Hoe Het Doppler-Effect Werkt

{h1}

Het doppler-effect is waarom je het geluid van een bewegend object hoort veranderen naarmate het dichterbij komt en je passeert. Ontdek hoe het doppler-effect werkt.

Als je van raadsels houdt, zul je deze leuk vinden: Hoe kan een muzikant die een enkele noot op een hoorn speelt, van die toon veranderen zonder de manier te veranderen waarop hij of zij die noot speelt? In eerste instantie zou je kunnen denken dat dit een strikvraag is. Het is duidelijk dat de muzikant iets moet doen om het veld te veranderen, toch? Fout. Als de muzikant dezelfde noot speelt terwijl hij in de richting van of van een stilstaande luisteraar beweegt, zal de noot die de luisteraar hoort inderdaad veranderen - zelfs als de muzikant niets anders doet.

De Nederlandse wetenschapper Christoph Hendrik Diederik Buys Ballot voerde ditzelfde experiment in 1845 uit. Hij monteerde een groep hoornspelers en plaatste ze in een open wagen die aan een locomotief was bevestigd. Toen liet hij de ingenieur de locomotief opstarten zodat deze de wagen kon vervoeren, compleet met de hoornspelers, heen en weer langs de baan. Terwijl ze werden getrokken speelden de muzikanten een enkele noot op hun hoorns. Het ballotje ging naast de baan staan ​​en luisterde aandachtig, zowel toen de trein naderde als achteruitging. En de noten die hij hoorde waren anders dan de tonen die de muzikanten speelden.

Hoewel ongebruikelijk, liet het experiment van Ballot duidelijk een van de belangrijkste golfverschijnselen zien die wetenschappers kennen. Het fenomeen wordt de Doppler effect naar de Oostenrijkse wiskundige Christian Johann Doppler, die dit vreemde gedrag van geluid voor het eerst voorspelde in 1842. Tegenwoordig weten wetenschappers dat het Doppler-effect van toepassing is op alle soorten golven, inclusief water, geluid en licht. Ze hebben ook een goed idee waarom het Doppler-effect optreedt. En ze hebben de principes verwerkt in een verscheidenheid aan handige hulpmiddelen en gadgets.

In dit artikel zullen we alles onderzoeken, Doppler: de man, de wetenschap en de technologieën. Maar eerst moeten we wat basiswerk doen. Omdat het Doppler-effect een fenomeen is dat geassocieerd wordt met golven, laten we beginnen met enkele basisbegrippen over de twee basistypes van golven - licht en geluid.-

Wave Basics

Hoe het Doppler-effect werkt: golven

Wanneer de meeste mensen denken aan golven, denken ze aan watergolven. Maar licht en geluid reizen ook als golven. Een lichte golf, zoals een watergolf, is een voorbeeld van een transversale golf, die een storing in een medium veroorzaakt loodrecht op de richting van de voortbewegende golf. In het onderstaande diagram kunt u ook zien hoe transversale golven toppen en dalen vormen.

De afstand tussen twee toppen (of twee troggen) is de golflengte, terwijl de hoogte van een top (of de diepte van een trog) de hoogte is amplitude. Frequentie verwijst naar het aantal toppen of troggen die een vast punt per seconde passeren. De frequentie van een lichtgolf bepaalt de kleur, waarbij hogere frequenties kleuren produceren op het blauwe en violette uiteinde van het spectrum en lagere frequenties produceren kleuren aan het rode uiteinde van het spectrum.

Geluidsgolven zijn geen transversale golven. Zij zijn longitudinale golven, gecreëerd door een soort mechanische vibratie die een reeks compressies en zeldzaamheden in een medium produceert. Neem een ​​houtblazersinstrument, zoals een klarinet. Als je in een klarinet blaast, begint een dun riet te trillen. Het trillende riet duwt eerst tegen luchtmoleculen (het medium) en trekt dan weg. Dit resulteert in een gebied waar alle luchtmoleculen samengeperst worden en direct ernaast een gebied waar luchtmoleculen ver uit elkaar liggen. Terwijl deze compressies en oneffenheden zich van het ene punt naar het andere voortplanten, vormen ze een longitudinale golf, waarbij de verstoring in het medium in dezelfde richting beweegt als de golf zelf.

Hoe het Doppler-effect werkt: golven

Als je het diagram van de bovenstaande golf bestudeert, zie je dat longitudinale golven dezelfde basiskenmerken hebben als transversale golven. Ze hebben een golflengte (de afstand tussen twee compressies), amplitude (de hoeveelheid die het medium is gecomprimeerd) en frequentie (het aantal compressies dat een vast punt per seconde passeert). De amplitude van een geluidsgolf bepaalt zijn intensiteitof luidheid. De frequentie van een geluidsgolf bepaalt de toonhoogte, waarbij hogere frequenties hogere tonen produceren. De open zesde snaar van een gitaar trilt bijvoorbeeld met een frequentie van 82.407 hertz (cycli per seconde) en produceert een lagere toonhoogte. De open eerste snaar trilt met een frequentie van 329,63 hertz en produceert een hogere toon.

