Athari ya Doppler ni moja ya uvumbuzi wa ajabu katika uwanja wa utafiti wa mali matukio ya wimbi. Asili yake ya ulimwengu huamua kuwa leo maelfu na maelfu ya anuwai ya vifaa hufanya kazi kwa msingi wa athari hii. nyanja mbalimbali shughuli za binadamu. Jambo hilo, ambalo lilipewa jina la mgunduzi wake, liligunduliwa na mwanafizikia wa Austria Christian Doppler nyuma katikati ya karne ya kumi na tisa. Doppler ilipima mali ya mawimbi ambayo yalifika kwa mpokeaji kutoka kwa chanzo cha kusonga na cha kusimama.
Ikiwa tunazingatia athari ya Doppler kwa fomu yake rahisi, ni lazima ieleweke kwamba hii inaelezea mabadiliko katika mzunguko wa ishara kuhusiana na kiasi cha harakati ya chanzo cha ishara hii kutoka kwa mpokeaji anayeipokea. Kwa mfano, wimbi linalotoka kwa chanzo fulani na ambalo lina masafa fulani ya kudumu litapokelewa na mpokeaji kwa masafa tofauti ikiwa, wakati wa kupita, chanzo na mpokeaji wamebadilisha eneo lao kulingana na kila mmoja, ambayo ni. , wamehama. Katika kesi hii, kiashiria cha mzunguko kitaongezeka au kupungua, kulingana na mwelekeo ambao chanzo kinahamishwa kuhusiana na mpokeaji. Kwa kuzingatia athari ya Doppler, tunaweza kusema wazi kwamba ikiwa mpokeaji anaondoka kutoka kwa chanzo, thamani ya mzunguko wa wimbi hupungua. Ikiwa mpokeaji anakaribia chanzo cha mionzi ya wimbi, basi mzunguko wa wimbi huongezeka. Ipasavyo, kutokana na sheria hizi inahitimishwa kwamba ikiwa chanzo na mpokeaji wa wimbi hawajabadilisha eneo lao wakati wa kifungu chake, basi thamani ya mzunguko wa wimbi itabaki sawa.
Tahadhari nyingine muhimu ambayo ni sifa ya athari ya Doppler. Mali hii, kwa kiasi fulani, inapingana na sheria.Ukweli ni kwamba thamani ya mabadiliko ya mzunguko imedhamiriwa sio tu na ikiwa mpokeaji na chanzo cha mionzi kinasonga au la, lakini pia kwa kile kinachosonga. Vipimo vimeonyesha kuwa mabadiliko ya mzunguko, yaliyoamuliwa na aina gani ya kitu kinachosonga, inaonekana zaidi, tofauti ndogo kati ya kasi ya uhamishaji ya mpokeaji na chanzo kutoka kwa kasi ya wimbi. Kwa kweli, katika hali ambapo athari ya Doppler hutokea, hakuna kupingana na nadharia ya uhusiano hupatikana, kwa sababu muhimu hapa sio harakati ya jamaa ya mpokeaji na chanzo, lakini asili ya harakati ya wimbi katika elastic. kati ambayo inasonga.
Athari ya Doppler huonyesha sifa kama hizo kuhusiana na mawimbi ya asili ya akustika na mawimbi ya sumakuumeme, isipokuwa kwa mawimbi ya sumakuumeme, matukio ya kuhama kwa mzunguko hayategemei ikiwa chanzo au kipokezi kinasonga.
Jinsi athari hii ya dhahania inavyojidhihirisha, hata hivyo, ni rahisi kuona. Kwa mfano, athari ya Doppler katika acoustics inaweza kuonekana, au kwa usahihi zaidi, kusikika, wakati, umesimama. msongamano wa magari, unasikia king'ora cha gari maalum likipita. Hakika kila mtu ameona ukweli kwamba ikiwa gari kama hilo linakaribia, sauti ya siren inasikika kwa njia moja, juu, na wakati gari kama hilo linakupata, sauti ya siren inasikika chini. Hii inathibitisha kwa usahihi kuwepo kwa mabadiliko katika thamani ya mzunguko wa ishara ya acoustic.
Thamani kubwa Marudio ya Doppler ina jukumu katika rada, kuhusiana na. Kulingana na athari hii, vituo vyote vya rada na vifaa vingine vya kutambua vitu vinavyosogea hufanya kazi katika aina mbalimbali za shughuli za binadamu.
Sifa zake hutumiwa katika teknolojia ya matibabu kuamua mtiririko wa damu; utaratibu kama vile echocardiography ya Doppler pia inajulikana sana. Vyombo vya urambazaji vya vyombo vya chini ya maji vimejengwa kwa msingi wa athari ya Doppler, na wataalamu wa hali ya hewa hutumia kupima kasi ya harakati ya raia wa mawingu.
Hata unajimu hutumia athari ya Doppler katika vipimo vyake. Kwa hiyo, kwa ukubwa wa mabadiliko katika spectra ya vitu mbalimbali vya angani, kasi yao ya harakati katika nafasi imedhamiriwa, hasa, ilikuwa kwa msingi wa athari hii kwamba hypothesis juu ya upanuzi wa Ulimwengu iliwekwa mbele.
