Tujuan pekerjaan:
Studi tentang ketergantungan pergeseran frekuensi Doppler pada frekuensi sumber suara dan kecepatan pergerakan permukaan pantul.
Perangkat dan aksesori:
Generator suara (GZ-44).
Generator suara sekolah (GZSH-63).
Osiloskop S-11 (138049).
Sumber saat ini IET-2.
Pengatur tegangan (VNR).
Pemancar frekuensi tinggi (2GD-36, daya 1-2W)
Efek Doppler ganda.
Pada tahun 1842 K. Doppler (fisikawan dan astronom Austria) menetapkan bahwa frekuensi suara yang dirasakan bergantung pada kecepatan pergerakan sumber (relatif terhadap medium) dan kecepatan pergerakan pengamat: lebih tinggi daripada frekuensi suara. sumber 0, jika pengamat dan sumber semakin dekat dan rendah 
0 jika dihapus. Ini adalah efek Doppler.
Bila sumber dan penerima bunyi bergerak secara bersamaan, frekuensinya terekam oleh penerima 
, ditentukan dengan rumus:
(1)
Di mana 
- kecepatan suara dalam medium,
- kecepatan pergerakan penerima dan sumber,
,
- sudut yang dibentuk oleh vektor kecepatan sumber dan penerima dengan vektor yang menghubungkan penerima dan sumber.
Jika sumber dan pengamat bergerak sepanjang garis lurus yang menghubungkan keduanya, maka cos 
dan rumus 1 berbentuk:
(2)
Tanda atas pada rumus (1) dan (2) digunakan bila penerima dan sumber bergerak mendekat, sedangkan tanda bawah menjauh.
Variasi dari efek Doppler adalah apa yang disebut efek Doppler ganda - perubahan frekuensi gelombang ketika dipantulkan dari benda bergerak, karena objek yang dipantulkan dapat dianggap sebagai penerima dan kemudian sebagai pemancar kembali gelombang.
Mari kita tentukan frekuensi pergeseran Doppler ketika penerima (mikrofon - mikrodistrik Gambar 1) dan emitor (izl) diam, dan pelat pemantul suara (pl) bergerak dengan kecepatan 
(pendekatan; cos 
1). Pada tahap pertama, pelat berperan sebagai penerima yang bergerak dengan kecepatan ( 
) benar, dan sumber bunyi diam ( 
). Dengan menggunakan rumus (2) kita memperoleh frekuensi gelombang yang datang pada pelat ( 
) dll
)pr= 
(3)
Pada tahap kedua, pelat mencerminkan yang diterima ( 
) adalah gelombang dan merupakan sumber bunyi yang bergerak dengan kecepatan tertentu 
menuju mikrofon.
Frekuensi gelombang ( 
) direkam dengan mikrofon, menurut rumus (2) 
(4)
Mengganti rumus (3) ke (4) kita peroleh
(5)
Sekarang mari kita tentukan seberapa besar perubahan frekuensinya (pergeseran frekuensi Doppler).
Jika gelombang yang datang pada pelat dan dipantulkan dari pelat saling bertumpukan (seperti dalam kasus yang dipertimbangkan), maka terjadi superposisi gelombang, yang frekuensinya sedikit berbeda satu sama lain dan ini menyebabkan munculnya ketukan. . Frekuensi denyut sama dengan selisih antara frekuensi datang dan gelombang pantul ( 
). Itu. Dengan menentukan frekuensi denyut yang direkam oleh mikrofon dan mengetahui kecepatan pergerakan pelat pemantul, pergeseran frekuensi Doppler dan frekuensinya dapat ditentukan. gelombang suara dipantulkan oleh pelat bergerak dan diterima oleh mikrofon.
(6)
Pengaturan eksperimen.
