Doppler etkisi veya Doppler kayması, dalganın kaynağı gözlemciye göre hareket ederken bir dalganın gözlemlenen frekansındaki değişimdir. Hem ses hem de elektromanyetik dalgalarda (ışık dalgaları dahil) oluşan Doppler etkisinin bir dizi uygulaması vardır. Gökbilimciler, örneğin yıldızların Dünya'ya göre hareketini ölçmek için kullanırlar.
Nasıl olduğunu bilmese de neredeyse herkes Doppler etkisini deneyimlemiştir. Örneğin, biri sokak köşesinde duruyorsa ve bir ambulans siren çalarak yaklaşırsa, sirenin sesi yaklaştıkça sürekli olarak artar. Sonra, uzaklaştıkça, ses hissedilir şekilde azalır.
Dalga Hareketi ve Özellikleri
Ses ve ışık, enerji örnekleridir ve her ikisi de dalgalar üzerinde taşınır. Dalga hareketi, aslında herhangi bir maddeyi hareket ettirmeden enerjiyi bir yerden diğerine taşıyan bir tür harmonik harekettir. Bir veya daha fazla boyutta bir tür harmonik hareket olan salınımla ilgilidir.
Salınım net hareket içermez, sadece yerinde hareket içerir; yine de dalga ortamındaki tek tek noktalar, tüm dalga modeli hareket ederken bile salınmaktadır.
Periyodik hareket terimi veya periyotlar olarak adlandırılan düzenli aralıklarla tekrarlanan hareket, periyodik dalgaların davranışını tanımlar - düzenli bir dizi tepe ve çukurun düzenli olarak birbirini takip ettiği dalgalar. Bir Periyot (T sembolü ile temsil edilir), dalganın çukurdan tepeye ve tekrar çukura bir tam döngüsünü tamamlamak için gereken süredir.
Periyot, dalga hızı, frekans ve dalga boyu dahil olmak üzere dalga hareketinin diğer birçok yönüyle matematiksel olarak ilişkilidir. Frekans (kısaltılmış f), bir saniyelik aralıkta belirli bir noktadan geçen dalgaların sayısıdır.
On dokuzuncu yüzyıl Alman fizikçi Heinrich Rudolf Hertz'in (1857-1894) adını taşıyan Hertz (Hz) cinsinden ölçülür ve bir Hertz saniyede bir salınım döngüsüne eşittir. Dalga boyu (λ sembolü, Yunanca lambda ile temsil edilir), bir dalganın bir tepesi ile bitişik tepesi veya bir çukur ve bitişik bir çukur arasındaki mesafedir. Frekans ne kadar yüksekse dalga boyu o kadar kısadır.
Genlik, tartışılan parametrelerden matematiksel olarak bağımsız olsa da, sesin anlaşılması için kritiktir. Titreşen bir malzemenin maksimum yer değiştirmesi olarak tanımlanan genlik, bir dalganın "boyutu" dur.
Genlik ne kadar büyükse, dalganın içerdiği enerji de o kadar büyük olur: genlik yoğunluğu gösterir, bu da ses dalgaları söz konusu olduğunda insanların genellikle "hacim" dediği şey olarak tezahür eder. Benzer şekilde, bir ışık dalgasının genliği, ışığın yoğunluğunu belirler.
Referans Çerçevesi
Dalga hareketiyle ilgili temel bilgiler hakkında bilgi sahibi olmak, Doppler etkisini anlamak için çok önemlidir; bu yüzden de fizikle olduğu kadar insan psikolojisi ve algısıyla da ilgili olan başka bir olgunun takdiridir.
Referans çerçevesi, bir nesne veya olayla ilgili olarak bir gözlemcinin perspektifidir. Bir referans çerçevesinde işler, bir kişi için diğerinde olduğundan farklı görünebilir.
Bağıl Hareket
Fizikçiler genellikle göreceli hareketten veya bir nesnenin diğerine göre hareketinden bahseder. Örneğin, insan vücudundaki moleküller sürekli hareket halindedir, ancak vücudun kendisine göre hareket etmiyorlar: birbirlerine göre hareket ediyorlar.
Daha büyük bir ölçekte, Dünya yaklaşık 1.000 MPH (1.600 km / s) hızla kendi etrafında ve Güneş'in etrafında ise 67.000 MPH (107.826 km / s) hızla dönüyor - insanların motorlu bir araçla seyahat etmelerinden neredeyse üç kat daha hızlı.
Yine de hiç kimse, Dünya'nın hareketinin hızını, bir arabanın hareketini algıladığı şekilde ya da 1969'da Apollo 11'deki astronotların uzay araçlarının yaklaşık 25.000 mil/saat (40.000 km / s) hızla hareket ettiğini algıladıkları şekilde algılamaz.
Araba veya uzay aracı söz konusu olduğunda, hareket diğer nesnelerle ilişkili olarak algılanabilir: bir yanda yol işaretleri ve binalar, diğer yanda Dünya ve Ay. Ancak insanların, Dünya'nın hareketini algılayacakları bir referans çerçevesi yoktur.