Mzunguko unaoonekana wa wimbi hutegemea kasi ya jamaa chanzo chake.
Labda angalau mara moja katika maisha yako ulipata fursa ya kusimama kando ya barabara ambayo gari lenye ishara maalum na king'ora kinapita kwa kasi. Wakati vilio vya ving'ora vinakaribia, sauti yake ni ya juu zaidi, basi, gari linapokamatwa na wewe, hupungua, na hatimaye, wakati gari linapoanza kuondoka, hupungua tena, na inageuka kuwa ya kawaida: Y- kama vile mwanachama mwenye sauti. Labda bila kutambua, unazingatia mali ya msingi (na muhimu zaidi) ya mawimbi.
Mawimbi kwa ujumla ni jambo la kushangaza. Fikiria chupa tupu ikining'inia karibu na ufuo. Anatembea juu na chini, bila kukaribia ufuo, wakati maji yanaonekana kukimbilia ufukweni kwa mawimbi. Lakini hapana - maji (na chupa ndani yake) kubaki mahali, oscillating tu katika ndege perpendicular kwa uso wa hifadhi. Kwa maneno mengine, mwendo wa kati ambayo mawimbi hueneza hailingani na mwendo wa mawimbi yenyewe. Angalau, mashabiki wa mpira wa miguu wamejifunza hili vizuri na kujifunza kuitumia kwa mazoezi: wakati wa kutuma "wimbi" kuzunguka uwanja, wao wenyewe hawakimbii popote, wanainuka na kukaa chini kwa zamu yao, na "wimbi" (huko Uingereza jambo hili kwa kawaida huitwa "wimbi la Mexican" ") huzunguka vituo.
Mawimbi kawaida huelezewa masafa(idadi ya kilele cha wimbi kwa sekunde katika hatua ya uchunguzi) au urefu(umbali kati ya matuta au mabonde mawili yaliyo karibu). Tabia hizi mbili zinahusiana kwa kila mmoja kwa njia ya kasi ya uenezi wa wimbi katika kati, kwa hiyo, kujua kasi ya uenezi wa wimbi na moja ya sifa kuu za wimbi, unaweza kuhesabu kwa urahisi nyingine.
Mara tu wimbi limeanza, kasi ya uenezi wake imedhamiriwa tu na mali ya kati ambayo hueneza - chanzo cha wimbi haifai tena jukumu lolote. Juu ya uso wa maji, kwa mfano, mawimbi, mara moja ya kusisimua, kisha hueneza tu kutokana na mwingiliano wa nguvu za shinikizo, mvutano wa uso na mvuto. Mawimbi ya akustisk huenea hewani (na vyombo vingine vya habari vinavyopitisha sauti) kutokana na upitishaji wa mwelekeo wa tofauti za shinikizo. Na hakuna njia yoyote ya uenezi wa wimbi inategemea chanzo cha wimbi. Kwa hivyo athari ya Doppler.
Hebu tufikirie tena kuhusu mfano wa king'ora cha kulia. Hebu kwanza tuchukulie kwamba gari maalum ni stationary. Sauti kutoka kwa siren hutufikia kwa sababu membrane ya elastic ndani yake hufanya kazi mara kwa mara juu ya hewa, na kuunda compression ndani yake - maeneo. shinikizo la damu, - kubadilishana na rarefaction. Vilele vya mgandamizo—“crests” za mawimbi ya akustisk—hueneza kupitia kati (hewa) hadi zifike masikioni mwetu na kuathiri tungo za sikio, ambazo hutuma ishara kwenye ubongo wetu (hivi ndivyo kusikia hufanya kazi). Kijadi tunaita marudio ya mitetemo ya sauti tunayoona kama toni au sauti: kwa mfano, masafa ya mtetemo wa hertz 440 kwa sekunde inalingana na kidokezo "A" cha oktava ya kwanza. Kwa hiyo, wakati gari maalum limesimama, tutaendelea kusikia sauti isiyobadilika ya ishara yake.
Lakini mara tu gari maalum linapoanza kusonga kwa mwelekeo wako, itaongeza athari mpya. Wakati wa kutolewa kwa kilele cha wimbi moja hadi jingine, gari litasafiri umbali fulani kuelekea kwako. Kwa sababu hii, chanzo cha kila kilele cha wimbi kinachofuata kitakuwa karibu. Matokeo yake, mawimbi yatafikia masikio yako mara nyingi zaidi kuliko yalivyofanya wakati gari lilikuwa limesimama, na sauti ya sauti unayoona itaongezeka. Na, kinyume chake, ikiwa gari maalum linaanza mwelekeo wa nyuma, vilele mawimbi ya akustisk itafikia masikio yako mara chache na mzunguko unaotambulika wa sauti utapungua. Hii ndiyo maelezo kwa nini wakati gari yenye ishara maalum inapita na wewe, sauti ya siren hupungua.
