Von vorbeifahrenden Rettungsfahrzeugen bis zur Beobachtung entfernter Welten, die Doppler-Effekt ist ein faszinierendes und nützliches Phänomen. Hier werden wir uns ansehen, was es ist, und einige häufige Anwendungen des Effekts im wirklichen Leben diskutieren.
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Was bedeutet der Begriff "Doppler-Effekt"?
Laut Quellen wie Enzyklopädie Brittanica Der Doppler-Effekt ist definiert als :
"Der scheinbare Unterschied zwischen der Frequenz, mit der Schall- oder Lichtwellen eine Quelle verlassen, und der Frequenz, mit der sie einen Beobachter erreichen, verursacht durch die Relativbewegung des Beobachters und der Wellenquelle.
Dieses Phänomen wird in astronomischen Messungen, in Mössbauer-Effektstudien sowie in RADAR und der modernen Navigation verwendet. Es wurde erstmals 1842 vom österreichischen Physiker Christian Doppler beschrieben. "
Was ist der Doppler-Effekt?
Wie alles im Leben ist der beste Weg, etwas zu verstehen, es möglichst real zu beobachten. In Bezug auf den Doppler-Effekt erleben Sie es wahrscheinlich jeden Tag - ob Sie es bemerken oder nicht.
Das klassische Beispiel ist die relative Änderung des Geräusches, das Sie bemerken, wenn ein Rettungsfahrzeug mit eingeschalteter Sirene an Ihnen vorbeifährt. Wenn Sie darauf achten, werden Sie eine Änderung der Tonhöhe bemerken, wenn es sich nähert und dann vorbeifährt.
Die Sirene wird bei Annäherung mit einer höheren Tonhöhe wahrgenommen, bis die Quelle der Sirene Sie erreicht und dann an Ihnen vorbei geht. Sobald Sie "hinter" der Sirene sind, fällt die Tonhöhe ab.
Dies tritt auf, weil alle von einer Objektquelle emittierten Wellen relativ gesehen komprimiert werden Wellenlänge wird gequetscht und Frequenz steigt, wenn sie sich einem Beobachter nähern. Im Gegensatz dazu werden Wellen wiederum relativ gesehen ausgestreckt, wenn sich die Quelle von einer entferntBeobachter.
Der Doppler-Effekt ist auch der Grund für das Phänomen der Überschallknalle in Überschallflugzeugen.
Solange sich die Quelle oder das beobachtende Objekt langsamer als die Lichtgeschwindigkeit bewegt dh nicht relativistisch, kann die Frequenzänderung mit den folgenden Formeln berechnet werden :
Formel 1 ist das nicht relativistische Doppler-verschobene Frequenz eines Objekts, das sich mit der Geschwindigkeit v in Bezug auf einen stationären Beobachter bewegt.
Formel 2 ist die resultierende Doppler-verschobene Wellenlänge.
Quelle : NASA stellt sich das Universum vor.
In beiden Formeln c 0 ist die Geschwindigkeit der Welle in einem stationären Medium in diesem Fall die Schallgeschwindigkeit und die Geschwindigkeit ist die radiale Komponente der Geschwindigkeit der Teil in einer geraden Linie vom Beobachter.
Beide Formeln sind nicht relativistische Näherungen, die zutreffen, solange die Geschwindigkeit des sich bewegenden Objekts viel geringer ist als die Lichtgeschwindigkeit.
Es ist wichtig zu beachten, dass es die Konvention ist, dass die Geschwindigkeit immer positiv ist, wenn sich die Quelle vom Beobachter wegbewegt, und umgekehrt, negativ, wenn sie sich darauf zubewegt.
Ein ähnliches Phänomen wird auch bei Licht beobachtet.
Wenn das Licht von Sternen von einem Bezugspunkt wie der Erde aus betrachtet wird, ändert sich seine Farbe tatsächlich in Abhängigkeit von den relativen Bewegungen der Erde und des entfernten Sterns. Wenn sich der Stern relativ gesehen von der Erde wegbewegt, wird das LichtVerschiebung zum roten Ende des Spektrums.
