Dopplereffekten

Frå Wikipedia – det frie oppslagsverket

Eit objekt flyttar seg frå høgre til venstre medan det sendar ut bølgjer. Bølgjelengda blir kortare til venstre og lengre til høgre.

Dopplereffekten er den tilsynelatande endringa i frekvens eller bølgjelengde hos ei bølgje som blir målt av ein observatør som flyttar seg relativt til bølgjekjelda. For bølgjer som breier seg i eit medium, til dømes lydbølgjer, ser ein både på observatørens og kjeldas rørsle relativt til mediet bølgjene breier seg gjennom. Den totale Dopplereffekten kan derfor komma frå rørsle både av kjelda og av observatøren. Kvar av desse analyserast for seg.

Christian Andreas Doppler tala for at at ein slik effekt fanst i 1842 i monografien Über das farbige Licht der Doppelsterne und einige andere Gestirne des Himmels. Hypotesen blei først prøvd for lydbølgjer av den nederlandske vitskapsmannen Christoph Hendrik Diederik Buys Ballot i 1845. Han nytta eit jernbanetog og fleire hornblåsarar for å vise at tonehøgda var høgare når hornet nærma seg lyttaren og lågare når det fjerna seg. Armand-Hippolyte Fizeau oppdaga det same fenomenet hos elektromagnetiske bølgjer i 1848, uavhengig av Doppler og Buys Ballot. I Frankrike kallast effekten stundom «effet Doppler-Fizeau».

Det er viktig å ha klart for seg at bølgjene som kjelda sender ut ikkje endrar frekvens. Denne analogien illustrerer dette: Nokon kastar ballar på deg. Kvart sekund kastar denne ein ny ball i hovudet på deg, og vi føreset at ballen flyg gjennom lufta med ei konstant fart. Står ballkastaren stille vil du få ein ball i hovudet kvart sekund. Står ballkastaren på ei tralle som trillar mot deg vil han vera litt nærare for kvar ball han kastar. Kvar ball har derfor ei litt kortare strekning å tilbakelegge. Og det vil gå litt mindre enn eit sekund mellom kvar ball som treff deg i hovudet. Og det kjennest som om ballkastaren kastar oftere. Det motsette er tilfelle dersom ballkastaren trillar frå deg. I røynda er det bølgjelengda som skifter. Som ein konsekvens skifter den oppfatta frekvensen.

Dersom den rørlege kjelda sendar bølgjer med ein reell frekvens f₀ så vil ein observatør som er stasjonær i forhold til mediet oppfatte bølgjer med ein frekvens f gitt ved:

$f = f_0 \frac {v}{v - v_{s, r}}$ ,

der v er farta bølgjene breier seg med i mediet og v_s, r er kjeldas fart relativt til mediet, radialt til observatøren (positiv om rørsla er mot observatøren, negativ om den er frå).

Ein tilsvarande analyse for ein rørleg observatør og ei stasjonær kjelde gjer denne oppfatta frekvensen (observatørens rørsle representert ved v_o):

$f = f_0 \left(1 + \frac {v_0}{v} \right)$ .

Fizeau gjorde snart det første forsøket på å utvide Dopplers analyse til lys. Men lysbølgjer treng ikkje noko medium for å flytta seg og ei korrekt forståing av Doppler-effekten for lys krev bruk av Den spesielle relativitetstorien. Sjå relativistisk dopplereffekt.

[endre] Bruksområde

Ein stasjonær mikrofon fangar opp lyden frå dei to politibilane med forskjellig tonehøgd. Tonehøgda avheng av retninga på rørslene deira i forhold til mikrofonen.

[endre] I kvardagen

Sirena på eit utrykningskjøretøy som passerer vil først ha ei høgare tonehøgd enn om kjøretøyet hadde stått stille, denne tonhøgda vil gradvis gå ned når sirena nærmar seg. Tonehøgda vil falle brått når kjøretøyet passerer, og gå dessmeir ned etter kvart som kjøretøyet forsvinn. John Dobson forklarar effekten slik:

Tonehøgda går gradvis ned av di sirena ikkje treff deg.