Diagram pengaturan eksperimental ditunjukkan pada Gambar 2. Sumber suara adalah pemancar frekuensi tinggi 1, yang mengubah getaran listrik yang dihasilkan oleh generator suara 2 menjadi gelombang suara. Suara dipantulkan dari pelat 3, yang dipasang pada platform berputar 4. Frekuensi putaran platform dapat divariasikan dalam rentang yang luas dengan mengubah tegangan yang disuplai ke belitan motor 5 dari pengatur tegangan 6 (RNSh , 0-60V).
Mikrofon 7 yang terletak di sebelah emitor menerima gelombang suara langsung dari emitor dengan frekuensi tertentu 
dan gelombang dipantulkan dari pelat 3. Sinyal yang masuk ke mikrofon diperkuat (sumber arus searah). Selain itu, sinyal suara yang dipantulkan dari pelat yang berputar mencapai mikrofon hanya dalam interval waktu yang singkat (dibandingkan dengan periode rotasi platform) yang sesuai dengan posisi relatif tertentu dari pelat, emitor, dan mikrofon.
Bantalan kempa 9 dipasang di antara emitor dan mikrofon untuk mengurangi kekuatan suara langsung yang masuk ke mikrofon langsung dari emitor.
Mikrofon dihubungkan ke osiloskop 10. Kecepatan pergerakan pelat kecil, sehingga frekuensi Doppler bergeser 
frekuensinya jauh lebih sedikit 
. Pada layar osiloskop terdapat pola ketukan yang muncul secara berkala dengan frekuensi tertentu 
, yang merupakan hasil pertambahan dua gelombang suara yang masuk ke mikrofon pada titik waktu tertentu.
Kecepatan konvergensi pelat dan loudspeaker
dimana R adalah jarak dari sumbu rotasi ke tengah pelat,
- kecepatan putaran pelat.
Penyelesaian pekerjaan.
PERHATIAN: Perangkat dapat disambungkan ke jaringan listrik hanya setelah guru memeriksa rangkaian listrik.
λ, dirasakan oleh pengamat ketika sumber osilasi dan pengamat bergerak relatif satu sama lain. Terjadinya efek Doppler paling mudah dijelaskan dengan contoh berikut. Biarkan sumber stasioner masuk lingkungan yang homogen tanpa dispersi, ia memancarkan gelombang dengan periode T 0 = λ 0 /υ, di mana λ 0 adalah panjang gelombang, adalah kecepatan fase gelombang dalam medium tertentu. Seorang pengamat diam akan menerima radiasi dengan periode T 0 yang sama dan panjang gelombang yang sama λ 0 . Jika sumber S bergerak dengan kecepatan tertentu V s menuju pengamat P (penerima), maka panjang gelombang yang diterima pengamat akan berkurang sebesar perpindahan sumber selama periode T 0, yaitu = λ 0 -V S T 0, dan frekuensi ω akan meningkat: ω = ω 0 /(1 - V s /υ). Frekuensi yang diterima bertambah jika sumber diam dan pengamat bergerak mendekat. Ketika sumber menjauh dari pengamat, frekuensi yang diterima berkurang, yang dijelaskan dengan rumus yang sama, tetapi dengan tanda kecepatan yang berubah.
Dalam kasus umum, ketika sumber dan penerima bergerak relatif terhadap media stasioner dengan kecepatan non-relativistik V S dan V P di bawah sudut sewenang-wenangθ S dan θ P (Gbr.), frekuensi yang diterima sama dengan (1):
Peningkatan frekuensi maksimum terjadi ketika sumber dan penerima bergerak saling mendekat (θ S = 0, θ P = π), dan penurunan terjadi ketika sumber dan pengamat saling menjauh (θ S = π, θ P = 0). Jika sumber dan penerima bergerak dengan kecepatan dan arah yang sama, maka tidak terjadi efek Doppler.
Pada kecepatan pergerakan yang sebanding dengan kecepatan cahaya dalam ruang hampa, efek relativistik dari pelebaran waktu perlu diperhitungkan (lihat teori Relativitas); akibatnya, untuk pengamat diam (VP = 0), frekuensi radiasi yang diterima (2)
dimana β = V S /s. Dalam hal ini, pergeseran frekuensi juga terjadi pada θ S = π/2 (yang disebut efek Doppler transversal). Untuk gelombang elektromagnetik dalam ruang hampa dalam kerangka acuan apa pun υ = с dan dalam rumus (2) dengan V S kita perlu memahami kecepatan relatif sumber.