Zoals we in het volgende gedeelte zullen zien, is het Doppler-effect direct gerelateerd aan de frequentie van een golf, of het nu uit water, licht of geluid bestaat.

Wave frequentie

Hoe het Doppler-effect werkt: naar

Laten we beginnen met onze dissectie van het Doppler-effect door een bron te beschouwen die op een bepaalde frequentie golven in water creëert. Deze bron produceert een reeks golffronten, waarbij elk naar buiten beweegt in een bol gecentreerd op de bron. De afstand tussen de golftoppen - de golflengte - blijft hetzelfde rond de bol. Een waarnemer voor de golfbron ziet de golven op gelijke afstanden liggen als ze naderen. Zo zal een waarnemer zich achter de golfbron bevinden.

Laten we nu eens kijken naar een situatie waarin de bron niet stationair is, maar naar rechts beweegt omdat deze golven produceert. Omdat de bron beweegt, begint deze de golftoppen aan de ene kant in te halen terwijl deze zich van de toppen aan de andere kant verwijdert. Een waarnemer die voor de bron is geplaatst, ziet de toppen alle samengroeien. Een waarnemer achter de bron zal zien hoe de golven zich uitstrekken. Onthoud dat de frequentie gelijk is aan het aantal golven dat een specifiek punt per seconde passeert, zodat de waarnemer vooraan een hogere frequentie ziet dan de waarnemer achter in de bron.

Het bovenstaande scenario beschrijft golven gevormd in water, maar het is ook van toepassing op geluidsgolven en lichtgolven. Geluidsgolven worden gehoord, niet gezien, zodat de toeschouwer de opeengestapelde golven zal horen als een hoger geluid, de uitgerekte golven als een lager geluid. Beschouw bijvoorbeeld een auto die over een snelweg rijdt tussen twee waarnemers, zoals hieronder wordt weergegeven. Het brullen van de motor en wrijving tussen de banden en het wegdek creëren een geluid - vroom - dat zowel door de waarnemer als door de bestuurder kan worden gehoord.

Voor de bestuurder zal dit geluid niet veranderen. Maar de waarnemer voor de auto hoort een hoger geluid. Waarom? Omdat de geluidsgolven comprimeren wanneer het voertuig de waarnemer aan de voorkant nadert. Dit verhoogt de frequentie van de golf en de toonhoogte van de vroom stijgt. De waarnemer achter de auto zal een lager geluid horen omdat de geluidsgolven zich uitstrekken als de auto achteruitgaat. Dit vermindert de frequentie van de golf en de toonhoogte van de vagina neemt af.

Lichtgolven worden als kleur waargenomen, dus de waarnemer zal de bundelgolven als een blauwere kleur waarnemen, de uitgerekte golven als een rodere kleur. Overweeg bijvoorbeeld een astronoom die een sterrenstelsel observeert door een telescoop. Als het sterrenstelsel naar de aarde snelt, zullen de lichtgolven die het voortbrengt zich opstapelen als het de telescoop van de astronoom nadert. Dit verhoogt de frequentie van de golf, die de kleuren van zijn spectrale uitvoer naar het blauw verschuift. Als het sterrenstelsel zich van de aarde weg spoedt, zullen de lichtgolven die het voortbrengt uit elkaar spatten wanneer het uit de telescoop van de astronoom verdwijnt. Dit vermindert de frequentie van de golf, die de kleuren van de spectrale uitvoer naar het rood verschuift.

Zoals je je kunt voorstellen, maken astronomen routinematig gebruik van het Doppler-effect om de snelheid te meten waarmee planeten, sterren en sterrenstelsels bewegen. Maar het nut ervan is niet beperkt tot de ruimte. De ontdekking van Doppler is een integraal onderdeel van verschillende toepassingen hier op aarde.

The Origin of the Universe: A Shift in Thinking

In 1929 merkte Edwin Hubble dat het licht dat uit bijna elk melkwegstelsel dat hij studeerde verscheen, volgens het Doppler-effect, naar het rode uiteinde van het spectrum. Hij voerde aan dat alleen sterrenstelsels die zich van onze melkweg verwijderden, deze "roodverschuivingen" konden produceren. Dit leidde tot het idee dat het universum uitdijde en uiteindelijk tot de oerknaltheorie.

