effetto Doppler

Quando un’ambulanza passa con la sua sirena a tutto volume, senti il ​​tono della sirena cambiare: mentre si avvicina, il tono della sirena suona più forte di quando si allontana da te. Questa variazione è una comune dimostrazione fisica dell’effetto Doppler.

L’effetto Doppler descrive il cambiamento nella frequenza osservata di un’onda quando c’è un movimento relativo tra la sorgente dell’onda e l’osservatore. Fu proposto per la prima volta nel 1842 dal matematico e fisico austriaco Christian Johann Doppler. Durante l’osservazione di stelle lontane, Doppler ha descritto come il colore della luce delle stelle cambia con il movimento della stella.

Per spiegare perché si verifica l’effetto Doppler, dobbiamo iniziare con alcune caratteristiche di base del moto ondoso. Le onde si presentano in una varietà di forme: increspature sulla superficie di uno stagno, suoni (come con la sirena sopra), luce e tremori di terremoto mostrano tutti un movimento ondoso periodico.

Due delle caratteristiche comuni utilizzate per descrivere tutti i tipi di moto ondoso sono la lunghezza d’onda e la frequenza. Se si considera che l’onda ha picchi e depressioni, la lunghezza d’onda è la distanza tra picchi consecutivi e la frequenza è il conteggio del numero di picchi che superano un punto di riferimento in un dato periodo di tempo.

Quando abbiamo bisogno di pensare a come le onde viaggiano nello spazio bidimensionale o tridimensionale, usiamo il termine fronte d’onda per descrivere il collegamento di tutti i punti comuni dell’onda.

Quindi il collegamento di tutti i picchi d’onda che provengono dal punto in cui un sasso viene lasciato cadere in uno stagno creerebbe una serie di fronti d’onda circolari (increspature) se visti dall’alto.

Considera una sorgente stazionaria che emette onde in tutte le direzioni con una frequenza costante. La forma dei fronti d’onda provenienti dalla sorgente è descritta da una serie di “gusci” concentrici e equidistanti. Qualsiasi persona ferma vicino alla sorgente incontrerà ciascun fronte d’onda con la stessa frequenza con cui è stato emesso.

Ma se la sorgente d’onda si muove, il modello dei fronti d’onda apparirà diverso. Nel tempo che intercorre tra l’emissione di un picco d’onda e il successivo, la sorgente si sarà spostata in modo che i gusci non siano più concentrici. I fronti d’onda si raggrupperanno (si avvicineranno l’uno all’altro) davanti alla sorgente mentre viaggia e saranno distanziati (più lontani) dietro di essa.

Ora una persona ferma davanti alla sorgente in movimento osserverà una frequenza più alta di prima mentre la sorgente viaggia verso di loro. Al contrario, qualcuno dietro la sorgente osserverà una frequenza più bassa dei picchi d’onda mentre la sorgente si allontana da essa.

Questo mostra come il movimento di una sorgente influenzi la frequenza sperimentata da un osservatore fermo. Un cambiamento simile nella frequenza osservata si verifica se la sorgente è ferma e l’osservatore si sta avvicinando o allontanando da essa.

In effetti, qualsiasi movimento relativo tra i due causerà uno spostamento/effetto Doppler nella frequenza osservata.

Allora perché sentiamo un cambio di tono per le sirene che passano? Il tono che sentiamo dipende dalla frequenza dell’onda sonora. Un’alta frequenza corrisponde a un tono acuto. Quindi, mentre la sirena produce onde di frequenza costante, mentre si avvicina a noi la frequenza osservata aumenta e il nostro orecchio sente un tono più alto.

Dopo che ci ha superato e si sta allontanando, la frequenza e il tono osservati diminuiscono. Il vero tono della sirena è da qualche parte tra il tono che sentiamo quando si avvicina a noi e il tono che sentiamo mentre si allontana.

Animazione del lobo frontale
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Per le onde luminose, la frequenza determina il colore che vediamo. Le frequenze più alte della luce sono all’estremità blu dello spettro visibile; le frequenze più basse appaiono all’estremità rossa di questo spettro.

Se stelle e galassie si allontanano da noi, la frequenza apparente della luce che emettono diminuisce e il loro colore si sposterà verso l’estremità rossa dello spettro. Questo è noto come spostamento verso il rosso.

Una stella che viaggia verso di noi apparirà spostato in blu (frequenza più alta). Questo fenomeno è stato ciò che per primo ha portato Christian Doppler a documentare il suo effetto omonimo e alla fine ha permesso a Edwin Hubble nel 1929, quando ha osservato che tutte le galassie sembravano essere spostate verso il rosso (cioè allontanarsi da noi e l’una dall’altra), a proporre che l’universo si stava espandendo.

L’effetto Doppler ha molte altre applicazioni interessanti oltre agli effetti sonori e all’astronomia. Un Radar Doppler utilizza le microonde riflesse per determinare la velocità di oggetti in movimento distanti. Lo fa inviando onde con una frequenza particolare e quindi analizzando l’onda riflessa per i cambiamenti di frequenza.

Viene applicato nell’osservazione meteorologica per caratterizzare il movimento delle nuvole e i modelli meteorologici e ha altre applicazioni nell’aviazione e nella radiologia. Viene anche utilizzato nei rilevatori di velocità della polizia, che sono essenzialmente piccole unità radar Doppler.

L’imaging medico utilizza anche l’effetto Doppler monitorare il flusso sanguigno attraverso i vasi del corpo. L’ecografia Doppler utilizza onde sonore ad alta frequenza e ci consente di misurare la velocità e la direzione del flusso sanguigno per fornire informazioni su coaguli di sangue, arterie bloccate e funzione cardiaca negli adulti e nei feti in via di sviluppo.

La nostra comprensione dell’effetto Doppler ci ha permesso di saperne di più sull’universo di cui facciamo parte, misurare il mondo che ci circonda e guardare all’interno del nostro corpo. 

Lo sviluppo futuro di questa conoscenza – incluso come invertire l’effetto Doppler – potrebbe portare a una tecnologia una volta letta solo nei romanzi di fantascienza, come i mantelli dell’invisibilità.

Autore

Gillian IsoardiQueensland University of Technology