Dalam media dengan dispersi, ketika kecepatan fasa bergantung pada frekuensi ω, hubungan (1), (2) dapat memungkinkan beberapa nilai ω untuk ω 0 dan V S tertentu, yaitu gelombang dengan frekuensi yang berbeda(yang disebut efek Doppler kompleks). Fitur tambahan muncul ketika sumber bergerak dengan kecepatan V S > υ, ketika pada permukaan kerucut terdapat sudut yang memenuhi kondisi cosθ S = υ/V S , penyebut dalam rumus (2) menjadi nol - yang disebut efek Doppler anomali terjadi. Dalam hal ini, di dalam kerucut yang ditentukan, frekuensi meningkat dengan meningkatnya sudut θ S, sedangkan dengan efek Doppler normal di bawah sudut besarθ S frekuensi yang lebih rendah dipancarkan.
Variasi dari efek Doppler adalah apa yang disebut efek Doppler ganda - pergeseran frekuensi gelombang ketika dipantulkan dari benda bergerak, karena objek yang dipantulkan pertama-tama dapat dianggap sebagai penerima dan kemudian sebagai pemancar kembali gelombang. . Jika ω 0 dan υ 0 adalah frekuensi dan kecepatan fasa gelombang yang datang pada batas datar, maka frekuensi ω i gelombang sekunder (yang dipantulkan dan ditransmisikan) yang merambat dengan kecepatan υ i didefinisikan sebagai (3)
dimana θ 0, θ i adalah sudut antara vektor gelombang dari gelombang yang bersesuaian dan komponen normal kecepatan V dari pergerakan permukaan pantul. Rumus (3) juga berlaku jika pemantulan terjadi dari batas bergerak dari perubahan keadaan medium yang diam secara makroskopis (misalnya, gelombang ionisasi dalam gas). Oleh karena itu, khususnya, ketika dipantulkan dari suatu batas yang bergerak menuju gelombang, frekuensinya meningkat, dan pengaruhnya semakin besar, semakin besar pula perbedaan yang lebih sedikit kecepatan batas dan gelombang pantulan.
Untuk media non-stasioner, perubahan frekuensi rambat gelombang dapat terjadi bahkan untuk pemancar dan penerima yang diam - yang disebut efek Doppler parametrik.
Efek Doppler dinamai K. Doppler, yang pertama kali membuktikannya secara teoritis dalam akustik dan optik (1842). Pertama konfirmasi eksperimental Efek Doppler dalam akustik dimulai pada tahun 1845. A. Fizeau (1848) memperkenalkan konsep pergeseran garis spektral Doppler, yang ditemukan kemudian (1867) dalam spektrum beberapa bintang dan nebula. Efek Doppler transversal ditemukan fisikawan Amerika G. Ives dan D. Stilwell pada tahun 1938. Generalisasi efek Doppler pada kasus media non-stasioner dilakukan oleh V. A. Michelson (1899); kemungkinan efek Doppler kompleks pada media dengan dispersi dan efek Doppler anomali untuk V > υ pertama kali ditunjukkan oleh V. L. Ginzburg dan I. M. Frank (1942).
Efek Doppler memungkinkan Anda mengukur kecepatan pergerakan sumber radiasi dan objek penghambur gelombang dan menemukan lebarnya penggunaan praktis. Dalam astrofisika, efek Doppler digunakan untuk menentukan kecepatan pergerakan bintang, serta kecepatan rotasi. benda langit. Pengukuran garis pergeseran merah Doppler dalam spektrum emisi galaksi jauh menghasilkan kesimpulan bahwa Alam Semesta mengembang. Perluasan Doppler pada garis emisi spektral atom dan ion menyediakan cara untuk mengukur suhunya. Di radio dan sonar, efek Doppler digunakan untuk mengukur kecepatan target bergerak, untuk mengidentifikasinya dengan latar belakang reflektor stasioner, dll.