Praktische toepassingen van het Doppler-effect

In de ongeveer 160 jaar dat Doppler voor het eerst het golfverschijnsel beschreef dat zijn plaats in de geschiedenis zou versterken, zijn verschillende praktische toepassingen van het Doppler-effect naar voren gekomen om de maatschappij te dienen. In al deze toepassingen gebeurt hetzelfde basisgeval: een stationaire zender schiet golven op een bewegend voorwerp. De golven raken het object en stuiteren terug. De zender (nu een ontvanger) detecteert de frequentie van de geretourneerde golven. Op basis van de hoeveelheid van de Dopplerverschuiving kan de snelheid van het object worden bepaald. Laten we een paar specifieke voorbeelden bekijken.

Politie Radar

De handradarpistolen die door de politie worden gebruikt om te controleren op snel rijdende voertuigen vertrouwen op het Doppler-effect. Dit is hoe ze werken:

Deze inhoud is niet compatibel op dit apparaat.

  1. Een politieagent neemt een positie langs de kant van de weg in.
  2. De officier richt zijn radargeweer op een naderend voertuig. Het pistool zendt een uitbarsting van radiogolven uit met een bepaalde frequentie.
  3. De radiogolven slaan het voertuig en stuiteren terug naar het radargeweer.
  4. Het radarkanon meet de frequentie van de terugkerende golven. Omdat de auto in de richting van het pistool beweegt, zal de frequentie van de terugkerende golven hoger zijn dan de frequentie van de golven die aanvankelijk door het pistool werden uitgezonden. Hoe sneller de snelheid van de auto, hoe hoger de frequentie van de terugkerende golf.
  5. Het verschil tussen de uitgezonden frequentie en de gereflecteerde frequentie wordt gebruikt om de snelheid van het voertuig te bepalen. Een computer in het pistool voert de berekening onmiddellijk uit en geeft een snelheid aan de officier.

Doppler Radar

Meteorologen gebruiken een soortgelijk principe om weersomstandigheden te lezen. In dit geval bevindt de stationaire zender zich in een weerstation en is het bewegende voorwerp dat wordt bestudeerd een stormsysteem. Dit is wat er gebeurt:

  1. Radiogolven worden uitgezonden door een weerstation op een specifieke frequentie.
  2. De golven zijn groot genoeg om te communiceren met wolken en andere atmosferische objecten. De golven slaan objecten en stuiteren terug naar het station.
  3. Als de wolken of neerslag wegtrekken van het station, neemt de frequentie van de teruggekaatste golven af. Als de wolken of neerslag naar het station toe bewegen, neemt de frequentie van de teruggekaatste golven toe.
  4. Computers in de radar zetten de Doppler-verschuivingsgegevens over de gereflecteerde radiogolven elektronisch om in foto's die windsnelheden en -richting weergeven.

Doppler-afbeeldingen zijn niet hetzelfde als reflectiviteitsafbeeldingen. Reflectiviteitsbeelden zijn ook afhankelijk van radar, maar ze zijn niet gebaseerd op veranderingen in de golffrequentie. In plaats daarvan zendt een weerstation een energiebundel uit en meet vervolgens hoeveel van die straal wordt gereflecteerd. Deze gegevens worden gebruikt om de neerslagintensiteitsfoto's te maken die we de hele tijd op weerkaarten zien, waarbij blauw lichte neerslag is en rood zware neerslag.

Doppler-echocardiogram

Een traditioneel echocardiogram maakt gebruik van geluidsgolven om beelden van het hart te produceren. In deze procedure gebruikt een radioloog een transducer voor het verzenden en ontvangen van ultrasone golven, die worden gereflecteerd wanneer ze de rand van twee structuren met verschillende dichtheden bereiken. Het beeld geproduceerd door een echocardiogram toont de randen van hartstructuren, maar het kan de snelheid van het bloed dat door het hart stroomt niet meten. Doppler-technieken moeten worden opgenomen om deze aanvullende informatie te verstrekken.In een Doppler-echocardiogram worden geluidsgolven met een bepaalde frequentie in het hart doorgegeven. De geluidsgolven weerkaatsen bloedcellen die door het hart en bloedvaten bewegen. De beweging van deze cellen, hetzij in de richting van of weg van de uitgezonden golven, resulteert in een frequentieverschuiving die kan worden gemeten. Dit helpt cardiologen om de snelheid en richting van de bloedstroom in het hart te bepalen.

Busting the Boom

Het Doppler-effect wordt gebruikt in veel technologieën die mensen ten goede komen. Maar het kan ook een negatieve impact hebben. Sonische boomen, die worden veroorzaakt door supersonische vliegtuigen, kunnen bijvoorbeeld aanstootgevende geluiden en trillingen op de grond veroorzaken. Daarom mogen supersonische vliegtuigen niet over bevolkte gebieden vliegen. Sonic-gieken houden rechtstreeks verband met het Doppler-effect. Ze komen voor wanneer vliegtuigen, die vliegen met de snelheid van geluid of hoger, feitelijk sneller vliegen dan de geluidsgolven die ze produceren. Alle golven bundelen zich achter het vaartuig, in een extreem kleine ruimte. Wanneer de bundelgolven een waarnemer bereiken, worden ze in één keer "gehoord" - als een daverende giek.