Dies wird als "Rotverschiebung" bezeichnet, wenn über den Doppler-Effekt und das Licht gesprochen wird. Mit anderen Worten, es hat eine niedrigere Frequenz und eine längere Wellenlänge.
links : Sowohl der Beobachter als auch die Feuerwehrautos stehen. Wenn wir sagen, dass die Sirene einen 400-Hz-Ton abgibt, tritt keine Änderung auf.
Rechts : Der Beobachter steht, aber der LKW bewegt sich auf sie zu. Die Wellen werden komprimiert und der Beobachter hört nicht. 400 Hz , aber eine höhere Tonhöhe.
Beachten Sie, dass alle Kreise die von der Sirene abgegebenen Schallwellen darstellen.
Quelle : NASA stellt sich das Universum vor.
Wenn sich die Erde und der entfernte Stern einander nähern, wird das Licht des Sterns zum violetten Ende des Lichtspektrums verschoben. Mit anderen Worten, das Licht hat eine höhere Frequenz und eine kürzere Wellenlänge.
Dies wird als "Blueshifting" bezeichnet.
Obwohl dies praktisch nicht möglich ist, sollten Sie theoretisch in der Lage sein, schnell genug auf ein rotes Licht zuzugehen, damit es grün erscheint.
Sie können dasselbe für jeden anderen Teil des elektromagnetischen Spektrums tun, abhängig von der Relativbewegung eines Beobachters zu einer emittierenden Quelle.
Es ist zu beachten, dass die obigen Diagramme und Formeln für Ton und Licht gleich gut funktionieren, solange sie sich nicht in der Nähe der Lichtgeschwindigkeit bewegen. Wenn sich die Relativgeschwindigkeit zwischen Emissionsquelle und Beobachter der Lichtgeschwindigkeit nähertdann müssen relativistische Effekte berücksichtigt werden.
Aus diesem Grund müssten die obigen Formeln geändert werden.
Dieses Phänomen ist nicht nur aus wissenschaftlicher Sicht interessant, sondern hat auch einige sehr nützliche Anwendungen im wirklichen Leben. Von der Untersuchung der Bewegungen von Sternen über die Suche nach Doppelsternen im Kosmos bis hin zur Vorhersage des Wetters von morgenDer Doppler-Effekt wird regelmäßig verwendet, um unser Verständnis der Natur um uns herum zu fördern.
Was ist der Unterschied zwischen dem Doppler-Effekt und der Doppler-Verschiebung?
Im Wesentlichen nichts. Die beiden Begriffe werden synonym verwendet.
Einige unterscheiden die beiden jedoch als den Unterschied zwischen der beobachteten scheinbaren Änderung der Schall- oder Lichtfrequenz für einen Beobachter Doppler-Effekt und der tatsächlichen Änderung der Relativbewegung in Bezug auf ein Medium zwischen der Emissionsquelle und dem BeobachterDopplerverschiebung.
Das Medium ist so etwas wie die Luft - es ist erforderlich, damit sich der Schall überhaupt ausbreitet. Licht hingegen bewegt sich im Vakuum des Weltraums einwandfrei.
In der Praxis sind beide im Wesentlichen dasselbe, insbesondere in Bezug auf die Beobachtung der Relativbewegung von Himmelskörpern. Dies liegt daran, dass die Erde ständig um ihre Achse und im Raum sowie in allen anderen Objekten im Raum in Bewegung istwie Planeten und Sterne.
Wofür wird der Doppler-Effekt verwendet?
Und so gibt es ohne weiteres einige Möglichkeiten, wie der Doppler-Effekt im wirklichen Leben verwendet werden kann. Diese Liste ist alles andere als vollständig und in keiner bestimmten Reihenfolge.