Med andre ord, om sirena hadde kommi rett mot deg ville tonehøgda ha vore konstant (av di v_s, r berre er den radiale komponenten) til ambulansen traff deg, for så straks å hoppe til ei ny, lågare tonehøgd. Skilnaden mellom det høge toneleiet og det stasjonære toneleiet ville vore den same som skilnaden mellom det låge og det stasjonære toneleiet. Men av di ambulansen kjører forbi deg (og ikkje over deg) er den radiale farten ikkje konstant, men varierer som ein funksjon av vinkelen mellom siktelinja mellom deg og ambulansen og ambulansens kjøreretning:

$v_{s, r}=v_s\cdot \cos{\theta}$

kor v_s er bølgjekjeldas fart relativt til mediet og $θ$ er vinkelen mellom kjeldas fartsretning og siktelinja mellom kjelde og observatør.

[endre] Astronomi

Innafor astronomien har ein stor nytte av Dopplereffekten for lys. Ein nyttar han for å måle den farta stjerner og galaksar har frå eller mot jorda. Ein kan sjå om ei til synes enkel stjerne i røynda er binær og måle rotasjonsfarta til stjerner og galaksar.

Bruken av Doppler-effekten innafor astronomien byggjer på det at stjernenes spektralområde ikkje er kontinuerleg. Det har absorbsjonsliner ved vel definerte frekvensar som svarar til dei energiar som er nausynte for å heva elektronar i skilde grunnstoff frå eit nivå til eit anna. Dopplereffekten kjem til synes når absorbsjonslinene ikkje er i dei frekvensane dei er hos ei stasjonær lyskjelde. Av di blått lys har høgare frekvens enn raudt vil eit objekt som kjem nærare ha absorbsjonsliner meire mot det blå. Motsett vil eit objekt som reiser frå oss ha eit rødskift.

Mellom dei næraste stjernene er den største radiære farta relativt til sola +308 km/s (BD-15°4041, også kjent som LHS 52, 81.7 lysår unna) og -260 km/s (Woolley 9722, også kjent som Wolf 1106 og LHS 64, 78.2 lysår unna). Positiv radiær fart tydar at stjerna fjernar seg frå sola, negativ at den kjem nærare.

Rødskift-effekten som viser at fjerne galaksar synest å ha ei rørsle frå oss er ikkje det same som Dopplereffekten,jamvel om mange trur det. Denne effekten skuldast at universet ekspanderer og kan nyttast til å kalkulera alderen på universet. Sjå også Hubbles lov.

[endre] Radar

Hovudartikkel: Dopplerradar

Dopplereffekten er nytta i nokre typer radar for å måle farta til objekt. Ein peiker med ein radarstråle mot eit objekt (til dømes ein bil) i fart mot radaren. Kvar bølgje reiser ein noko mindre avstand enn den forrige før den treff bilen og reflekterast attende til kjelda. Avstanden mellom dei mottatte bølgjene er derfor litt mindre enn avstanden mellom dei som blei sende ut, og bølgjelengda blir mindre. Svarande til dette aukar den reflekterte bølgjelengda dersom objektet fjernar seg. Uansett nyttar ein dette Doppler-skiftet til å kalkulera bilens fart.

[endre] Medisinsk bildedanning

Eit ekkokardiogram kan, med nokre avgrensingar, gje opplysingar om fart og -retningar i blod og hjartevev ved hjelp av Dopplerradar. Eit vilkår er at ultralydstrålen bør vera noko nær parallell med fartsretninga. Fartsmålinga gjør det mulig å vurdere funksjon i hjarteklaffane, finne opninger i hjartets skiljevegger og å rekne ut hjartets slagvolum. Ein kan også måle farten på hjartemuskelens samantrekning med vevsdoppler.

Jamvel om all slags fartsmåling innafor medisinsk bildedanning kalles "Doppler", er det ofte faseforskyving som blir målt, ikkje frekvensforskyving som ved Dopplereffekten.

Farten på blodstraumen blir også målt innafor andre greiner av medisinsk ultralyd, som obstetrikk og nevrologi.