Lit.: Frankfurt U.I., Frank A.M. Optik benda bergerak. M., 1972; Ugarov V.A. Teori khusus relativitas. edisi ke-2. M., 1977; Frank I.M. Einstein dan optik // Kemajuan ilmu fisika. 1979. T. 129. Edisi. 4; Ginzburg V.L. Fisika teoretis dan astrofisika: Bab tambahan. edisi ke-2. M., 1981; Landsberg G.S. Optik. edisi ke-6. M., 2003.
Bunyi dapat dipersepsikan secara berbeda oleh seseorang jika sumber bunyi dan pendengarnya bergerak relatif satu sama lain. Ini mungkin tampak lebih tinggi atau lebih pendek dari yang sebenarnya.
Jika sumber gelombang bunyi dan penerimanya bergerak, maka frekuensi bunyi yang ditangkap penerima berbeda dengan frekuensi sumber bunyi. Saat mereka mendekat, frekuensinya meningkat, dan saat mereka menjauh, frekuensinya menurun. Fenomena ini disebut efek Doppler , dinamai menurut ilmuwan yang menemukannya.
Efek Doppler dalam akustik
Banyak dari kita telah melihat bagaimana nada peluit kereta api berubah seiring pergerakannya kecepatan tinggi. Hal ini tergantung pada frekuensi gelombang suara yang ditangkap telinga kita. Saat kereta mendekat, frekuensi ini meningkat dan sinyalnya menjadi lebih tinggi. Saat kita menjauh dari pengamat, frekuensinya berkurang dan kita mendengar suara yang lebih pelan.
Efek yang sama terjadi ketika penerima suara bergerak dan sumbernya diam, atau ketika keduanya bergerak.
Mengapa frekuensi gelombang suara berubah dijelaskan oleh fisikawan Austria Christian Doppler. Pada tahun 1842, ia pertama kali menjelaskan pengaruh perubahan frekuensi, yang disebut efek Doppler .
Ketika penerima suara mendekati sumber gelombang suara yang tidak bergerak, ia bertemu dalam perjalanannya per satuan waktu lebih banyak gelombang dibandingkan jika stasioner. Artinya, ia merasakan frekuensi yang lebih tinggi dan mendengar nada yang lebih tinggi. Ketika menjauh, jumlah gelombang yang dilintasi per satuan waktu berkurang. Dan suaranya tampak lebih rendah.
Ketika sumber suara bergerak menuju penerima, ia seolah-olah mengejar gelombang yang dihasilkannya. Panjangnya berkurang, oleh karena itu frekuensinya bertambah. Jika ia menjauh, maka panjang gelombangnya menjadi lebih panjang dan frekuensinya menjadi lebih rendah.
Cara menghitung frekuensi gelombang yang diterima
Gelombang bunyi hanya dapat merambat pada suatu medium. Panjangnya λ tergantung pada kecepatan dan arah pergerakannya.
Di mana ω 0 - frekuensi melingkar dimana sumber memancarkan gelombang;
Dengan - kecepatan rambat gelombang dalam medium;
ay - kecepatan pergerakan sumber gelombang relatif terhadap medium. Nilainya positif jika sumber bergerak menuju penerima, dan negatif jika sumber menjauh.
Penerima tetap merasakan frekuensinya
Jika sumber bunyi diam dan penerima bergerak, maka frekuensi yang ditangkapnya adalah sama
Di mana kamu - kecepatan penerima relatif terhadap medium. Dia memiliki nilai positif, jika penerima bergerak menuju sumber, dan negatif jika penerima bergerak menjauh.
Secara umum rumus frekuensi yang dirasakan penerima adalah:
Efek Doppler diamati untuk gelombang frekuensi berapa pun, serta radiasi elektromagnetik.
Di mana efek Doppler diterapkan?