Tuliangalia athari ya Doppler kuhusiana na mawimbi ya sauti, lakini ni kwa usawa inatumika kwa wengine wowote. Ikiwa chanzo mwanga unaoonekana inatukaribia, urefu wa wimbi tunaloona unapungua, na tunazingatia kinachojulikana zambarau kuhama(ya yote rangi zinazoonekana mizani wigo wa mwanga violet inalingana na urefu mfupi zaidi wa mawimbi). Ikiwa chanzo kinaondoka, kuna mabadiliko ya dhahiri kuelekea sehemu nyekundu ya wigo (kurefusha kwa mawimbi).
Athari hii inaitwa baada ya Mkristo Johann Doppler, ambaye kwanza aliitabiri kinadharia. Athari ya Doppler imenivutia maisha yangu yote kwa sababu ya jinsi ilivyojaribiwa kwa mara ya kwanza. Mwanasayansi wa Kiholanzi Christian Buys Ballot (1817-1870) aliweka bendi ya shaba kwenye gari la reli la wazi, na kwenye jukwaa walikusanya kundi la wanamuziki kwa sauti kamili. (Lami kamili ni uwezo, baada ya kusikiliza noti, kuitaja kwa usahihi.) Kila wakati gari-moshi lenye behewa la muziki lilipopita kwenye jukwaa, bendi ya shaba ilicheza noti, na watazamaji (wasikilizaji) waliandika alama za muziki walizosikia. Kama inavyotarajiwa, sauti inayoonekana ya sauti ilitegemea moja kwa moja kasi ya gari moshi, ambayo, kwa kweli, ilitabiriwa na sheria ya Doppler.
Athari ya Doppler hutumiwa sana katika sayansi na katika maisha ya kila siku. Ulimwenguni kote hutumiwa katika rada za polisi kuwakamata na kuwatoza faini wanaokiuka sheria. trafiki kuzidi kasi. Bunduki ya rada hutoa mawimbi ya mawimbi ya redio (kwa kawaida katika safu ya VHF au microwave) ambayo huakisi kutoka kwenye sehemu ya chuma ya gari lako. Ishara inarudi kwenye rada na mabadiliko ya mzunguko wa Doppler, thamani ambayo inategemea kasi ya gari. Kwa kulinganisha masafa ya ishara zinazotoka na zinazoingia, kifaa huhesabu kiotomatiki kasi ya gari lako na kuionyesha kwenye skrini.
Athari ya Doppler ilipata matumizi ya kiasi fulani ya esoteric katika unajimu: haswa, Edwin Hubble, kwa mara ya kwanza kupima umbali hadi galaksi za karibu juu darubini mpya zaidi, wakati huo huo aligundua yao katika wigo mionzi ya atomiki mabadiliko ya Doppler nyekundu, ambayo ilihitimishwa kuwa galaxi zinasonga mbali na sisi ( sentimita. Sheria ya Hubble). Kwa kweli, hii ilikuwa hitimisho wazi kana kwamba wewe, umefunga macho yako, ghafla ukasikia kwamba sauti ya injini ya gari la mfano uliyoijua ilikuwa chini kuliko lazima, na kuhitimisha kuwa gari lilikuwa likienda mbali. wewe. Hubble aligundua lini, zaidi ya hayo, kwamba ni nini galaksi inayofuata, nguvu ya mabadiliko nyekundu (na kwa kasi inaruka mbali na sisi), iligundua kuwa Ulimwengu unapanuka. Hii ilikuwa hatua ya kwanza kuelekea nadharia ya Big Bang - na hili ni jambo zito zaidi kuliko treni yenye bendi ya shaba.
Christian Johann Doppler, 1803-53
Mwanafizikia wa Austria. Mzaliwa wa Salzburg katika familia ya mwashi. Waliohitimu Taasisi ya Polytechnical huko Vienna, alibaki huko katika nyadhifa za kufundisha hadi 1835, alipopokea ofa ya kuongoza idara ya hisabati katika Chuo Kikuu cha Prague, ambayo wakati wa mwisho ilimlazimisha kuachana na uamuzi wake wa muda mrefu wa kuhamia Amerika, akikata tamaa. kufikia kutambuliwa katika duru za kitaaluma nyumbani. Alimaliza kazi yake kama profesa katika Chuo Kikuu cha Royal Imperial cha Vienna.
- jambo muhimu zaidi katika fizikia ya wimbi. Kabla ya kwenda moja kwa moja kwenye kiini cha jambo, nadharia ndogo ya utangulizi.
Kusitasita- kwa shahada moja au nyingine, mchakato wa kurudia wa kubadilisha hali ya mfumo karibu na nafasi ya usawa. Wimbi- hii ni oscillation ambayo inaweza kuondoka kutoka mahali pa asili yake, kuenea kwa kati. Mawimbi yana sifa amplitude, urefu Na masafa. Sauti tunayosikia ni wimbi, i.e. vibrations mitambo chembe za hewa zinazoenea kutoka kwa chanzo cha sauti.
Tukiwa na habari kuhusu mawimbi, wacha tuendelee kwenye athari ya Doppler. Na ikiwa unataka kujifunza zaidi kuhusu vibrations, mawimbi na resonance, karibu kwenye blogu yetu.
Kiini cha athari ya Doppler
Mfano maarufu zaidi na rahisi unaoelezea kiini cha athari ya Doppler ni mwangalizi wa stationary na gari yenye siren. Wacha tuseme umesimama kwenye kituo cha basi. Ambulensi iliyo na king'ora inaelekea mtaani kwako. Mzunguko wa sauti utakayosikia gari linapokaribia sio sawa.