Eğer biri bir trenin içinde aynı hızda hareket eden başka bir trenin yanında seyahat ediyor olsaydı, arka plandaki ağaçlar veya dağlar gibi bir referans noktasına bakmadıkça, iki trenin de gerçekten hareket ettiğini algılaması imkânsız olurdu.
Benzer şekilde, eğer iki tren yan yana duruyorsa ve yandaki tren hareket etmeye başladıysa, göreceli hareket, hareketsiz trendeki bir yolcunun içinde bulunduğu trenin hareket ettiğine inanmasına neden olabilir. Aslında, Albert Einstein'ın (1879-1955) Görelilik Teorisi ile gösterdiği gibi, tüm hareket görecelidir: Bir şeyin hareket ettiğini söylediğimizde, başka bir şeye göre hareket ettiğini kastediyoruz.
Doppler Keşfi
Einstein'ın doğmasından çok önce, Avusturyalı fizikçi Christian Johann Doppler (1803-1853), ses dalgalarının veya ışık dalgalarının göreceli hareketine ilişkin önemli bir keşif yaptı.
Doppler, şimdi Çek Cumhuriyeti'nin başkenti, ancak daha önce Avusturya-Macaristan İmparatorluğu'nun bir parçası olan Prag'da ders verirken, yaygın, ancak daha önce açıklanamayan bir fenomenle büyülendi.
Bir gözlemci bir demiryolu rayının yanında durduğunda ve bir tren yaklaştığında, Doppler, trenin düdüğünün yüksek bir perdeye sahip olduğunu fark etti. Bununla birlikte, geçerken, trenin düdük sesi aniden çok daha düşük hale geliyor.
Doppler zamanında, fizikçiler ses dalgalarının varlığını ve sesin perdesinin frekansın bir fonksiyonu olduğunu fark ettiler-başka bir deyişle, dalgalar birbirine ne kadar yakın olursa, perde o kadar yüksek olur.
Bu bilgiyle, bir ses kaynağı bir dinleyiciye doğru hareket ederse, kaynağın önündeki dalgaların sıkıştırılarak daha yüksek bir frekans oluşturduğunu düşündü.
Öte yandan, hareket eden kaynağın arkasındaki dalgalar gerilerek daha düşük bir frekansa neden olur.Bu etkiyi açıklamak için matematiksel bir formül geliştirdikten sonra, Doppler bulgularını 1842'de sundu.
Doppler Etkisi Örnekleri
Girişte belirtildiği gibi, Doppler etkisi bir dizi ortamda gözlemlenebilir. Bir kişi bir yolun kenarında duruyorsa ve bir araba önemli bir hızla yaklaşırsa, ses dalgalarının frekansı, araba gözlemciyi geçene kadar artar, ardından frekans aniden düşer. Ancak Doppler, elbette, bir otomobilin sesini veya motorlu bir ambulansın veya itfaiye aracının sirenini hiç duymadı.
Onun zamanında, atlı araba kısa mesafeler için hala başlıca ulaşım araçlarını oluşturuyordu ve bu araçlar, Doppler etkisinin fark edilir hale gelmesi için gerekli hızlara ulaşamadılar.
On dokuzuncu yüzyılın ortalarında sadece bir ulaşım yöntemi, etkiyi gözlemlemeyi ve kaydetmeyi mümkün kıldı: buharla çalışan bir lokomotif. Bu nedenle, Doppler etkisini, Doppler'in kendi yaptığı gibi, bir konumdan geçen bir tren açısından ele alalım.
Tren Düdüğünün Sesi
Bir tren ayrılmadan önce bir istasyonda beklediğinde, düdük çalar, ancak yakınlarda duran dinleyiciler olağandışı bir şey fark etmez. Platformda biri tarafından duyulan ses ile kabin arkasında duran biri tarafından duyulan trenin sesi arasında --belki yoğunluk derecesi dışında - hiçbir fark yoktur.
Bunun nedeni, sabit bir trenin ürettiği ses dalgalarının merkezinde olması ve etrafında eşmerkezli daireler yaymasıdır.
Tren hareket etmeye başladığında, artık ondan çıkan ses dalgalarının merkezinde değildir. Bunun yerine, dalga çemberi trenin kendisiyle birlikte ileriye doğru hareket eder ve böylece lokomotif dalgaları öne doğru sıkıştırır.
Biri yol boyunca daha ileride duruyorsa, o kişi sıkıştırılmış ses dalgalarını duyar. Sıkıştırılmalarından dolayı bunlar, sabit bir trenin ürettiği dalgalardan çok daha yüksek frekansa sahiptir.
Aynı zamanda trenin arkasında duran biri (istasyondaki platformda dinleyen (trenin uzaklaşmasını izleyen) trenin arkasından yayılan ses dalgalarını duyar.
Aynı sesi çıkaran aynı trendir, ancak tren önündeki ses dalgalarını sıkıştırdığı için arkasındaki dalgalar yayılır ve çok daha düşük frekansta bir ses üretir. Böylece iki farklı dinleyici tarafından algılanan trenin sesi referans çerçevesine göre değişir.
