Dopplerov efekt

Dopplerov efekt mijenja frekvenciju koju registrira promatrač kada se mijenja udaljenost između izvora i promatrača. Kod zvuka gibanje izvora i gibanje promatrača nisu fizički jednaki slučajevi jer se val širi u odnosu na medij.

Sv_sf_obs = f_s v/(v - v_s)f_obs = f_s v/(v + v_s)v_r

Izvor u gibanju mijenja razmak valova

Za mirujućeg promatrača i izvor koji se giba duž spojnice klasično vrijedi f_obs = f_s v/(v ∓ v_s). Minus u nazivniku koristimo pri približavanju, plus pri udaljavanju.

Izvor u gibanju emitira uzastopne vrhove iz novih položaja. Ispred izvora razmak između valnih fronti smanjuje se, a iza njega povećava, pa se valna duljina u mediju mijenja.

Gibanje promatrača djeluje drukčije

Za mirujući izvor i promatrača koji se giba u odnosu na medij vrijedi f_obs = f_s(v ± v_obs)/v. Plus koristimo pri gibanju prema izvoru, minus pri udaljavanju.

U tom slučaju razmak postojećih valnih fronti u mediju ne mijenja se. Promatrač ih samo susreće brže ili sporije. Zato ne smijemo nekritički koristiti jednu formulu s relativnom brzinom.

Izvor zvuka u gibanju

Važna je radijalna komponenta

Promjenu frekvencije uzrokuje komponenta gibanja duž spojnice izvora i promatrača. Čisto poprečno gibanje u nekom trenutku u klasičnom zvučnom modelu ne daje Dopplerov pomak prvog reda.

Kad vozilo prolazi pokraj promatrača, radijalna komponenta mijenja predznak. Opažena frekvencija zato prelazi iz više prije prolaska u nižu poslije prolaska, iako oscilator izvora ne mora naglo mijenjati vlastitu frekvenciju.

Pretpostavke formula za zvuk

Jednostavne formule pretpostavljaju gibanje po jednoj pravoj i brzine manje od brzine vala. Pri brzinama bliskima brzini zvuka nastaju udarni valovi i geometriju valnih fronti treba opisati pažljivije.

Brzina v označuje brzinu zvuka u odnosu na medij. Vjetar zato može promijeniti odnose brzina prema tlu, a ispravan račun zahtijeva jasan izbor referentnog sustava.

Dopplerov efekt za svjetlost

Svjetlost u vakuumu ne treba medij pa se klasične akustičke formule ne smiju izravno prenositi na svjetlost. Pri velikim brzinama koristi se relativistički Dopplerov efekt.

Crveni pomak znači veću opaženu valnu duljinu i nižu frekvenciju, a plavi pomak obratno. U astronomiji postoje i pomaci povezani sa širenjem prostora, pa tumačenje zahtijeva odgovarajući model.

Što se mijenja, a što ostaje

Ako izvor ima stalnu vlastitu frekvenciju, gibanje mijenja opaženu frekvenciju, a ne automatski mehanizam titranja izvora. To razlikovanje ključno je pri tumačenju mjerenja.

Kod zvuka gibanje izvora mijenja prostorni uzorak valnih duljina, a gibanje promatrača brzinu susretanja istih fronti. Oba slučaja pri približavanju mogu povećati frekvenciju, ali iz različitog razloga.

Riješeni primjeri

1. Sirena 600 Hz približava se s 20 m/s

Rješenje

Za v = 340 m/s: f_obs = 600·340/(340−20) = 637,5 Hz.

2. Promatrač se približava s 10 m/s

Rješenje

Za mirujući izvor 500 Hz i v = 340 m/s: f_obs = 500(340+10)/340 ≈ 514,7 Hz.

3. Izvor prolazi pokraj promatrača

Rješenje

Prije prolaska radijalna komponenta usmjerena je prema promatraču, nakon prolaska od njega. Opažena frekvencija zato prelazi iz više u nižu.