Hapo awali sauti itakuwa ya masafa ya juu zaidi gari linaposimama. Utasikia mzunguko wa kweli wa sauti ya siren, na mzunguko wa sauti utapungua unapoondoka. Ndivyo ilivyo Athari ya Doppler.
Mzunguko na urefu wa wimbi la mionzi inayotambuliwa na mwangalizi hubadilika kutokana na harakati ya chanzo cha mionzi.
Ikiwa Cap itaulizwa ni nani aliyegundua athari ya Doppler, atajibu bila kusita kwamba Doppler alifanya hivyo. Na atakuwa sahihi. Jambo hili, imethibitishwa kinadharia ndani 1842 mwaka na mwanafizikia wa Austria Christian Doppler, baadaye alipewa jina lake. Doppler mwenyewe alipata nadharia yake kwa kutazama mawimbi kwenye maji na kupendekeza kwamba uchunguzi unaweza kujumuishwa kwa mawimbi yote. Baadaye iliwezekana kuthibitisha kwa majaribio athari ya Doppler kwa sauti na mwanga.
Hapo juu tuliangalia mfano wa athari ya Doppler kwa mawimbi ya sauti. Walakini, athari ya Doppler sio kweli tu kwa sauti. Kuna:
- Athari ya Acoustic Doppler;
- Athari ya Doppler ya macho;
- Athari ya Doppler kwa mawimbi ya sumakuumeme;
- Athari ya Relativistic Doppler.
Ilikuwa majaribio na mawimbi ya sauti ambayo yalisaidia kutoa uthibitisho wa kwanza wa majaribio ya athari hii.
Uthibitisho wa majaribio ya athari ya Doppler
Uthibitisho wa usahihi wa hoja za Christian Doppler unahusishwa na moja ya kuvutia na isiyo ya kawaida majaribio ya kimwili. KATIKA 1845 mtaalamu wa hali ya hewa kutoka Uholanzi Kura ya Kikristo alichukua locomotive yenye nguvu na orchestra iliyojumuisha wanamuziki wenye sauti nzuri. Baadhi ya wanamuziki - walikuwa wapiga tarumbeta - walipanda kwenye eneo la wazi la gari moshi na walicheza noti sawa kila wakati. Wacha tuseme ilikuwa A ya oktava ya pili.
Wanamuziki wengine walikuwa kituoni hapo wakisikiliza kile ambacho wenzao walikuwa wakicheza. Usikilizaji kamili wa washiriki wote katika jaribio ulipunguza uwezekano wa hitilafu kwa kiwango cha chini. Jaribio lilichukua siku mbili, kila mtu alikuwa amechoka, makaa ya mawe mengi yalichomwa, lakini matokeo yalikuwa ya thamani yake. Ilibadilika kuwa sauti ya sauti inategemea kasi ya jamaa ya chanzo au mwangalizi (msikilizaji).
Utumiaji wa athari ya Doppler
Mojawapo ya programu zinazojulikana sana ni kuamua kasi ya vitu vinavyosogea kwa kutumia sensorer za kasi. Ishara za redio zinazotumwa na rada huonyeshwa kutoka kwa magari na kurudishwa nyuma. Katika kesi hii, kukabiliana na mzunguko ambao ishara zinarudi ni moja kwa moja kuhusiana na kasi ya mashine. Kwa kulinganisha kasi na mabadiliko ya mzunguko, kasi inaweza kuhesabiwa.
Athari ya Doppler hutumiwa sana katika dawa. Uendeshaji wa vifaa ni msingi wake uchunguzi wa ultrasound. Kuna mbinu tofauti katika ultrasound inayoitwa Dopplerografia.
Athari ya Doppler pia hutumiwa macho, acoustics, umeme wa redio, elimu ya nyota, rada.
Japo kuwa! Kwa wasomaji wetu sasa kuna punguzo la 10%.
Ugunduzi wa athari ya Doppler ulicheza jukumu muhimu wakati wa malezi fizikia ya kisasa. Moja ya uthibitisho nadharia kishindo kikubwa inatokana na athari hii. Je, athari ya Doppler na Big Bang zinahusiana vipi? Kulingana na nadharia ya Big Bang, Ulimwengu unapanuka.
Wakati wa kutazama galaksi za mbali, mabadiliko nyekundu huzingatiwa - mabadiliko ya mistari ya spectral hadi upande nyekundu wa wigo. Kuelezea mabadiliko nyekundu kwa kutumia athari ya Doppler, tunaweza kupata hitimisho linalolingana na nadharia: galaxi zinasonga kutoka kwa kila mmoja, Ulimwengu unapanuka.
Mfumo wa athari ya Doppler
Wakati nadharia ya athari ya Doppler ilikosolewa, moja ya hoja za wapinzani wa mwanasayansi ilikuwa ukweli kwamba nadharia hiyo ilikuwa kwenye kurasa nane tu, na kupatikana kwa fomula ya athari ya Doppler haikuwa na mahesabu magumu ya kihesabu. Kwa maoni yetu, hii ni pamoja na!
