Как Работи Доплеровият Ефект

{h1}

Ефектът на доплер е защо чувате звука от движещ се обект да се променя, докато той се приближава и ви минава. Разберете как работи ефектът на доплер.

Ако харесвате гатанки, ще ви хареса тази: Как музикант, който свири една нота на клаксон, може да промени тази нота, без да промени начина, по който той или тя свири тази нота? В началото може да мислите, че това е трик въпрос. Ясно е, че музикантът трябва да направи нещо, за да промени терена, нали? Грешен. Ако музикантът свири същата нота, докато се движи към или от стационарен слушател, нотата, чута от слушателя, наистина ще се промени - дори ако музикантът не прави нищо по-различно.

Холандският учен Кристоф Хендрик Дидерик Буйс Балот провежда този експеримент през 1845 г. Той събра група играчи с клаксони и ги постави в отворена количка, прикрепена към локомотив. След това - той накара инженерът да пусне локомотива, за да може да превозва количката, заедно с играчите на клаксони, напред и назад по пистата. Докато теглеха, музикантите свиреха една-единствена нота на рогата им. Балот се настани до коловоза и слушаше внимателно, както влакът се приближаваше, така и се оттегляше. А нотите, които той чу, бяха различни от нотите, които свиреха музикантите.

Макар и необичаен, експериментът на Балот демонстрира ясно едно от най-важните вълнови явления, известно на учените. Явлението се нарича Доплер ефект след австрийския математик Кристиан Йохан Доплер, който пръв прогнозира това странно поведение на звука през 1842 г. Днес учените знаят, че Доплеровият ефект се прилага за всички видове вълни, включително вода, звук и светлина. Те също имат добра представа защо се получава ефектът на Доплер. И те са включили принципите му в различни полезни инструменти и джаджи.

В тази статия ще разгледаме всичко Доплер: човека, науката и технологиите. Но първо трябва да положим основи. Тъй като ефектът на Доплер е явление, свързано с вълните, нека започнем с обхващане на някои основи за двата основни типа вълни - светлина и звук.-

Основи на вълната

Как работи Доплеровият ефект: ефект

Когато повечето хора мислят за вълни, те мислят за водни вълни. Но светлината и звукът също пътуват като вълни. Лека вълна, подобна на водна вълна, е пример за a напречна вълна, което причинява смущение в среда, перпендикулярна на посоката на настъпващата вълна. На диаграмата по-долу можете също да видите как напречните вълни образуват гребени и корита.

Разстоянието между всеки два гребена (или всякакви две корита) е дължина на вълната, докато височината на гребена (или дълбочината на корито) е амплитуда. Честота се отнася до броя гребени или корита, които преминават фиксирана точка в секунда. Честотата на светлинната вълна определя нейния цвят, като по-високите честоти произвеждат цветове на синия и виолетовия край на спектъра, а по-ниските честоти произвеждат цветове в червения край на спектъра.

Звуковите вълни не са напречни вълни. Те са надлъжни вълни, създаден от някакъв вид механична вибрация, която произвежда серия от компресии и разреждания в среда. Вземете инструмент за дървови духа, като кларинет. Когато духате в кларинет, тънка тръстика започва да вибрира. Вибриращата тръстика първо се тласка към молекулите на въздуха (средата), след което се отдръпва. Това води до зона, в която всички въздушни молекули са притиснати заедно и точно до нея - област, където въздушните молекули са разпространени далеч една от друга. Тъй като тези компресии и разреждания се разпространяват от една точка до друга, те образуват надлъжна вълна, като смущаването в средата се движи в същата посока като самата вълна.

Как работи Доплеровият ефект: вълни

Ако изучавате диаграмата на вълната по-горе, ще видите, че надлъжните вълни имат същите основни характеристики като напречните вълни. Те имат дължина на вълната (разстоянието между две компресии), амплитуда (количеството, с което се компресира средата) и честота (броят на компресиите, които преминават фиксирана точка в секунда). Амплитудата на звукова вълна определя нейното интензивностили силата на звука. Честотата на звукова вълна определя нейната височина, като по-високите честоти създават по-високи ноти. Например, отворената шеста струна на китара вибрира с честота 82.407 херца (цикли в секунда) и произвежда по-ниска стъпка. Отворената първа струна вибрира с честота 329,63 херца и създава по-висок танал.