Efek Doppler digunakan jika diperlukan untuk mengukur kecepatan benda yang mampu memancarkan atau memantulkan gelombang. Syarat utama munculnya efek ini adalah pergerakan sumber dan penerima gelombang relatif satu sama lain.
Radar Doppler adalah instrumen yang memancarkan gelombang radio dan kemudian mengukur frekuensi gelombang yang dipantulkan dari suatu benda bergerak. Dengan mengubah frekuensi sinyal, kecepatan suatu benda ditentukan. Radar tersebut digunakan oleh petugas polisi lalu lintas untuk mengidentifikasi pelanggar yang melebihi batas kecepatan yang diizinkan. Efek Doppler digunakan dalam navigasi laut dan udara, detektor gerakan dalam sistem keamanan, untuk mengukur kecepatan angin dan awan dalam meteorologi, dll.
Kita sering mendengar tentang penelitian di bidang kardiologi seperti ekokardiografi Doppler. Efek Doppler dalam hal ini digunakan untuk menentukan kecepatan pergerakan katup jantung dan kecepatan aliran darah.
Dan bahkan kecepatan pergerakan bintang, galaksi, dan benda langit lainnya telah dipelajari untuk ditentukan oleh pergeseran garis spektrum menggunakan efek Doppler.
Misalkan ada suatu alat di dalam gas atau cairan pada jarak tertentu dari sumber gelombang yang merasakan getaran medium, yang kita sebut penerima. Jika sumber dan penerima gelombang berada dalam keadaan diam terhadap medium tempat gelombang merambat, maka frekuensi osilasi yang dirasakan oleh penerima akan sama dengan frekuensi osilasi sumber. Jika sumber atau penerima, atau keduanya, bergerak relatif terhadap medium, maka frekuensi v yang dirasakan penerima mungkin berbeda dari Fenomena ini disebut efek Doppler.
Anggaplah sumber dan penerima bergerak sepanjang garis lurus yang menghubungkan keduanya. Kecepatan sumber akan dianggap positif jika sumber bergerak menuju penerima, dan negatif jika sumber bergerak menjauhi penerima. Demikian pula, kecepatan penerima akan dianggap positif jika penerima bergerak menuju sumber, dan negatif jika penerima bergerak menjauhi sumber.
Jika sumber diam dan berosilasi dengan suatu frekuensi, maka pada saat sumber menyelesaikan osilasi, “puncak” gelombang yang dihasilkan oleh osilasi pertama akan mempunyai waktu untuk menempuh lintasan v dalam medium (v adalah kecepatan perambatan gelombang relatif terhadap medium). Akibatnya, gelombang yang dihasilkan oleh sumber dalam satu detik dari “puncak” dan “palung” akan berada pada panjang v. Jika sumber bergerak relatif terhadap medium dengan kecepatan tertentu, maka pada saat sumber menyelesaikan osilasi, “punggungan” yang dihasilkan oleh osilasi pertama akan ditempatkan pada jarak dari sumber (Gbr. 103.1). Akibatnya, “puncak” dan “palung” gelombang akan sesuai sepanjang , sehingga panjang gelombangnya akan sama dengan
Dalam sedetik, “punggung bukit” dan “lembah” akan melewati penerima stasioner, yang terletak sepanjang v. Jika penerima bergerak dengan kecepatan, maka pada akhir interval waktu yang berlangsung selama 1 detik, ia akan merasakan “depresi”, yang pada awal interval ini berada pada jarak yang secara numerik sama dengan .
Dengan demikian, dalam sedetik penerima akan merasakan osilasi yang sesuai dengan "punggung bukit" dan "lembah" yang panjangnya sama dengan (Gbr. 103.2), dan akan berosilasi dengan frekuensi
Mengganti ekspresi (103.1) untuk K ke dalam rumus ini, kita memperoleh
(103.2)
Dari rumus (103.2) dapat disimpulkan bahwa dengan pergerakan sumber dan penerima, dimana jarak antara keduanya berkurang, frekuensi v yang dirasakan oleh penerima menjadi frekuensi yang lebih banyak sumber
Jika jarak antara sumber dan penerima bertambah, v akan lebih kecil dari
Jika arah kecepatan tidak bertepatan dengan garis lurus yang melalui sumber dan penerima, alih-alih rumus (103.2), perlu untuk mengambil proyeksi vektor ke arah garis lurus yang ditentukan.