Hebu u - kasi ya mpokeaji jamaa na kati; v - kasi ya chanzo cha wimbi kuhusiana na kati; Na - kasi ya uenezi wa mawimbi katikati, w0 - mzunguko wa mawimbi ya chanzo. Kisha formula ya athari ya Doppler yenyewe kesi ya jumla itaonekana kama hii:
Hapa w - frequency ambayo mpokeaji atarekodi.
Athari ya Relativistic Doppler
Tofauti na athari ya classical ya Doppler, wakati mawimbi ya sumakuumeme yanapoenea katika utupu, ili kuhesabu athari ya Doppler, SRT inapaswa kutumika na upanuzi wa wakati wa relativist unapaswa kuzingatiwa. Wacha mwanga - Na , v - kasi ya chanzo kuhusiana na mpokeaji; theta - pembe kati ya mwelekeo wa chanzo na vector ya kasi inayohusishwa na mfumo wa kumbukumbu wa mpokeaji. Halafu formula ya athari ya Doppler inayohusiana itaonekana kama:
Leo tulizungumza juu ya athari muhimu zaidi ya ulimwengu wetu - athari ya Doppler. Je! ungependa kujifunza jinsi ya kutatua matatizo ya athari ya Doppler haraka na kwa urahisi? Waulize na watafurahi kushiriki uzoefu wao! Na mwisho - kidogo zaidi kuhusu nadharia ya Big Bang na athari ya Doppler.
Umewahi kugundua kuwa sauti ya king'ora cha gari ina urefu tofauti inapokaribia au kuondoka kwa jamaa na wewe?
Tofauti ya marudio ya filimbi au king'ora cha treni au gari inayokaribia kupungua na kukaribia ni mfano dhahiri na ulioenea zaidi wa athari ya Doppler. Kinadharia iliyogunduliwa na mwanafizikia wa Austria Christian Doppler, athari hii ingecheza baadaye jukumu muhimu katika sayansi na teknolojia.
Kwa mwangalizi, urefu wa wimbi la mionzi utakuwa na maana tofauti kwa kasi tofauti za chanzo kuhusiana na mwangalizi. Wakati chanzo kinakaribia, urefu wa wimbi utapungua, na unaposonga, utaongezeka. Kwa hivyo, frequency pia inabadilika na urefu wa wimbi. Kwa hivyo, marudio ya filimbi ya treni inayokaribia ni ya juu sana kuliko marudio ya filimbi inaposogea. Kwa kweli, hii ndio kiini cha athari ya Doppler.
Athari ya Doppler ni msingi wa uendeshaji wa vyombo vingi vya kupimia na utafiti. Leo hutumiwa sana katika dawa, anga, astronautics na hata maisha ya kila siku. Athari ya Doppler huwezesha urambazaji wa setilaiti na rada za barabarani, mashine za ultrasound na kengele za usalama. Athari ya Doppler imekuwa ikitumika sana katika utafiti wa kisayansi. Labda anajulikana zaidi katika astronomia.
Ufafanuzi wa athari
Ili kuelewa asili ya athari ya Doppler, angalia tu uso wa maji. Miduara juu ya maji inaonyesha kikamilifu vipengele vyote vitatu vya wimbi lolote. Wacha tufikirie kuwa kuelea kwa kusimama kunaunda miduara. Katika kesi hii, kipindi kitalingana na wakati uliopita kati ya utoaji wa duru moja na inayofuata. Mzunguko ni sawa na idadi ya miduara iliyotolewa na kuelea kwa muda fulani. Urefu wa wimbi utakuwa sawa na tofauti katika radii ya miduara miwili iliyotolewa mfululizo (umbali kati ya crests mbili zilizo karibu).
Wacha tufikirie kuwa mashua inakaribia kuelea hii iliyosimama. Kwa kuwa inaelekea kwenye matuta, kasi ya mashua itaongezwa kwa kasi ya uenezi wa miduara. Kwa hiyo, kuhusiana na mashua, kasi ya matuta yanayokuja itaongezeka. Urefu wa wimbi utapungua kwa wakati mmoja. Kwa hivyo, muda ambao utapita kati ya athari za miduara miwili iliyo karibu upande wa mashua itapungua. Kwa maneno mengine, kipindi kitapungua na, ipasavyo, mzunguko utaongezeka. Kwa njia hiyo hiyo, kwa mashua ya kupungua, kasi ya crests ambayo sasa itaipata itapungua, na urefu wa wimbi utaongezeka. Ambayo ina maana ya kuongeza muda na kupunguza mzunguko.
Sasa fikiria kwamba kuelea iko kati ya boti mbili za stationary. Zaidi ya hayo, mvuvi kwenye mmoja wao huvuta kuelea kuelekea yeye mwenyewe. Kupata kasi inayohusiana na uso, kuelea kunaendelea kutoa miduara sawa. Walakini, katikati ya kila duara inayofuata itahamishwa kulingana na katikati ya ule uliopita kuelekea mashua ambayo kuelea inakaribia. Kwa hiyo, kwa upande wa mashua hii, umbali kati ya matuta utapunguzwa. Inatokea kwamba miduara yenye urefu uliopunguzwa wa wavelength, na kwa hiyo kwa muda wa kupunguzwa na kuongezeka kwa mzunguko, itakuja kwenye mashua na mvuvi akivuta kuelea. Vile vile, mawimbi yenye urefu ulioongezeka, muda na mzunguko uliopunguzwa utafikia mvuvi mwingine.