Както ще видим в следващия раздел, Доплеровият ефект е пряко свързан с честотата на вълната, независимо дали е направена от вода, светлина или звук.

Честота на вълната

Как работи Доплеровият ефект: ефект

Нека започнем нашата дисекция на ефекта на Доплер, като разгледаме източник, който създава вълни във вода с определена честота. Този източник произвежда поредица от вълнови фронтове, като всеки се движи навън в сфера, съсредоточена върху източника. Разстоянието между вълновите гребени - дължината на вълната - ще остане същото през цялата сфера. Наблюдател пред източника на вълната ще види вълните еднакво разположени, докато се приближават. Така ще има и наблюдател, разположен зад вълновия източник.

Сега нека разгледаме ситуация, при която източникът не е неподвижен, а се движи вдясно, тъй като произвежда вълни. Тъй като източникът се движи, той започва да наваксва вълновите гребени от едната страна, докато се отдалечава от гребените от противоположната страна. Наблюдател, разположен пред източника, ще види гребените, всички свити. Наблюдател, разположен зад източника, ще види вълните, всички протегнати. Не забравяйте, че честотата е равна на броя на вълните, които преминават определена точка в секунда, така че наблюдателят отпред всъщност вижда по-висока честота от наблюдателя в задната част на източника.

Горният сценарий описва вълни, образувани във вода, но се отнася и за звукови вълни и светлинни вълни. Чуват се звукови вълни, не се виждат, така че наблюдателят ще чуе нагънатите вълни като по-висок звук, протегнатите вълни като по-нисък звук. Например, помислете за кола, която пътува по магистрала между двама наблюдатели, както е показано по-долу. Ревът на двигателя и триенето между гумите и пътната настилка създават шум, който може да се чуе както от наблюдатели, така и от водача.

За водача този шум няма да се промени. Но наблюдателят, разположен пред колата, ще чуе по-висок шум. Защо? Защото звуковите вълни се компресират, когато превозното средство се приближава до наблюдателя, разположен отпред. По този начин се увеличава честотата на вълната, а теренът на леглата се покачва. Наблюдателят, разположен зад колата, ще чуе по-нисък шум, защото звуковите вълни се разтягат, докато колата се оттегля. Това намалява честотата на вълната, а стъпката на леглата пада.

Светлинните вълни се възприемат като цвят, така че наблюдателят ще усети нагънатите вълни като по-сив цвят, протегнатите вълни като по-червен цвят. Например, помислете за астроном, наблюдаващ галактика през телескоп. Ако галактиката се втурне към Земята, светлинните вълни, които произвежда, ще се натрупват, когато се приближи до телескопа на астронома. Това увеличава честотата на вълната, която измества цветовете на нейния спектрален изход към синьото. Ако галактиката се втурне далеч от Земята, светлинните вълни, които произвежда, ще се разпространят, докато се оттеглят от телескопа на астронома. Това намалява честотата на вълната, което измества цветовете на нейния спектрален изход към червеното.

Както можете да си представите, астрономите обичайно се възползват от ефекта на Доплер, за да измерват скоростта, с която планетите, звездите и галактиките се движат. Но полезността му не се ограничава до космическото пространство. Откритието на Доплер е неразделна част от няколко приложения точно тук на Земята.

Произходът на Вселената: промяна в мисленето

През 1929 г. Едвин Хъбъл забелязва, че светлината, идваща от почти всяка галактика, която изучава, е изместена, според ефекта на Доплер, към червения край на спектъра. Той твърди, че само галактики, отдалечени от нашата галактика, могат да произведат тези „червени измествания“. Това доведе до схващането, че Вселената се разширява и в крайна сметка до теорията за Големия взрив.

Практически приложения на ефекта на Доплер

През 160 или повече години, откакто Доплер за първи път описа вълновия феномен, който ще затвърди мястото му в историята, се появиха няколко практически приложения на ефекта на Доплер, които служат на обществото. Във всички тези приложения се случва едно и също основно нещо: Стационарен предавател стреля вълни по движещ се обект. Вълните удрят обекта и отскачат назад. Предавателят (вече приемник) разпознава честотата на върнатите вълни. Въз основа на размера на доплеровото изместване може да се определи скоростта на обекта. Нека разгледаме няколко конкретни примера.