Sonik Patlama
Günümüzde bazı insanlar, sonik patlama olarak bilinen bir şok dalgası üreten, tepelerinde gezinen bir jet uçağını duyma deneyimine sahiptir.
Söylemeye gerek yok, bir ses patlaması, kesinlikle Doppler'ın herhangi bir bilgisine sahip olabileceği bir şey ya da kendi başına Doppler etkisinin bir örneği değildir. Ancak bu, bir ses sıkıştırması örneğidir ve bu nedenle, burada ilgiyi hak ediyor.
Sesin hızı, ışık hızından farklı olarak, içinden geçtiği ortama bağlıdır. Dolayısıyla, sabit bir "ses hızı" diye bir şey yoktur; daha ziyade, ses dalgalarının belirli bir malzeme türü yoluyla iletildiği yalnızca bir hız vardır.
Hava gibi bir gazın içindeki hızı, basıncın karekökünün yoğunluğa bölünmesiyle orantılıdır. Bu da rakım ne kadar yüksek olursa ses hızının o kadar yavaş olacağı anlamına gelir: jetlerin uçtuğu rakımlar için bu yaklaşık 660 MPH (1.622 km / s) 'dir.
Bir jet havada hareket ederken, o da öne doğru sıkışan ve arkaya doğru genişleyen ses dalgaları üretir. Ses dalgalarının kendileri gerçekten sadece basınçtaki dalgalanmalar olduğundan, bu, bir jet ne kadar hızlı giderse, önünde toplanan ses dalgalarının basıncı o kadar büyük olduğu anlamına gelir.
Jet pilotları, bir konuşma biçiminden daha fazlası olan "ses bariyerini aşmaktan" bahsediyorlar. Uçak ses hızına yaklaştıkça, pilot uçağın ön tarafındaki yüksek basınçlı bir duvarın farkına varır ve bu yüksek basınçlı duvarın bir sonucu olarak jet muazzam türbülans yaşar.
Sesin hızı Mach 1 olarak adlandırılır ve Mach 1,2 ile Mach 1,4 arasında bir hızda, daha garip şeyler olmaya başlar. Şimdi jet, ondan çıkan ses dalgalarından daha hızlı hareket ediyor ve bu nedenle, yerdeki bir gözlemci, sesi duymadan önce jetin hareketini görüyor.
Tabii ki, bu bir dereceye kadar olur, çünkü ışık sesten çok daha hızlı hareket eder; ancak ışık dalgalarının varış zamanı ile ses dalgaları arasındaki fark bu durumda daha da belirgindir.
Bu arada, havada uçağın her çıkıntılı yüzeyi yoğun bir basınçla karşılaşır: özellikle, ses dalgaları uçağın burnu ve kuyruğu boyunca yüksek oranda sıkıştırılma eğilimindedir. Sonunda bu sıkıştırılmış ses dalgaları birikerek bir şok dalgasına neden olur.
Yerde, şok dalgası bir "sonik patlama" olarak tezahür eder - ya da daha ziyade, iki ses patlaması - biri uçağın burnundan, diğeri kuyruktan. Uçaktaki kişiler patlamayı duymazlar, ancak sıkıştırılmış sesin ürettiği şok dalgaları, uçağın çalışmasına tehlike oluşturabilecek basınç, yoğunluk ve sıcaklıkta ani değişikliklere neden olabilir.
Bu sorunun üstesinden gelmek için süpersonik uçak tasarımcıları, kanatları geriye doğru süpürülen uçaklar geliştirdiler, böylece basınç konisine sığdılar.
Işık Dalgalarında Doppler Etkisi
Şimdiye kadar Doppler etkisi tamamen ses dalgaları açısından tartışıldı; ancak Doppler, ışık dalgalarına da uygulanabileceğini savundu ve 1901'de yapılan deneyler onu haklı çıkardı. Işık sesten oldukça farklı olduğu için bu bariz bir noktadan uzaktı.
Işık yalnızca saniyede 186.000 mil (299.339 km) çok daha hızlı hareket etmekle kalmaz, aynı zamanda sesten farklı olarak, ışığın bir ortamdan geçmesi gerekmez. Ses uzayda iletilemezken, ışık, maddenin içinden olduğu kadar boşlukta da kolayca yönlendirilebilen bir enerji aktarımı biçimi olan radyasyonla iletilir.
Işıktaki Doppler etkisi, spektroskop adı verilen ve bilinen kimyasal bileşime sahip bir nesneden spektral çizgileri ölçen bir cihaz kullanılarak gösterilebilir. Bu spektral çizgiler, kaynak materyaldeki elektronlar tarafından belirli ışık frekanslarının emilmesi veya yayılmasıyla üretilir.
Işık dalgaları, görünür ışık spektrumunun mavi veya yüksek frekanslı ucunda görünüyorsa, bu, nesnenin gözlemciye doğru hareket ettiği anlamına gelir. Öte yandan, ışık dalgaları spektrumun kırmızı veya düşük frekanslı ucunda görünüyorsa, nesne uzaklaşıyor demektir.
Önceki Yazı
Sonraki Yazı