Nyota zenye rangi nyingi
Mifumo kama hiyo ya mabadiliko katika sifa za mawimbi kwenye uso wa maji mara moja iligunduliwa na Christian Doppler. Alielezea kila kesi kama hiyo kihisabati na kutumia data iliyopatikana kwa sauti na mwanga, ambayo pia ina asili ya wimbi. Doppler alipendekeza kwamba rangi ya nyota hivyo moja kwa moja inategemea kasi ambayo wanakaribia au kuondoka kutoka kwetu. Alifafanua dhana hii katika makala ambayo aliwasilisha mwaka wa 1842.
Kumbuka kwamba Doppler alikosea kuhusu rangi ya nyota. Aliamini kwamba nyota zote huangaza Rangi nyeupe, ambayo baadaye hupotoshwa kwa sababu ya kasi yao inayohusiana na mwangalizi. Kwa kweli, athari ya Doppler haiathiri rangi ya nyota, lakini muundo wa wigo wao. Kwa nyota zinazohamia mbali na sisi, mistari yote ya giza ya wigo itaongeza urefu wa wimbi - kuhama hadi nyekundu. Athari hii imeanzishwa katika sayansi chini ya jina "mabadiliko nyekundu". Katika nyota zinazokaribia, kinyume chake, mistari huwa na sehemu ya wigo na mzunguko wa juu - rangi ya violet.
Kipengele hiki cha mistari ya spectral, kulingana na fomula za Doppler, kilitabiriwa kinadharia mwaka wa 1848 na mwanafizikia wa Kifaransa Armand Fizeau. Hii ilithibitishwa kwa majaribio mwaka wa 1868 na William Huggins, ambaye alitoa mchango mkubwa katika utafiti wa spectral wa nafasi. Tayari katika karne ya 20, athari ya Doppler kwa mistari katika wigo ingeitwa "mabadiliko nyekundu," ambayo tutarudi.
Tamasha kwenye reli
Mnamo 1845, mtaalam wa hali ya hewa wa Uholanzi Beuys-Ballot, na baadaye Doppler mwenyewe, walifanya mfululizo wa majaribio ili kujaribu athari ya "sauti" ya Doppler. Katika visa vyote viwili, walitumia athari iliyotajwa hapo awali ya pembe ya treni inayokaribia na kuondoka. Jukumu la filimbi lilichezwa na vikundi vya wapiga tarumbeta ambao walicheza noti fulani wakiwa kwenye behewa la wazi la treni iliyokuwa ikitembea.
Beuys-Ballot alituma wapiga tarumbeta mbele ya watu waliokuwa na usikivu mzuri, ambao walirekodi mabadiliko katika noti kwa kasi tofauti za utunzi. Kisha akarudia jaribio hili, akiwaweka wapiga tarumbeta kwenye jukwaa na wasikilizaji kwenye gari. Doppler alirekodi kutokuwepo kwa maelezo ya vikundi viwili vya wapiga tarumbeta, ambao walimkaribia na kuondoka kwake wakati huo huo, wakicheza noti moja.
Katika visa vyote viwili, athari ya Doppler kwa mawimbi ya sauti ilithibitishwa kwa mafanikio. Kwa kuongezea, kila mmoja wetu anaweza kufanya jaribio hili ndani Maisha ya kila siku na uthibitishe mwenyewe. Kwa hivyo, licha ya ukweli kwamba athari ya Doppler ilikosolewa na watu wa wakati huo, utafiti zaidi ulifanya kuwa bila shaka.
Kama ilivyoelezwa hapo awali, athari ya Doppler hutumiwa kuamua kasi vitu vya nafasi jamaa na mtazamaji.
Mistari ya giza kwenye wigo wa vitu vya cosmic hapo awali huwa iko katika eneo lililowekwa madhubuti. Mahali hapa panalingana na urefu wa wimbi la unyonyaji wa kipengele fulani. Kwa kitu kinachokaribia au kinachopungua, bendi zote hubadilisha nafasi zao kwenye eneo la violet au nyekundu la wigo, kwa mtiririko huo. Kulinganisha mistari ya spectral duniani vipengele vya kemikali Kwa mistari inayofanana kwenye mwonekano wa nyota, tunaweza kukadiria jinsi kitu kinakaribia au kusonga mbali nasi.
Mabadiliko mekundu katika mwonekano wa galaksi yaligunduliwa na mwanaastronomia wa Marekani Vesto Slifer mwaka wa 1914. Mtani wake Edwin Hubble alilinganisha umbali na galaksi alizozigundua na ukubwa wa mabadiliko yao mekundu. Kwa hivyo mnamo 1929 alifikia hitimisho kwamba kadiri galaksi iko mbali zaidi, ndivyo inavyosonga mbali na sisi kwa kasi zaidi. Kama inavyotokea baadaye, sheria aliyogundua haikuwa sahihi na haikuelezea kwa usahihi kabisa picha halisi. Walakini, Hubble aliweka mwelekeo sahihi utafiti zaidi wanasayansi wengine ambao baadaye wangeanzisha dhana ya mabadiliko ya kikosmolojia.