1. Wissenschaftler verwenden den Doppler-Effekt, um entfernte Sterne zu beobachten
Die Doppler-Effekt ist ein sehr nützliches Werkzeug für Astronomen. Sterne senden ständig elektromagnetische Wellen in alle Richtungen aus, die wir von hier auf der Erde aus beobachten können.
Wenn sich der Stern um seinen Massenschwerpunkt dreht und sich im Raum bewegt, verschieben sich die Wellenlängen seiner EM-Strahlung entsprechend unserer Position auf der Erde entsprechend.
Wir beobachten dies als sehr subtile Änderungen im EM-Spektrum, insbesondere im sichtbaren Lichtbereich. Wenn sich der Stern auf uns zubewegt, werden seine EM-Emissionswellenlängen komprimiert und etwas blauer Blueshifts.
Wenn sich der Stern von uns entfernt, wird sein emittiertes Licht etwas rötlicher oder verschiebt sich rot. Um diesen Effekt zu beobachten, verwenden Astronomen einen sogenannten Spektrographen einen prismenartigen Apparat, der einfallende Lichtwellen in verschiedene Farben unterteilt.
In der äußeren Schicht des Sterns absorbieren Atome Licht bei bestimmten Wellenlängen. Diese können als "fehlend" beobachtet werden, indem sie als dunkle Linien in verschiedenen Farben des von der Sonne emittierten Spektrums erscheinen.
Diese sind als Marker zur Messung der Größe der Doppler-Verschiebung nützlich. Wenn der Stern alleine ist keine Planeten oder andere nahegelegene Sterne, sollte dieses Muster über die Zeit relativ konstant bleiben.
Wenn sich ein Begleitstern in der Nähe befindet, beeinflusst die Anziehungskraft dieses unsichtbaren Körpers die Bewegung des anderen Sterns an bestimmten Punkten seiner Umlaufbahn. Dies führt zu einer spürbaren Änderung des Gesamtmusters der Doppler-Verschiebung im Laufe der Zeit.
2. Der Doppler-Effekt wird verwendet, um zu finden Exoplaneten
Genau wie Begleitsterne Der Doppler-Effekt kann verwendet werden, um ihre Anwesenheit um einen entfernten Stern herum zu finden oder zumindest zu vermuten. Da diese Planeten relativ gesehen so klein sind, ist es sehr schwierig, sie mit herkömmlichen Teleskopen direkt zu beobachten.
Selbst wenn wir könnten, werden sie oft durch den überwältigenden Glanz ihres Elternsterns verdeckt.
Jeder Stern, der hat Exoplaneten wird " Wackeln "ganz leicht um seine Achse. Wir können den Doppler-Effekt verwenden, um mögliche Sternensysteme zu finden. Es sollte jedoch beachtet werden, dass wir mit diesem Ansatz nur größere Planeten finden können, die Jupiter ähneln oder größer sind.
Der Effekt ist subtiler als bei einem Begleitstern, aber es ist nützlich, die Umlaufzeit des Planeten auch bekannt als die Länge eines "Jahres" und die wahrscheinliche Form seiner Umlaufbahn sowie seine wahrscheinliche Mindestmasse zu bestimmen.
Für kleinere Exoplaneten wie einen anderen erdgroßen Planeten sind andere Methoden erforderlich. Spezialapparate wie das Kepler-Raumschiff der NASA suchen nach Tropfen in der emittierten Strahlung einer Elternsonne, wenn sich Planeten über die Oberfläche ihrer Sonne bewegen.
Als "Transitmethode" bezeichnet, können Astronomen den relativen Helligkeitsabfall eines Sterns berechnen und anhand dieser Daten die Größe des Körpers berechnen, der an der Sonne vorbeigegangen ist. Wir können sogar herausfinden, wie weit der Exoplanet entfernt ist, und Informationen ableitenüber seine wahrscheinliche atmosphärische Zusammensetzung.