Dari rumus (103.2) dapat disimpulkan bahwa efek Doppler untuk gelombang bunyi ditentukan oleh kecepatan gerak sumber dan penerima relatif terhadap medium tempat rambat bunyi. Efek Doppler juga diamati untuk gelombang cahaya, tetapi rumus perubahan frekuensi memiliki bentuk yang berbeda dari (103.2). Hal ini disebabkan karena untuk gelombang cahaya tidak ada medium material yang getarannya merupakan “cahaya”. Oleh karena itu, kecepatan sumber dan penerima cahaya relatif terhadap “media” tidak masuk akal. Dalam hal cahaya, kita hanya bisa membicarakannya kecepatan relatif penerima dan sumber. Efek Doppler untuk gelombang cahaya bergantung pada besar dan arah kecepatannya. Efek Doppler untuk gelombang cahaya dibahas di § 151.
Pernahkah Anda memperhatikan bahwa suara sirene mobil memiliki nada yang berbeda-beda saat mendekati atau menjauh dari Anda?
Perbedaan frekuensi peluit atau sirene kereta atau gerbong yang sedang mundur dan mendekat mungkin merupakan contoh efek Doppler yang paling jelas dan tersebar luas. Secara teoritis ditemukan oleh fisikawan Austria Christian Doppler, efek ini nantinya akan berperan peran kunci dalam ilmu pengetahuan dan teknologi.
Bagi seorang pengamat, panjang gelombang radiasi akan memiliki arti yang berbeda pada kecepatan sumber yang berbeda relatif terhadap pengamat. Saat sumber mendekat, panjang gelombangnya akan berkurang, dan saat sumbernya menjauh, panjang gelombangnya akan bertambah. Akibatnya, frekuensi juga berubah seiring dengan panjang gelombang. Oleh karena itu, frekuensi bunyi peluit kereta api yang mendekat terasa lebih tinggi daripada frekuensi bunyi peluit saat kereta menjauh. Sebenarnya inilah inti dari efek Doppler.
Efek Doppler mendasari pengoperasian banyak instrumen pengukuran dan penelitian. Saat ini banyak digunakan dalam pengobatan, penerbangan, astronotika, dan bahkan kehidupan sehari-hari. Efek Doppler menggerakkan navigasi satelit dan radar jalan raya, mesin ultrasonik, dan alarm keamanan. Efek Doppler telah diterapkan secara luas di penelitian ilmiah. Mungkin dia paling terkenal di bidang astronomi.
Penjelasan efeknya
Untuk memahami sifat efek Doppler, lihat saja permukaan air. Lingkaran di atas air dengan sempurna menunjukkan ketiga komponen gelombang apa pun. Mari kita bayangkan suatu pelampung yang diam menciptakan lingkaran. Dalam hal ini, periodenya akan sesuai dengan waktu yang berlalu antara emisi lingkaran yang satu dan lingkaran berikutnya. Frekuensinya sama dengan banyaknya lingkaran yang dipancarkan pelampung dalam jangka waktu tertentu. Panjang gelombangnya akan sama dengan selisih jari-jari dua lingkaran yang dipancarkan secara berurutan (jarak antara dua puncak yang berdekatan).
Bayangkan sebuah perahu sedang mendekati kendaraan hias yang tidak bergerak ini. Karena bergerak menuju punggung bukit, kecepatan perahu akan ditambah dengan kecepatan rambat lingkaran. Oleh karena itu, relatif terhadap perahu, kecepatan punggung bukit yang mendekat akan meningkat. Panjang gelombangnya akan berkurang pada saat yang bersamaan. Akibatnya, waktu yang dibutuhkan antara tumbukan dua lingkaran yang berdekatan pada sisi perahu akan berkurang. Dengan kata lain, periodenya akan berkurang dan frekuensinya akan bertambah. Dengan cara yang sama, untuk perahu yang sedang surut, kecepatan puncak yang mengejarnya akan berkurang, dan panjang gelombang akan meningkat. Artinya menambah periode dan mengurangi frekuensinya.