Tofauti na Redshift ya Doppler, ambayo inatokana na mwendo sahihi wa galaxi kuhusiana na sisi, redshift ya cosmological hutokea kutokana na upanuzi wa nafasi. Kama unavyojua, Ulimwengu unapanuka kwa usawa katika ujazo wake wote. Kwa hivyo, galaksi mbili za mbali ziko kutoka kwa kila mmoja, ndivyo zinavyosonga mbali kutoka kwa kila mmoja kwa haraka. Kwa hivyo kila megaparseki kati ya galaksi itaziondoa kutoka kwa kila mmoja kwa karibu kilomita 70 kila sekunde. Kiasi hiki kinaitwa Hubble mara kwa mara. Jambo la kufurahisha ni kwamba, Hubble yenyewe hapo awali ilikadiria kiwango chake cha kudumu hadi km 500 kwa sekunde kwa megaparsec.
Hii inafafanuliwa na ukweli kwamba hakuzingatia ukweli kwamba redshift ya gala yoyote ni jumla ya redshifts mbili tofauti. Mbali na kuendeshwa na upanuzi wa Ulimwengu, galaksi pia hupitia harakati zao wenyewe. Ikiwa ubadilishanaji mwekundu wa relativitiki una mgawanyo sawa kwa umbali wote, basi kibadilishaji cha Doppler kinakubali tofauti zisizotabirika zaidi. Baada ya yote harakati mwenyewe galaksi ndani ya makundi yao hutegemea tu mvuto wa kuheshimiana wa mvuto.
Magalaksi ya karibu na ya mbali
Kati ya galaksi za karibu, mara kwa mara ya Hubble haitumiki kwa kukadiria umbali kati yao. Kwa mfano, galaksi ya Andromeda inayohusiana na sisi ina mabadiliko ya violet jumla, inapokaribia Njia ya Milky kwa kasi ya karibu 150 km / s. Ikiwa tutatumia sheria ya Hubble kwake, basi inapaswa kuwa inasonga mbali na galaksi yetu kwa kasi ya kilomita 50 kwa sekunde, ambayo hailingani na ukweli hata kidogo.
Kwa galaksi za mbali, mabadiliko ya rangi ya Doppler ni karibu kutoonekana. Kasi yao ya kuondolewa kutoka kwetu inategemea moja kwa moja umbali na, kwa hitilafu ndogo, inafanana na mara kwa mara ya Hubble. Kwa hivyo quasars za mbali zaidi zinasonga kutoka kwetu kwa kasi kubwa kuliko kasi ya mwanga. Kwa kawaida, hii haipingani na nadharia ya uhusiano, kwa sababu hii ni kasi ya kupanua nafasi, na sio vitu wenyewe. Kwa hiyo, ni muhimu kuweza kutofautisha redshift ya Doppler kutoka kwa cosmological moja.
Pia ni muhimu kuzingatia kwamba katika kesi ya mawimbi ya umeme, athari za relativistic pia hutokea. Upotoshaji unaofuatana wa wakati na mabadiliko katika vipimo vya mstari wakati mwili unaposonga kuhusiana na mwangalizi pia huathiri asili ya wimbi. Kama katika hali yoyote na athari relativistic
Bila shaka, bila athari ya Doppler, ambayo iliwezesha ugunduzi wa redshift, hatuwezi kujua kuhusu muundo mkubwa wa Ulimwengu. Walakini, wanaastronomia wanadaiwa zaidi ya hii kwa mali hii ya mawimbi.
Athari ya Doppler inaweza kutambua kupotoka kidogo katika nafasi za nyota, ambayo inaweza kuundwa na sayari zinazozunguka karibu nao. Shukrani kwa hili, mamia ya exoplanets yamegunduliwa. Pia hutumiwa kuthibitisha uwepo wa exoplanets zilizogunduliwa hapo awali kwa kutumia njia nyingine.
Athari ya Doppler ilicheza jukumu la maamuzi katika utafiti wa mifumo ya nyota ya karibu. Wakati nyota mbili ziko karibu sana hivi kwamba haziwezi kuonekana tofauti, athari ya Doppler huja kwa msaada wa wanaastronomia. Inakuruhusu kufuatilia harakati zisizoonekana za nyota kwenye wigo wao. Vile mifumo ya nyota Walipata hata jina "optical double".
Kutumia athari ya Doppler, unaweza kukadiria sio kasi tu kitu cha nafasi, lakini pia kasi ya mzunguko wake, upanuzi, kasi ya mtiririko wake wa anga na mengi zaidi. Kasi ya pete za Zohali, upanuzi wa nebulae, mipigo ya nyota zote hupimwa shukrani kwa athari hii. Inatumika hata kuamua joto la nyota, kwa sababu joto pia ni kiashiria cha harakati. Tunaweza kusema kwamba wanaastronomia wa kisasa hupima karibu kila kitu kinachohusiana na kasi ya vitu vya anga kwa kutumia athari ya Doppler.