De luchtmacht en de NASA experimenteren met verschillende uitvindingen die de geluidsbewegingen helpen verzachten. Een dergelijke uitvinding is een punt die zich uitstrekt vanaf de neus van het vliegtuig. Deze piek verlengt in wezen het vlak en verdeelt de golven over een grotere afstand. Dit vermindert de hausse die ervaren wordt door een waarnemer op de grond.

Naam Erkenning

Christian Doppler

Christian Doppler

In 1992 markeerde Oostenrijk de 150ste verjaardag van de ontdekking van het Doppler-effect door een zegel uit te geven met het magere gezicht van Christian Johann Doppler. Hoewel Doppler zich nooit zo'n eerbetoon had kunnen voorstellen, begreep hij vanaf het allereerste begin de betekenis van zijn werk. In het document uit 1842 dat het fenomeen voor het eerst beschreef, bood Doppler de volgende voorspelling: "Het is bijna met zekerheid te accepteren dat [het Doppler-effect] astronomen in de niet al te verre toekomst een welkom middel zal bieden om de bewegingen en afstanden van dergelijke astronomen te bepalen. sterren die, vanwege hun onmeetbare afstand tot ons en de daaruit voortvloeiende kleinheid van de parallactische hoeken, tot op dit moment nauwelijks de hoop op dergelijke metingen en vaststellingen vertoonden. "

De "niet al te verre toekomst" eindigde bijna 100 jaar, en dat is hoe lang het duurde voordat het Doppler-effect een grote impact had op kosmologie, meteorologie en geneeskunde. Maar het heeft zeker een impact gehad en Doppler tot een van de meest erkende namen in de geschiedenis van de wetenschap gemaakt.

Ga voor meer informatie over het Doppler-effect en gerelateerde onderwerpen naar de links op de volgende pagina.

Het Doppler-dossier

Zeg 'relativiteit' en je krijgt meteen een mentaal beeld van Albert Einstein: wit en wild haar, borstelige snor en doordachte ogen. Weinig mensen kunnen zich echter de man achter het Doppler-effect voorstellen. Om dit te verhelpen, bekijken we enkele van de vitale statistieken van Doppler:

Verjaardag: 29 november 1803

Geboorteplaats: Salzburg, Oostenrijk

College: Polytechnisch Instituut van Wenen

Expertise: Wiskunde, mechanica en astronomie

Getrouwd: Mathild Sturm, 1836

Kinderen: Drie zonen, twee dochters

Dood: Van tuberculose, 17 maart 1853

Doppler beschreef voor het eerst de ontdekking die zijn naam zou dragen in een paper, gepubliceerd in 1842, getiteld "Über das farbige Licht der Doppelsterne" ("Betreffende het gekleurde licht van de dubbele sterren en bepaalde andere sterren aan de hemel"). Zes jaar later zou een Franse natuurkundige onder de naam Armand-Hippolyte-Louis Fizeau, niet op de hoogte van het werk van Doppler, een soortgelijk artikel publiceren waarin exact hetzelfde fenomeen wordt beschreven als dat het gold voor de rood- en blauwverschuiving van sterren. Sommige wetenschappers beschrijven de verschuiving van licht als het Doppler-Fizeau-effect.-

-


Video Supplement: Lyceo Legt Uit: Natuurkunde - Dopplereffect.




Onderzoek


Medische 'Wonderen' Niet Ondersteund Door Bewijs
Medische 'Wonderen' Niet Ondersteund Door Bewijs

Hoe Stephen Hawking Heeft Gewerkt
Hoe Stephen Hawking Heeft Gewerkt

Science Nieuws


Trias Tijdelijke Feiten: Klimaat, Dieren En Planten
Trias Tijdelijke Feiten: Klimaat, Dieren En Planten

Waarom 2016 De Vroegste Lente-Equinox Sinds 1896 Zal Hebben
Waarom 2016 De Vroegste Lente-Equinox Sinds 1896 Zal Hebben

Psychologen Pleiten Voor Het Recht Om Medicijnen Voor Te Schrijven
Psychologen Pleiten Voor Het Recht Om Medicijnen Voor Te Schrijven

Globe-Draven Gnome Hoogtepunten Aarde'S Rare Zwaartekracht
Globe-Draven Gnome Hoogtepunten Aarde'S Rare Zwaartekracht

Feiten Over Newts
Feiten Over Newts


WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com