة صوتية بتردد 600 هرتز. تحديد تردد الإشارة التي سيسمعها سائق السيارة الثانية: أ) قبل الاجتماع؛ ب) بعد الاجتماع. سرعة الصوت تساوي 348 م/ث. |
| حل | قبل اللقاء تقترب السيارات من بعضها البعض أي. وتتناقص المسافة بينهما ويقترب مصدر الصوت (السيارة الأولى) من مستقبل الصوت (السيارة الثانية)، فتدخل سرعة السيارة الأولى في المعادلة بعلامة الزائد. دعونا نحسب:
وبعد الاجتماع تبتعد السيارات عن بعضها البعض أي. سيتحرك مصدر الإشارة الصوتية بعيدًا عن جهاز الاستقبال، وبالتالي ستدخل سرعة المصدر في الصيغة بعلامة الطرح:
|
| إجابة | تردد الإشارة التي سيسمعها سائق السيارة الثانية قبل لقاء الأولى سيكون 732 هرتز، وبعد اللقاء – 616 هرتز. |
هرتز
هرتزمثال 2
| يمارس | يقترب قطار سريع من قطار كهربائي يقف على السكة بسرعة 72 كم/ساعة. يصدر القطار الكهربائي إشارة صوتية بتردد 0.6 كيلو هرتز. تحديد التردد الظاهري للإشارة الصوتية التي سيسمعها سائق القطار السريع. من المفترض أن سرعة الصوت تساوي 340 م/ث. |
| حل | دعونا نكتب صيغة تأثير دوبلر: في الإطار المرجعي المرتبط بقطار سريع، يكون سائق القطار السريع (مستقبل الإشارة) ثابتًا، وبالتالي، ويتحرك القطار الكهربائي (مصدر الإشارة) نحو القطار السريع بسرعة، والتي لها علامة زائد، نظرًا لأن تقل المسافة بين مصدر الإشارة الصوتية وجهاز الاستقبال. دعونا نحول الوحدات إلى نظام SI: سرعة حركة قطار كهربائي بالنسبة لقطار سريع كم/ساعة م/ث؛ تردد الإشارة الصوتية للقطار الكهربائي كيلو هرتز هرتز. دعونا نحسب:
|
| إجابة | التردد الظاهري الذي سيسمعه سائق القطار السريع هو 638 هرتز. |
هرتزمثال 3
| يمارس | يمر قطار كهربائي على رصيف السكة الحديد. يسمع مراقب يقف على الرصيف صوت صفارة إنذار القطار. متى سيأتي القطار؟ يسمع مراقب صوتًا تردده 1100 هرتز أثناء تحرك القطار بعيدًا، والتردد الظاهري للصوت هو 900 هرتز. أوجد سرعة القاطرة الكهربائية وتكرار الصوت الصادر عن صفارة الإنذار. سرعة الصوت في الهواء تساوي 340 م/ث. |
| حل | وبما أن المراقب الذي يقف على المنصة لا يتحرك، فإن سرعة جهاز الاستقبال هي . دعونا نكتب صيغة تأثير دوبلر في كلتا الحالتين. أ) عندما يقترب القطار:
ب) عندما يتحرك القطار بعيدا:
دعونا نعبر عن ترددات إشارة صوت صفارة الإنذار ونساوي الأطراف اليمنى من المساواة الناتجة: |
