ZJAWSIKO DOPPLERA

Stojąc przy ruchliwej szosie, zauważyłeś być może zmianę wysokości dźwięku wydawanego przez pojazdy dokładnie w chwili, gdy nas mijają. Obserwowane zjawisko nosi nazwę zjawiska Dopplera, jest to zmiana częstotliwości oraz długości fali zarejestrowana przez obserwatora, który porusza się względem źródła fali.

Naukowe badanie efektu po raz pierwszy przeprowadził Christian Andreas Doppler w 1845 roku. Poprosił on grupę muzyków, aby wsiedli do pociągu i grali jeden ton. Słuchał go i zaobserwował, że dźwięk instrumentów staje się wyższy, kiedy pociąg zbliża się do niego. Gdy źródło muzyki się oddala, jego ton staje się niższy. Zmiana wysokości dźwięku była dokładnie taka, jak wyliczył uprzednio Doppler.
Aby zrozumieć efekt Dopplera trzeba zdać sobie sprawę, że dźwięk nie staje się ani wyższy ani niższy. Źródło fali wysyła kolejne fale, co pewien okres. Jeżeli nie porusza się odległość między tymi falami ma pewną stałą wartość. Gdy źródło poruszy się podczas wysyłania fali, odległość się zmieni, co da się usłyszeć jako zmianę wysokości dźwięku.

Zastosowanie:

W życiu codziennym

„Wycie” gnającej ulicami miasta karetki, gdy jest daleko, najpierw jest wysokie,
a później stopniowo się obniża w miarę zbliżania się jej i staje się niski, gdy karetka przemknie obok nas, oddalając się.

Radar dopplerowskiego

Na efekcie Dopplera opiera się zasada działania radaru dopplerowskiego. Jeżeli fale radiowe odbijają się od ruchomego obiektu, to ich częstotliwość się zmienia. Pomiar częstotliwości odbitej fali pozwala na bardzo precyzyjny pomiar prędkości przedmiotów odbijających promieniowanie mikrofalowe lub takiej podczerwone. Radary używane przez policję do pomiaru prędkości opierają się na zasadzie. Jeżeli radar jest umieszczony w poruszającym się samochodzie policji, to dodatkowo do pomiaru musi być dodana prędkość obserwatora.

Meteorologiczne radary dopplerowskie stosowane są w do wykrywania ruchu chmur
i powietrza, dostarczając dane do obserwacji i prognozowania pogody. Dzięki takim pomiarom można wcześniej ostrzec ludność zagrożoną przez gwałtowne zjawiska atmosferyczne, takie jak burze, fronty atmosferyczne i tornada.

Astronomia

Efekt Dopplera obserwowany dla światła gwiazd ma ogromne zastosowanie
w astronomii. Światło gwiazdy charakteryzuje się liniami widmowymi zawartych
w nich atomów. Jeżeli gwiazda ucieka od obserwatora, to linie zaczną się przesuwać
w kierunku czerwieni.

Jeżeli gwiazda wędruje w kosmosie razem z innym obiektem, oba ciała obracają się względem wspólnego środka masy. Gwiazda obraca się razem z tym ciałem, jak dwaj kręcący się na lodzie łyżwiarze. Pomiary zmian przesunięcia linii widmowych niektórych gwiazd wykazały, że okrążają je planety. W ten sposób astronomowie odkryli setki dużych planet poza Układem Słonecznym.

Jeśli źródło świata oddala się to częstotliwość jest niższa i widmo przesunięte jest
w stronę fal długich, czyli podczerwieni. Jeśli częstotliwość jest wyższa po przesunięcie następuje ku nadfioletowi. Okazuje się, że prawie wszystkie dalsze obiekty astronomiczne mają widmo przesunięte ku podczerwieni i czym dalej są odległe to ich prędkość jest większa. Stąd wniosek, że Wszechświat się rozszerza.

Diagnostyka medyczna

W obrazowych badaniach diagnostycznych cenną informację daje nie tylko kształt anatomicznych struktur, lecz także kierunek i prędkość niektórych poruszających się tkanek. Zdecydowanie najważniejsze znaczenie ma wizualizacja i kwantyfikacja ruchu przepływającej w sercu i naczyniach krwionośnych krwi.

Udoskonaleniem konwencjonalnych aparatów ultrasonograficznych, było wprowadzenie ultrasonografii dopplerowskiej. Jeżeli głowica ultradźwiękowa potrafi rejestrować nie tylko opóźnienie echa wysyłanego dźwięku, lecz również jego wysokość, to na obrazie można kolorami pokazać ruch ciała. Jeżeli chcemy zaobserwować bicie serca płodu, aby postawić diagnozę jeszcze w okresie prenatalnym, to staje się bezcenną informacją.

Przykładem może być echokardiografia. Dla kardiochirurgów bardzo ważne jest określenie nie tylko struktury anatomicznej serca, ale również prędkości i kierunku ruchu krwi przepływającej w tej biologicznej pompie. Obserwacja bijącego serca płodu umożliwia wykrycie wad rozwojowych jeszcze w łonie matki. Lekarze mając wiedzę o zagrożeniu mogą przygotować się na trudności po porodzie.

Efekt Dopplera wykorzystywany jest także w metodzie laserowo-dopplerowskiego pomiaru ukrwienia skóry, która pozwala na nieinwazyjny pomiar stopnia ukrwienia tkanek skóry właściwej przy diagnozowaniu takich schorzeń jak cukrzyca czy zespół Raynauda.