Sekarang bayangkan pelampung itu terletak di antara dua perahu yang tidak bergerak. Terlebih lagi, nelayan di salah satu dari mereka menarik pelampung ke arah dirinya. Memperoleh kecepatan relatif terhadap permukaan, pelampung terus mengeluarkan lingkaran yang persis sama. Namun, pusat setiap lingkaran berikutnya akan digeser relatif terhadap pusat lingkaran sebelumnya ke arah perahu yang didekati oleh pelampung. Oleh karena itu, pada sisi perahu ini jarak antar punggung bukit akan diperkecil. Ternyata lingkaran-lingkaran yang panjang gelombangnya diperkecil, yang berarti periodenya diperkecil dan frekuensinya diperbesar, akan sampai ke perahu bersama nelayan yang menarik pelampung. Demikian pula, gelombang dengan panjang, periode, dan frekuensi yang berkurang akan mencapai nelayan lain.
Bintang beraneka warna
Pola perubahan karakteristik gelombang di permukaan air seperti itu pernah diperhatikan oleh Christian Doppler. Dia menggambarkan setiap kasus tersebut secara matematis dan menerapkan data yang diperoleh pada suara dan cahaya, yang juga memiliki sifat gelombang. Doppler berpendapat bahwa warna bintang secara langsung bergantung pada kecepatan mereka mendekati atau menjauh dari kita. Dia menguraikan hipotesis ini dalam sebuah artikel yang dia presentasikan pada tahun 1842.
Perhatikan bahwa Doppler salah dalam menentukan warna bintang. Dia percaya bahwa semua bintang memancarkan cahaya warna putih, yang kemudian terdistorsi karena kecepatannya relatif terhadap pengamat. Faktanya, efek Doppler tidak mempengaruhi warna bintang, melainkan pola spektrumnya. Untuk bintang yang menjauh dari kita, semua garis gelap spektrum akan bertambah panjang gelombangnya - bergeser ke merah. Efek ini ditetapkan dalam sains dengan nama “pergeseran merah”. Sebaliknya, pada bintang yang mendekat, garis cenderung ke bagian spektrum dengan frekuensi lebih tinggi, yaitu warna ungu.
Ciri garis spektrum ini, berdasarkan rumus Doppler, secara teori telah diprediksi pada tahun 1848 fisikawan Perancis ArmanFiso. Hal ini dikonfirmasi secara eksperimental pada tahun 1868 oleh William Huggins, yang memberikan kontribusi besar studi spektral ruang angkasa. Pada abad ke-20, efek Doppler untuk garis-garis dalam spektrum disebut “pergeseran merah”, dan kita akan membahasnya kembali.
Konser di rel
Pada tahun 1845, ahli meteorologi Belanda Beuys-Ballot, dan kemudian Doppler sendiri, melakukan serangkaian eksperimen untuk menguji efek “suara” Doppler. Dalam kedua kasus tersebut, mereka menggunakan efek klakson kereta yang mendekat dan berangkat yang disebutkan sebelumnya. Peran peluit dimainkan oleh kelompok pemain terompet yang memainkan nada tertentu saat berada di dalam gerbong terbuka kereta api yang sedang melaju.
Beuys-Ballot membiarkan pemain terompet melewati orang-orang dengan pendengaran yang baik, yang mencatat perubahan nada kapan kecepatan yang berbeda komposisi. Dia kemudian mengulangi percobaan ini, menempatkan pemain terompet di atas panggung dan para pendengarnya di dalam kereta. Doppler mencatat disonansi nada dua kelompok pemain terompet, yang mendekat dan menjauh darinya pada saat yang sama, memainkan satu nada.