Der Doppler-Effekt kann, wenn der Beobachtungsapparat empfindlich genug ist, sogar verwendet werden, um den wahrscheinlichen atmosphärischen Zustand des Planeten zu beobachten. Laut MIT war 2010 einer ihrer Postdoc-Absolventen Simon Albrecht konnte feststellen, dass Farbverschiebungen im vom Planeten absorbierten Licht darauf hindeuten, dass in seiner Atmosphäre wahrscheinlich starke Winde vorhanden sind.
Bisher vorbei 4.000 Exoplaneten ab 3. September 2020 NASA angekündigt, dass wir bestätigt haben 4,276 wurden mithilfe von Dingen wie dem Doppler-Effekt entdeckt.Es gibt auch Tausende von "Kandidaten" -Exoplaneten, die noch offiziell bestätigt werden müssen.
Erstaunlicherweise der erste Exoplanet wurde vor über drei Jahrzehnten in den 1990er Jahren entdeckt. Seitdem ist die Zahl gewachsen exponentiell . Da unser Beobachtungsapparat mit der Zeit immer komplexer und sensibler wird, wer weiß, was er über diese fernen Welten herausfinden kann.
3. Laser-Doppler-Anemometer nutzen auch den Doppler-Effekt
Windmesser sind Geräte zur Messung von Windgeschwindigkeiten. Sie kommen in verschiedenen Formen vor und wurden erstmals von einem italienischen Künstler, Leon Battista Alberti, erfunden. 1450 n. Chr.
Die häufigsten, mit denen Sie wahrscheinlich vertraut sind, sind Becheranemometer und Flügelzellenanemometer.
Es gibt jedoch spezielle Laser-Doppler-Anemometer. Technische Laser-Doppler-Velocimetrie. Geräte bestehen aus :
- Ein optisches Emissionsgerät, normalerweise ein Laser
- Eine Empfangsvorrichtung mit einem optischen System, einschließlich eines Fotodetektors und eines Fotovervielfachers
- Eine Art System zur Verarbeitung von Signalen, die vom Fotovervielfacher empfangen werden
Der Laser wird mit einem Prisma in zwei parallele Strahlen aufgeteilt, die beide durch eine Linse laufen, die sie an einem entfernten Brennpunkt konvergieren lässt. Diese Strahlen werden dann vom Empfänger aufgenommen und multipliziert, um für die Messung nützlich zu seinWindgeschwindigkeit.
Der Doppler-Effekt wird dann verwendet, um die Partikel innerhalb der Luft-Relativgeschwindigkeit zu berechnen, wenn die Lichtstrahlen vor Erreichen des Empfängers gestreut werden.
Die Technik kann in anderen Anwendungen als der Berechnung von Windgeschwindigkeiten verwendet werden. Sie wird häufig angewendet, z. B. in der Zuflussforschung, Automatisierung, Medizin, Navigation sowie zur Kalibrierung und für andere Messsysteme.
Wir werden einige dieser Techniken später besprechen.
4. Durchfluss- und Füllstandsensoren nutzen auch den Doppler-Effekt
Im Großen und Ganzen eine ähnliche Technik wie bei Laser-Doppler-Anemometern. Der Doppler-Effekt kann auch zum Messen verwendet werden. Flüssigkeitsfluss und als Füllstandsensoren .
Dies ist eine etablierte Technik, die in der Fluiddynamik häufig zur Messung von sich bewegenden Flüssigkeiten und Gasen verwendet wird. Sie ist nicht aufdringlich und sehr nützlich für Dinge wie Umkehrung des Flusses, chemisch reagierende oder Hochtemperaturmedien und rotierende Maschinen.und andere Situationen, in denen die Verwendung physikalischer Sensoren schwierig oder unmöglich sein kann.
Diese Technik erfordert jedoch Tracer-Partikel im Fluss. Die Technik sendet einen monochromatischen Laserstrahl auf eine Zielflüssigkeit aus Gas.
