Слышал про эффект Доплера в контексте звука сирен скорой помощи (когда она проезжает мимо, звук меняется). Но не понимаю физику процесса.
Что такое эффект Доплера и как он работает? Почему звук меняется когда источник движется? И работает ли это только для звука или для света тоже?
Эффект Доплера - изменение частоты волны для наблюдателя, когда источник волны движется относительно наблюдателя.
Как работает (упрощенно):
Звуковые волны
Представь, что скорая стоит на месте и включает сирену. Звуковые волны расходятся от нее равномерно во все стороны. Ты слышишь определенную частоту (тон).
Теперь скорая едет на тебя. Она "догоняет" собственные звуковые волны, которые испустила чуть раньше. Волны "сжимаются" - расстояние между гребнями уменьшается. Ты слышишь более высокую частоту (звук выше).
Когда скорая проехала и удаляется, она "убегает" от своих волн. Волны "растягиваются" - расстояние между гребнями увеличивается. Ты слышишь более низкую частоту (звук ниже).
Световые волны
Да, эффект работает и для света. Если звезда удаляется от Земли, ее свет смещается в красную область спектра (красное смещение). Если приближается - в синюю (синее смещение). Именно по красному смещению астрономы определили, что Вселенная расширяется.
Формула (для звука):
f' = f * (v + v_obs) / (v - v_source)
где f' - наблюдаемая частота, f - истинная частота источника, v - скорость звука, v_obs - скорость наблюдателя, v_source - скорость источника.
Простая аналогия с лодкой.
Лодка стоит на озере и создает волны на воде. Волны идут равномерно. Теперь лодка плывет вперед. Спереди волны "наползают" друг на друга (частота выше), сзади - "растягиваются" (частота ниже).
То же самое с любыми волнами - звуковыми, световыми, радио.
Кстати, этот эффект используется в полицейских радарах для измерения скорости машин. Радар излучает радиоволны определенной частоты. Волны отражаются от движущейся машины и возвращаются с измененной частотой. По разнице частот прибор вычисляет скорость автомобиля.
Так же работают допплеровские УЗИ-аппараты в медицине - измеряют скорость кровотока по изменению частоты отраженного ультразвука от движущихся эритроцитов.
О, не знал про УЗИ! Интересно
В астрономии через эффект Доплера вычисляют не только расширение Вселенной, но и скорость вращения галактик, движение звезд в двойных системах, скорость выброса вещества из сверхновых.
Без эффекта Доплера современная астрофизика вообще невозможна. Практически все что мы знаем о движении небесных тел основано на анализе спектральных линий и их смещения.