Doppler-efekti ääniaaltoihin

Doppler-ilmiö on keino, jolla aalto-ominaisuudet (erityisesti taajuuksiin) lähteen tai kuuntelijan liikkeet vaikuttavat. Oikealla oleva kuva osoittaa, kuinka liikkuva lähde vääristäisi siitä tulevia aaltoja Doppler-ilmiön (tunnetaan myös nimellä Dopplerin muutos).

Jos olet joskus odottanut rautatien ylitystä ja kuunnellut junan pilliä, olet todennäköisesti huomannut, että pillin sävelkorkeus muuttuu, kun se liikkuu suhteessa sijaintiisi. Samoin sireenin sävelkorkeus muuttuu sen lähestyessä ja ohittaen sitten tielle.

Tarkastellaan tilannetta, jossa liike on suunnattu linjaan kuuntelijan L ja lähteen S välillä positiivisena suunnana kuuntelijasta lähteeseen. Nopeudet v_L ja v_S ovat kuuntelijan ja lähteen nopeudet suhteessa aaltoväliaineeseen (ilmaan tässä tapauksessa, jota pidetään levossa). Ääniaallon nopeus, v, pidetään aina positiivisena.

Soveltamalla näitä liikkeitä ja ohittamalla kaikki sotkuiset johdannaiset, saamme kuuntelijan kuultavan taajuuden (f_L) lähteen taajuuden suhteen (f_S):

f_L = [(v + v_L)/(v + v_S)] f_S

Jos kuuntelija on levossa, niin v_L = 0.
Jos lähde on levossa, niin v_S = 0.
Tämä tarkoittaa, että jos lähde tai kuuntelija eivät liiku, niin f_L = f_S, mitä juuri sitä voidaan odottaa.

Jos kuuntelija siirtyy kohti lähdettä, niin v_L > 0, jos se sitten siirtyy lähteestä v_L < 0.

Vaihtoehtoisesti, jos lähde liikkuu kohti kuuntelijaa, liike on negatiiviseen suuntaan, joten v_S <0, mutta jos lähde on siirtymässä pois kuuntelijasta, niin v_S > 0.

Doppler-efekti on pohjimmiltaan fyysisten aaltojen käyttäytymisen ominaisuus, joten ei ole syytä uskoa, että se koskee vain ääni-aaltoja. Kaikilla aaltoilla todellakin näyttäisi olevan Doppler-vaikutus.

Samaa käsitettä voidaan soveltaa paitsi valoaaltoihin. Tämä siirtää valoa valon sähkömagneettista spektriä pitkin (molemmat näkyvä valo ja sen ulkopuolella), luomalla Dopplerin muutos valoaalloissa Tätä kutsutaan joko punanaikaksi tai blueshiftiksi riippuen siitä, ovatko lähde ja tarkkailija siirtymässä toisistaan ​​vai kohti toisiaan. Vuonna 1927, tähtitieteilijä Edwin Hubble havaitsi etäisten galaksien valoa siirrettynä tavalla, joka vastasi Doppler-vaihto ja pystyi käyttämään sitä ennustamaan nopeuden, jolla he siirtyivät pois Maan. Kävi ilmi, että yleensä kaukana olevat galaksit siirtyivät maasta nopeammin kuin lähellä olevat galaksit. Tämä löytö auttoi vakuuttamaan tähtitieteilijöitä ja fyysikkoja (mukaan lukienAlbert Einstein) että maailmankaikkeus todella laajeni sen sijaan, että pysyisi staattisena koko ikuisuuden ajan, ja lopulta nämä havainnot johtivat iso bang teoria.