Efectul Doppler: de ce sirena se aude altfel când trece

Efectul Doppler este motivul pentru care sirena unei ambulanțe pare mai ascuțită când se apropie și mai gravă când se îndepărtează, deși sirena emite tot timpul același sunet. Schimbarea nu apare în sursă, ci în felul în care undele ajung la urechea ta. Dacă sursa și ascultătorul se mișcă unul față de celălalt, frecvența percepută se modifică.

Fenomenul poartă numele fizicianului austriac Christian Doppler, care l-a descris în prima jumătate a secolului al nouăsprezecelea. Astăzi stă la baza radarelor de poliție, a ecografiei cu flux sanguin și a măsurătorilor care arată că Universul se extinde. Mai jos vezi cum funcționează, pas cu pas.

De ce se schimbă tonul sunetului la trecerea unei sirene?

Tonul se schimbă pentru că, atunci când sursa se apropie, undele sonore ajung la tine mai dese, iar când se îndepărtează, ajung mai rare. Frecvența percepută urcă la apropiere și coboară la depărtare.

Imaginează-ți că sursa emite un „pocnet” la fiecare zecime de secundă. Dacă stă pe loc, undele se răspândesc în cercuri concentrice, la distanțe egale. Dacă sursa merge spre tine, fiecare nou pocnet pornește dintr-un loc mai apropiat de tine decât precedentul, deci crestele undei sunt mai înghesuite în față și mai întinse în spate. Lungimea de undă din față scade, iar ca să ai aceeași viteză a sunetului în aer, frecvența crește.

Același lucru îl auzi la mașinile de curse la televizor: un „iiiuuu” care coboară brusc când mașina trece prin dreptul camerei. Este mai ușor să-l observi pe un drum liniștit, la câțiva metri de trecerea unui claxon sau a unui tren.

Ce depinde intensitatea efectului?

Efectul Doppler este cu atât mai puternic cu cât viteza sursei este mai mare comparativ cu viteza undei în mediul respectiv. Pentru sunet în aer, viteza este de aproximativ trei sute patruzeci de metri pe secundă.

Sursele de zi cu zi se mișcă mult mai încet decât sunetul, dar diferența e suficientă ca să o auzi. Dacă sursa se apropie cu o treime din viteza sunetului, tonul sare vizibil cu câteva trepte muzicale. Dacă vrei întregul tablou al fizicii, începe cu fizica pe înțeles. Pentru amănunte despre ce este o undă și cum se propagă, merită parcurs și articolul despre propagarea sunetului.

Se întâmplă același lucru și cu lumina?

Da, lumina arată un efect Doppler asemănător: o sursă care se apropie are lumina deplasată spre albastru, iar una care se îndepărtează o are deplasată spre roșu. Diferența este că, la lumină, contează doar mișcarea relativă dintre sursă și observator, nu mișcarea față de un mediu.

Culoarea luminii depinde de frecvență, la fel cum tonul sunetului. O stea care se îndepărtează își „întinde” undele luminoase, iar spectrul ei se mută spre capătul roșu. Despre cum se formează culorile și spectrul poți citi în articolul despre lumină și culori.

La viteze obișnuite, deplasarea este invizibilă pentru ochi. Se observă doar cu spectrografe, care împart lumina în culori și arată linii întunecate caracteristice fiecărui element chimic. Dacă liniile sunt mutate față de poziția lor din laborator, deplasarea indică viteza.

Cum folosesc astronomii efectul Doppler?

Astronomii măsoară cu efectul Doppler viteza cu care stelele și galaxiile se apropie sau se îndepărtează de noi. Rezultatele au arătat că aproape toate galaxiile îndepărtate se depărtează, iar cu cât sunt mai departe, cu atât viteza este mai mare.

Interpretarea acestui tipar este că spațiul însuși se extinde, observație care a stat la baza teoriei prezentate în articolul despre Big Bang. Tot prin acest efect se descoperă planete în jurul altor stele: o stea cu o planetă mare „se clatină” ușor în jurul centrului comun de masă, iar lumina ei se mută periodic puțin spre roșu și spre albastru. Metoda se numește a vitezelor radiale.

De asemenea, rotația galaxiilor, deci și a Căii Lactee, se studiază prin deplasarea liniilor spectrale: o parte a discului se apropie de noi, cealaltă se depărtează.

Unde se mai folosește efectul Doppler?

Efectul Doppler este folosit la radarul de viteză, la prognoza meteo, la ecografia Doppler și la sisteme de navigație. În toate cazurile, o undă este trimisă, reflectată de ceva în mișcare și întoarsă, iar schimbarea de frecvență arată viteza.

• Radarul de poliție trimite unde radio spre mașină și compară frecvența reflectată cu cea trimisă.
• Radarul meteo Doppler arată nu doar unde plouă, ci și cum se mișcă picăturile, deci unde vântul are un tipar periculos, de exemplu rotația dintr-o furtună.
• Ecografia Doppler folosește ultrasunete reflectate de globulele roșii din vase și arată direcția și viteza fluxului de sânge.
• Unii lilieci folosesc un fel de Doppler natural: își ajustează frecvența strigătelor ca să urmărească insecte în zbor.

Sfat: dacă vrei să auzi efectul pe cont propriu, pune pe un telefon un sunet continuu, leagă-l cu grijă de o sfoară lungă și rotește-l în cerc la distanță sigură de oameni. Dintr-un loc fix vei auzi tonul urcând și coborând periodic.

Ce idei greșite apar despre efectul Doppler?

Cea mai frecventă idee greșită este că sursa își schimbă sunetul în timp ce trece; în realitate, ea emite aceeași frecvență tot timpul. Schimbarea apare numai la receptor.

A doua confuzie este că efectul ar depinde de distanță. De fapt, intensitatea scade cu distanța, dar frecvența percepută depinde de componenta vitezei pe direcția dintre sursă și observator. De aceea tonul se schimbă cel mai brusc în momentul în care sursa trece în dreptul tău, când mișcarea nu mai este spre tine, ci lateral.