Athari ya Doppler inaelezewa na formula:
ni wapi mzunguko wa wimbi lililorekodiwa na mpokeaji; - mzunguko wa wimbi lililotolewa na chanzo; - katika mazingira; na ni kasi ya mpokeaji na chanzo kuhusiana na kati ya elastic, kwa mtiririko huo.
Ikiwa chanzo cha sauti kinakaribia mpokeaji, basi kasi yake ina ishara ya kuongeza. Ikiwa chanzo kinakwenda mbali na mpokeaji, kasi yake ina ishara ya minus.
Ni wazi kutoka kwa formula kwamba wakati chanzo na mpokeaji huhamia kwa namna ambayo umbali kati yao hupungua, mzunguko unaotambuliwa na mpokeaji hugeuka kuwa mkubwa zaidi kuliko mzunguko wa chanzo. Ikiwa umbali kati ya chanzo na mpokeaji huongezeka, itakuwa chini ya .
Athari ya Doppler ni msingi wa rada, kwa msaada ambao maafisa wa polisi wa trafiki huamua kasi ya gari. Katika dawa, athari ya Doppler hutumiwa kifaa cha ultrasonic kutofautisha mishipa kutoka kwa mishipa wakati wa kufanya sindano. Shukrani kwa athari ya Doppler, wanaastronomia wamegundua kuwa Ulimwengu unapanuka - galaksi zinasonga mbali kutoka kwa kila mmoja. Kwa kutumia athari ya Doppler, vigezo vya mwendo vya sayari na vyombo vya anga vinatambuliwa.
Mifano ya kutatua matatizo
MFANO 1
| Zoezi | Magari mawili yanakaribiana kwenye barabara kuu kwa kasi ya m/s na m/s. Wa kwanza wao hutoa ishara ya sauti na mzunguko wa 600 Hz. Kuamua mzunguko wa ishara ambayo dereva wa gari la pili atasikia: a) kabla ya mkutano; b) baada ya mkutano. Kasi ya sauti inachukuliwa kuwa 348 m / s. |
| Suluhisho | Kabla ya kukutana, magari yanakaribiana, i.e. umbali kati yao hupungua na chanzo cha sauti (gari la kwanza) kinakaribia mpokeaji wa sauti (gari la pili), hivyo kasi ya gari la kwanza itaingia kwenye formula na ishara ya pamoja. Wacha tuhesabu:
Baada ya mkutano, magari yataondoka kutoka kwa kila mmoja, i.e. chanzo cha ishara ya sauti kitaondoka kutoka kwa mpokeaji, kwa hivyo kasi ya chanzo itaingia kwenye fomula na ishara ya minus:
|
| Jibu | Mzunguko wa ishara ambayo dereva wa gari la pili atasikia kabla ya kukutana na kwanza itakuwa 732 Hz, na baada ya mkutano - 616 Hz. |
Hz
HzMFANO 2
| Zoezi | Treni ya haraka inakaribia treni ya umeme iliyosimama kwenye njia kwa kasi ya 72 km / h. Treni ya umeme hutoa ishara ya sauti na mzunguko wa 0.6 kHz. Tambua mzunguko unaoonekana wa ishara ya sauti ambayo dereva wa treni ya haraka atasikia. Kasi ya sauti inachukuliwa kuwa 340 m / s. |
| Suluhisho | Wacha tuandike formula ya athari ya Doppler: Katika sura ya marejeleo inayohusishwa na treni ya haraka, dereva wa treni ya haraka (mpokeaji ishara) amesimama, kwa hivyo , na treni ya umeme (chanzo cha ishara) inasogea kuelekea treni ya haraka kwa mwendo wa kasi , ambayo ina ishara ya kuongeza, kwani umbali kati ya chanzo na mpokeaji wa mawimbi ya sauti hupungua. Hebu tugeuze vitengo kwenye mfumo wa SI: kasi ya harakati ya treni ya umeme kuhusiana na treni ya haraka km / h m / s; mzunguko wa ishara ya sauti ya treni ya umeme kHz Hz. Wacha tuhesabu:
|
| Jibu | Masafa yanayoonekana ambayo dereva wa treni ya haraka atasikia ni 638 Hz. |
HzMFANO 3
| Zoezi | Treni ya umeme ikipita kwenye jukwaa la reli. Mtazamaji aliyesimama kwenye jukwaa anasikia sauti ya king'ora cha treni. Treni inakuja lini? Mtazamaji husikia sauti ya 1100 Hz treni inaposogea; masafa ya dhahiri ya sauti ni 900 Hz. Pata kasi ya locomotive ya umeme na mzunguko wa sauti iliyotolewa na siren. Kasi ya sauti katika hewa inachukuliwa kuwa 340 m / s. |
| Suluhisho | Kwa kuwa mwangalizi anayesimama kwenye jukwaa hana mwendo, kasi ya mpokeaji ni . Wacha tuandike fomula ya athari ya Doppler kwa visa vyote viwili. a) wakati treni inakaribia:
b) treni inapoondoka:
Wacha tuonyeshe masafa ya ishara ya sauti ya siren na tulinganishe pande za kulia za usawa unaosababishwa: |
