Você provavelmente notou que o tom das ondas sonoras muda se forem geradas por uma fonte em movimento, se aproximando ou se afastando de você.

Por exemplo, imagine-se em pé na calçada e ouvindo as sirenes de uma abordagem de veículo de emergência e passe. A frequência, ou o tom da sirene, à medida que o veículo se aproxima, é mais alta até passar por você e, nesse ponto, fica mais baixa. A razão para isso é algo chamado efeito Doppler.
O que é o efeito Doppler?

O efeito Doppler, nomeado pelo matemático austríaco Christian Doppler, é uma alteração na frequência do som (ou na frequência de qualquer onda). , causado) porque a fonte que emite o som (ou o observador) se move no tempo entre a emissão de cada frente de onda sucessiva.

Isso resulta em um aumento no espaçamento dos picos de onda, se está se afastando ou uma diminuição no espaçamento das ondas atinge o pico se uma fonte de som estiver se movendo em direção ao observador.

Observe que a velocidade do som no ar NÃO muda como resultado desse movimento. Somente o comprimento de onda e, portanto, a frequência, o fazem. (Lembre-se de que comprimento de onda λ
, frequência f
e velocidade de onda v
estão relacionados via v \u003d λf
.)
Fonte de som

Imagine uma fonte que emite um som de frequência f _{fonte
está se movendo em direção a um observador estacionário com velocidade v fonte
. Se o comprimento de onda inicial do som for λ fonte
, o comprimento de onda detectado pelo observador deve ser o comprimento de onda original λ fonte
menos a distância que a fonte se move durante o tempo necessário para emitir um comprimento de onda completo, ou quão longe ele se move em um período, ou 1 / f fonte
segundos:
\\ lambda_ {observer} \u003d \\ lambda_ {source} - \\ frac {v_ {fonte}} {f_ {fonte}}}

Reescrevendo a λ _{fonte
em termos de velocidade do som, v som
e > f fonte
você recebe:
\\ lambda_ {observador} \u003d \\ frac {v_ {sound}} {f_ {fonte}} - \\ frac {v_ {fonte}} {f_ {fonte}} \u003d \\ frac {v_ {sound} - v_ {source}} {f_ {source}}}

Usando o fato de que a velocidade da onda é o produto do comprimento de onda e da frequência, você pode determinar qual frequência o observador detecta, f _{observador
, em termos de velocidade do som v som
, a velocidade da fonte e a frequência emitida pela fonte.
f_ {observador} \u003d \\ frac {v_ {sound}} {\\ lambda_ {source}} \u003d \\ frac {v_ {sound}} {v_ {sou nd} - v_ {fonte}} f_ {fonte}}

Isso explica por que o som parece ter um tom mais alto (frequência mais alta) quando um objeto se aproxima de você.
Fonte de som recuando

Imagine uma fonte emitindo um som de frequência f _{fonte
está se afastando de um observador com velocidade v fonte
. Se o comprimento de onda inicial do som for λ fonte
, o comprimento de onda detectado pelo observador deve ser o comprimento de onda original λ fonte
mais a distância que a fonte se move durante o tempo necessário para emitir um comprimento de onda completo, ou quão longe ele se move em um período, ou 1 / f fonte
segundos:
\\ lambda_ {observer} \u003d \\ lambda_ {source} + \\ frac {v_ {fonte}} {f_ {fonte}}}

Reescrevendo a λ _{fonte
em termos de velocidade do som, v som
e > f fonte
você recebe:
\\ lambda_ {observador} \u003d \\ frac {v_ {sound}} {f_ {fonte}} + \\ frac {v_ {fonte}} {f_ {fonte}} \u003d \\ frac {v_ {sound} + v_ {source}} {f_ {source}}}

Usando o fato de que a velocidade da onda é o produto do comprimento de onda e da frequência, você pode determinar qual frequência o observador detecta, f _{observador
, em termos de velocidade do som v som
, a velocidade da fonte e a frequência emitida pela fonte.
f_ {observador} \u003d \\ frac {v_ {sound}} {\\ lambda_ {source}} \u003d \\ frac {v_ {sound}} {v_ {so und} + v_ {fonte}} f_ {fonte}}

Isso explica por que os sons parecem ter um tom mais baixo (frequência mais baixa) quando um objeto em movimento está retrocedendo.
Movimento relativo

Se a fonte e o observador estiver se movendo, a frequência observada depende da velocidade relativa entre a fonte e o observador. A equação para a frequência observada torna-se:
f_ {observador} \u003d \\ frac {v_ {som} ± v_ {observador}} {v_ {som} ∓ v_ {fonte}} f_ {fonte}

Os principais sinais sendo usado para avançar e os sinais de fundo sendo usados para se afastar.
Sonic Boom

À medida que um jato de alta velocidade se aproxima da velocidade do som, as ondas sonoras à sua frente começam a se acumular ”Quando seus picos de onda se tornam cada vez mais próximos. Isso cria uma quantidade muito grande de resistência à medida que o avião tenta alcançar e exceder a velocidade do som.