Unter bestimmten Umständen wie in Abwasser Die Technik beruht auf festen Partikeln oder Gasblasen in der Flüssigkeit.
Ein Empfänger sammelt und analysiert dann jede reflektierte Strahlung. Unter Verwendung der Prinzipien des Doppler-Effekts kann jede Änderung der Wellenlänge der reflektierten Strahlung verwendet werden, um die Relativgeschwindigkeit des Ziels zu berechnen.
4. Einige Echokardiogramme nutzen auch den Doppler-Effekt
An Echokardiogramm ist ein spezielles nicht-invasives Verfahren dh das Verfahren beinhaltet keine Punktion der Haut zur Beurteilung der Herzfunktion und -strukturen. In der Regel wird ein Schallkopf wie ein Mikrofon verwendet, um Schallwellen zu sendenHochfrequenz.
Wenn dieser Schallkopf an bestimmten Stellen und in bestimmten Winkeln auf der Brust platziert wird, wandern die Wellen durch die Haut und andere Körpergewebe zum Herzen. Wenn die Wellen auf das Herz treffen, prallen sie zurück oder "hallten" von den physischen Strukturen des Herzens ab.
Die zurückgesendeten Signale werden von einem Empfänger empfangen, der sie in elektronische Signale umwandelt und an einen Computer weiterleitet, um bewegte Bilder der Herzklappen und -wände zu erstellen.
Echokardiogramme gibt es in verschiedenen Formen, aber eines von ihnen nutzt den Doppler-Effekt, um zu funktionieren. Dieses Gerät wird - lustigerweise - als Doppler-Echokardiogramm bezeichnet und ist in vielen medizinischen Praxen auf der ganzen Welt weit verbreitet.
Diese Doppler-Echokardiogramm-Technik wird im Allgemeinen verwendet, um den Blutfluss durch die Herzkammern und -klappen zu messen und zu bewerten.
Es ist definiert als "t Die mit jedem Schlag abgepumpte Blutmenge ist ein Hinweis auf die Herzfunktion. Außerdem kann Doppler einen abnormalen Blutfluss im Herzen erkennen, der auf ein Problem mit einer oder mehreren der vier Herzklappen oder mit den Herzklappen hinweisen kannWände."
Es gibt auch eine andere Technik namens Farbdoppler-Echokardiographie. Als verbesserte Version der regulären Doppler-Echokardiographie werden verschiedene Farben verwendet, um die Richtung des Blutflusses zu bestimmen.
Diese Technik vereinfacht die Interpretation der Doppler-Technik.
5. Puls-Doppler-RADAR nutzt auch den Doppler-Effekt
Eine weitere interessante Anwendung des Doppler-Effekts ist für Puls-Doppler-RADAR Diese Technik wird hauptsächlich für Wetterstudien verwendet und ist so empfindlich, dass sie tatsächlich die Bewegung von Regentropfen und die Intensität des Niederschlags erfassen kann.
Puls-Doppler-RADAR verwendet RADAR mit doppelter Polarisation, das vertikale und horizontale Impulse sendet und empfängt.
Solche Geräte können die Entfernung zu einem Ziel mithilfe von Puls-Timing-Techniken bestimmen und die Geschwindigkeit der Zielobjekte mithilfe der Prinzipien des Doppler-Effekts berechnen.
Zuerst für militärische Zwecke entwickelt, eine der ersten Anwendungen war für die CIM-10 Bomarc eine amerikanische Langstrecken-Überschall-Ramjet-Rakete, die mit einem W40-Atomsprengkopf bewaffnet ist. Diese Rakete wurde entwickelt, um ganze Formationen feindlicher Flugzeuge in der Luft zu zerstören.
Die Technologie wurde in den 1960er Jahren auch häufig in Kampfflugzeugen eingesetzt. Sie wird auch in Flugsicherungssystemen verwendet, um Flugzeuge aus der Unordnung herauszusuchen.