Полицейски радар

Ръчните радарни оръдия, използвани от полицията за проверка за превишена скорост на превозни средства, разчитат на ефекта на Доплер. Ето как работят:

Това съдържание не е съвместимо на това устройство.

  1. Полицай заема позиция отстрани на пътя.
  2. Офицерът насочва радарния си пистолет към приближаващо превозно средство. Пистолетът изпраща изблик на радиовълни с определена честота.
  3. Радио вълните удрят автомобила и отскачат обратно към радарния пистолет.
  4. Радарният пистолет измерва честотата на връщащите се вълни. Тъй като колата се движи към пистолета, честотата на връщащите се вълни ще бъде по-висока от честотата на вълните, първоначално предадени от пистолета. Колкото по-голяма е скоростта на автомобила, толкова по-висока е честотата на връщащата се вълна.
  5. Разликата между излъчваната честота и отразената честота се използва за определяне на скоростта на превозното средство. Компютърът вътре в пистолета извършва изчислението моментално и показва скорост на служителя.

Доплеров радар

Метеоролозите използват подобен принцип, за да четат метеорологичните събития. В този случай неподвижният предавател се намира във метеорологичната станция, а подвижният обект, който се изследва, е буря. Това се случва:

  1. Радиовълните се излъчват от метеорологичната станция с определена честота.
  2. Вълните са достатъчно големи, за да взаимодействат с облаци и други атмосферни обекти. Вълните удрят обекти и отскачат обратно към гарата.
  3. Ако облаците или валежите се отдалечават от станцията, честотата на отразените обратно вълни намалява. Ако облаците или валежите се движат към станцията, честотата на отразените обратно вълни се увеличава.
  4. Компютрите в радара електронно преобразуват данни за изместване на Доплера за отразените радиовълни в снимки, показващи скоростта и посоката на вятъра.

Доплеровите изображения не са същите като отражателните изображения. Изображенията за отразяване също разчитат на радари, но те не се основават на промени в честотата на вълната. Вместо това метеорологичната станция изпраща лъч енергия, след което измерва колко от този лъч се отразява обратно. Тези данни се използват за формиране на изображения на интензитета на валежите, които виждаме през цялото време на метеорологичните карти, където синьото е леко валежи, а червеното - обилни валежи.

Доплерова ехокардиограма

Традиционната ехокардиограма използва звукови вълни, за да произвежда изображения на сърцето. В тази процедура рентгенолог използва датчик за предаване и приемане на ултразвукови вълни, които се отразяват, когато достигнат ръба на две структури с различна плътност. Изображението, получено чрез ехокардиограма, показва краищата на сърдечните структури, но не може да измери скоростта на преминаване на кръвта през сърцето. Допплеровите техники трябва да бъдат включени, за да предоставят тази допълнителна информация. При ехокардиограма с Доплер звукови вълни с определена честота се предават в сърцето. Звуковите вълни отскачат от кръвни клетки, движещи се през сърцето и кръвоносните съдове. Движението на тези клетки или към или извън предаваните вълни води до изместване на честотата, което може да бъде измерено. Това помага на кардиолозите да определят скоростта и посоката на притока на кръв в сърцето.

Разрушаване на стрелата

Ефектът на Доплер се използва в много технологии, които са от полза за хората. Но това може да има и отрицателно въздействие. Например, звуковите стрели, причинени от свръхзвуков самолет, могат да причинят нежелателни звуци и вибрации на земята, поради което свръхзвуковите самолети не могат да летят над населените места. Звуковите стрели са пряко свързани с ефекта на Доплер. Те възникват, когато самолетите, които летят със скорост на звука или по-висока, всъщност летят по-бързо от звуковите вълни, които произвеждат. Всички вълни се събират зад плавателния съд, в изключително малко пространство. Когато сгушените вълни достигнат до наблюдател, те се „чуват“ наведнъж - като озвучаващ бум.