Uma vez que o avião empurra e supera a velocidade do som, uma onda de choque é criada e um boom sônico muito alto. resultados.

À medida que o jato continua voando mais rápido que a velocidade do som, todo o som associado a seu vôo fica atrás dele, à medida que aumenta.
Deslocamento Doppler para ondas eletromagnéticas

Deslocamento Doppler pois as ondas de luz funcionam da mesma maneira. Diz-se que os objetos que se aproximam demonstram uma mudança de azul, pois sua luz será deslocada para o extremo azul do espectro em, e os objetos que estão retrocedendo demonstram uma mudança de vermelho.

Você pode determinar coisas como a velocidades de objetos no espaço e até a expansão do universo a partir desse efeito.
Exemplos para estudar

Exemplo 1: Um carro de polícia se aproxima de você com suas sirenes tocando a uma velocidade de 100 km /h. Como a frequência real da sirene se compara à frequência que você percebe? (Suponha que a velocidade do som no ar seja 343 m /s)

Primeiro, converta 70 mph em m /se obtenha 31,3 m /s.

A frequência experimentada pelo observador é então :
f_ {observador} \u003d \\ frac {343 \\ text {m /s}} {343 \\ text {m /s} - 31,3 \\ text {m /s}} f_ {source} \u003d 1.1f_ {source}

Portanto, você ouve uma frequência 1,1 vezes maior (ou 10% maior) que a frequência da fonte.

Exemplo 2: A luz amarela de 570 nm de um objeto no espaço é deslocada em vermelho por 3 nm. Qual a velocidade da recessão desse objeto?

Aqui você pode usar as mesmas equações de deslocamento Doppler, mas em vez do som v
_{, você usaria c
, o velocidade da luz. Reescrevendo a equação de comprimento de onda observada para a luz, você obtém:
\\ lambda_ {observador} \u003d \\ frac {c + v_ {fonte}} {f_ {fonte}}}

Usando o fato de que f _{source \u003d c /λ fonte
e, em seguida, resolvendo para v fonte
, você obtém:
\\ begin {align} e \\ lambda_ {observer} \u003d \\ frac {c + v_ {fonte}} {c} \\ lambda_ {fonte} \\\\ &\\ implica v_ {fonte} \u003d \\ frac {\\ lambda_ {observador} - \\ lambda_ {fonte}} {\\ lambda_ {fonte}} c \\ final {alinhado}}

Por fim, ao inserir valores, você obtém a resposta:
v_ {source} \u003d \\ frac {3} {570} 3 \\ times 10 ^ 8 \\ text {m /s} \u003d 1,58 \\ vezes 10 ^ 6 \\ text {m /s}

Observe que isso é extremamente rápido (cerca de 5 milhões de quilômetros por hora) e que, embora o turno Doppler seja chamado de turno "vermelho", essa luz deslocada ainda pareceria amarela ", 3, [[Os termos “vermelho deslocado” e “azul deslocado” não significam que a luz se tornou vermelha ou azul, mas que ela simplesmente se deslocou para esse fim do espectro.
Outras aplicações do efeito Doppler

O efeito Doppler é utilizado em muitas aplicações diferentes do mundo real por cientistas, médicos, militares e várias outras pessoas. Além disso, sabe-se que alguns animais fazem uso desse efeito para "ver" saltando ondas sonoras de objetos em movimento e ouvindo mudanças no tom do eco.

Na astronomia, o efeito Doppler é usado para determinar as taxas de rotação das galáxias espirais e as velocidades com que as galáxias estão retrocedendo.

A polícia utiliza o efeito Doppler com armas de radar com detecção de velocidade. Os meteorologistas o usam para rastrear tempestades. Os ecocardiogramas Doppler usados pelos médicos usam ondas sonoras para produzir imagens do coração e determinar o fluxo sanguíneo. Os militares até usam o efeito Doppler para determinar as velocidades submarinas.