Puls-Doppler-RADAR ist auch die Grundlage für RADAR mit synthetischer Apertur, das üblicherweise in der RADAR-Astronomie, Fernerkundung und Kartierung verwendet wird. Die Technik hat auch Anwendungen im Gesundheitswesen, zur Bewertung des Sturzrisikos und zur Sturzerkennung sowie in der Krankenpflege und in der Klinik gefundenZwecke.
6. RADAR Speed Guns nutzen auch den Doppler-Effekt
Eine weitere interessante Anwendung des Doppler-Effekts ist RADAR und RADAR Speed Guns . Unter Verwendung der Prinzipien des Effekts ist es möglich, die Geschwindigkeit eines Zielobjekts aus der Ferne zu messen.
Bei RADAR-Geschwindigkeitskanonen wird ein RADAR-Strahl auf ein sich bewegendes Ziel wie ein Auto abgefeuert, wenn es sich der RADAR-Quelle nähert oder von dieser zurücktritt. Sie können entweder in der Hand oder am Fahrzeug montiert sein und messen die Geschwindigkeiteines Zielfahrzeugs durch Erfassen der Frequenzänderung des zurückkehrenden RADAR-Signals.
Wenn sich das Fahrzeug nähert, ist die Frequenz höher als die emittierte RADAR-Quelle und umgekehrt, wenn sich das Fahrzeug von der RADAR-Pistole entfernt. Mit diesen Informationen kann dann die Relativgeschwindigkeit des Zielfahrzeugs zum berechnet werdenstationäre RADAR-Pistole.
Diese Geräte werden üblicherweise zur Durchsetzung von Geschwindigkeitsbegrenzungen verwendet, aber mehr Geräte verwenden LIDAR anstelle von RADAR. Das zugrunde liegende Prinzip ist jedoch für beide Typen einer RADAR-Pistole dasselbe.
7. Einige Lautsprecher nutzen auch den Doppler-Effekt
Und schließlich ist eine weitere interessante Anwendung des Doppler-Effekts im wirklichen Leben bei einigen Fachrednern zu finden. Leslie Lautsprecher Kombinieren Sie einen Verstärker und einen Lautsprecher, die das Signal eines elektrischen oder elektronischen Instruments projizieren und den Klang durch Drehen einer Prallkammer Trommel vor den Lautsprechern modifizieren können.
Zu den Lautsprechern gehört auch ein rotierender Satz Höhenhörner oben am Lautsprecher, die sich im Einklang mit der rotierenden Basistrommel bewegen. Dies erzeugt einen sehr einzigartigen Klang.
Der Lautsprecher wurde in den 1930er Jahren von Donald Leslie entwickelt, um einen Lautsprecher für a Hammond-Orgel das eine Pfeife oder eine Theaterorgel besser emuliert. Eine Hammond-Orgel ist eine elektrische Orgel, die Laurens Hammond und John M. Hanert in den 1930er Jahren erstmals erfunden haben.
Diese Lautsprecher verwenden die Prinzipien des Doppler-Effekts, indem sie mit einem Elektromotor akustische Hörner in die Umgebung eines Lautsprechers verwandeln. Ein ähnlicher Effekt kann durch Drehen einer Reihe von Hörnern vor einem Höhenfahrer erzielt werden.
Diese Lautsprecher werden auch häufig in Verbindung mit E-Gitarren und einigen anderen elektronischen Musikinstrumenten verwendet. Der Lautsprecher kann von einem Musiker entweder über einen externen Schalter oder ein Pedal gesteuert werden, das zwischen langsamen und schnellen Geschwindigkeitseinstellungen wechselt, die als "Chorus" und bezeichnet werden"Tremolo".
Und das ist ein Wrap.
Wie wir gesehen haben, ist der Doppler-Effekt nicht nur an und für sich interessant, sondern hat auch einige wichtige reale Anwendungen. Sie werden ein vorbeifahrendes Fahrzeug nie wieder so sehen.