ВВС и НАСА експериментират с няколко изобретения, които помагат за смекчаване на звуковите бумчета. Едно такова изобретение е шип, простиращ се от носа на самолета. Този шип по същество удължава равнината и разпределя вълните на по-голямо разстояние. Това намалява бума, преживяван от наблюдател на земята.

Разпознаване на име

Кристиан Доплер

Кристиан Доплер

През 1992 г. Австрия отбеляза 150-годишнината от откриването на ефекта на Доплер, като пусна печат, изобразяващ тънкото лице на Кристиан Йохан Доплер. Въпреки че Доплер никога не можеше да си представи подобна почит, той разбираше значението на работата си от самото начало. В документа от 1842 г., който за първи път описа феномена, Доплер предлага това предсказание: „Почти трябва да се приеме със сигурност, че [ефектът на Доплер] в не твърде далечното бъдеще ще предложи на астрономите добре дошли средства за определяне на движенията и разстоянията на такива звезди, които поради неизмеримите си разстояния от нас и произтичащата от това дребност на паралактическите ъгли, до този момент едва ли са представили надеждата за подобни измервания и определяния. "

„Не твърде далечното бъдеще“ в крайна сметка беше почти 100 години, а това е колко време отне ефектът на Доплер да окаже голямо влияние върху космологията, метеорологията и медицината. Но това със сигурност оказа влияние и направи Доплер едно от най-признатите имена в историята на науката.

За повече информация относно ефекта на Доплер и свързаните теми, посетете връзките на следващата страница.

Досието на Доплера

Кажете „относителност“ и веднага ще оформите ментален образ на Алберт Айнщайн: бяла и дива коса, храстови мустаци и замислени очи. Малко хора обаче могат да представят човека зад ефекта на Доплер. За да помогнем за отстраняването на това, нека да прегледаме някои от жизненоважните статистики на Доплера:

Дата на раждане: 29 ноември 1803г

Място на раждане: Залцбург, Австрия

колеж: Виенски политехнически институт

Експертиза: Математика, механика и астрономия

Женен: Mathild Sturm, 1836

Деца: Три сина, две дъщери

смъртта: От туберкулоза, 17 март 1853г

Доплер първи описва откритието, което ще носи неговото име, в публикувана през 1842 г. книга, озаглавена „Über das farbige Licht der Doppelsterne“ („Относно цветната светлина на двойните звезди и някои други звезди на небето“). Шест години по-късно френски физик на име Арман-Иполит-Луи Физеу, не знаейки за работата на Доплер, ще публикува подобна книга, описваща точно същото явление, както се прилага за червено-синьото изместване на звездите. Всъщност някои учени описват изместването на светлината като ефект на Доплер-Физеу.


Видео Добавка: Doppler effect: reflection off a moving object | Physics | Khan Academy.




Изследване


Канибали За Вампири: Истински Гелове Преследват Папуа Нова Гвинея
Канибали За Вампири: Истински Гелове Преследват Папуа Нова Гвинея

Губиш Дистанционното Си Телевизор? 50 Процента Шанс Е Във Вашия Диван
Губиш Дистанционното Си Телевизор? 50 Процента Шанс Е Във Вашия Диван

Наука Новини


Колко Добър Си В Запомнянето На Лице? Нов Тест Разказва
Колко Добър Си В Запомнянето На Лице? Нов Тест Разказва

Служители В Киборг? Компанията Предлага Безплатен Микрочипинг На Работниците
Служители В Киборг? Компанията Предлага Безплатен Микрочипинг На Работниците

Мистериозен Метален Звук В Марианския Транш Накрая Се Идентифицира
Мистериозен Метален Звук В Марианския Транш Накрая Се Идентифицира

Енергийно Ефективни Домове, Планирани За Слънчевия Декатлон 2013 Г.
Енергийно Ефективни Домове, Планирани За Слънчевия Декатлон 2013 Г.

Генетични Мутанти? 5 Странни Научни Факти За Майките
Генетични Мутанти? 5 Странни Научни Факти За Майките


BG.WordsSideKick.com
Всички Права Запазени!
Възпроизвеждането На Използваните Материали Оставя Само Prostanovkoy Активна Връзка Към Сайта BG.WordsSideKick.com

© 2005–2020 BG.WordsSideKick.com