Dalam kedua kasus tersebut, efek Doppler untuk gelombang suara berhasil dikonfirmasi. Selain itu, kita masing-masing dapat melakukan eksperimen ini Kehidupan sehari-hari dan konfirmasikan sendiri. Oleh karena itu, meskipun efek Doppler dikritik oleh orang-orang sezamannya, penelitian lebih lanjut membuat hal ini tidak dapat disangkal.
Seperti disebutkan sebelumnya, efek Doppler digunakan untuk menentukan kecepatan benda luar angkasa relatif terhadap pengamat.
Garis-garis gelap pada spektrum benda-benda kosmik pada awalnya selalu terletak di lokasi yang tetap. Lokasi ini sesuai dengan panjang gelombang serapan suatu unsur tertentu. Untuk objek yang mendekat atau menjauh, semua pita mengubah posisinya masing-masing ke wilayah spektrum ungu atau merah. Membandingkan garis spektrum terestrial unsur kimia Dengan garis serupa pada spektrum bintang, kita dapat memperkirakan seberapa cepat suatu benda mendekat atau menjauh dari kita.
Pergeseran merah pada spektrum galaksi ditemukan oleh astronom Amerika Vesto Slifer pada tahun 1914. Rekan senegaranya Edwin Hubble membandingkan jarak galaksi yang ditemukannya dengan besarnya pergeseran merahnya. Jadi pada tahun 1929 dia sampai pada kesimpulan bahwa semakin jauh galaksi, semakin cepat ia menjauh dari kita. Ternyata kemudian, hukum yang dia temukan kurang akurat dan tidak dijelaskan dengan tepat gambaran nyata. Namun, Hubble menetapkan tren yang tepat penelitian lebih lanjut ilmuwan lain yang kemudian memperkenalkan konsep pergeseran merah kosmologis.
Berbeda dengan pergeseran merah Doppler, yang timbul dari gerak alami galaksi relatif terhadap kita, pergeseran merah kosmologis timbul dari perluasan ruang. Seperti yang Anda ketahui, Alam Semesta mengembang secara merata di seluruh volumenya. Oleh karena itu, semakin jauh jarak dua galaksi, semakin besar jaraknya kecepatan tinggi mereka lari dari satu sama lain. Jadi setiap megaparsec antar galaksi akan saling menjauh sekitar 70 kilometer setiap detiknya. Besaran ini disebut konstanta Hubble. Menariknya, Hubble sendiri awalnya memperkirakan konstanta kecepatannya sebesar 500 km/s per megaparsec.
Hal ini dijelaskan oleh fakta bahwa dia tidak memperhitungkan fakta bahwa pergeseran merah di galaksi mana pun adalah jumlah dari dua pergeseran merah yang berbeda. Selain didorong oleh perluasan Alam Semesta, galaksi juga mengalami pergerakannya sendiri. Jika pergeseran merah relativistik mempunyai distribusi yang sama untuk semua jarak, maka pergeseran merah Doppler menerima perbedaan yang paling tidak terduga. Lagipula gerakan sendiri galaksi-galaksi dalam gugusnya hanya bergantung pada pengaruh gravitasi timbal balik.
Galaksi dekat dan jauh
Di antara galaksi-galaksi yang berdekatan, konstanta Hubble secara praktis tidak dapat diterapkan untuk memperkirakan jarak antar galaksi. Misalnya, galaksi Andromeda yang relatif terhadap kita mengalami pergeseran ungu total saat ia mendekat Bima Sakti dengan kecepatan sekitar 150 km/s. Jika kita menerapkan hukum Hubble pada objek tersebut, maka objek tersebut seharusnya bergerak menjauh dari galaksi kita dengan kecepatan 50 km/s, yang tidak sesuai dengan kenyataan sama sekali.
Untuk galaksi jauh, pergeseran merah Doppler hampir tidak terlihat. Kecepatan perpindahannya dari kita berbanding lurus dengan jarak dan, dengan kesalahan kecil, sesuai dengan konstanta Hubble. Jadi quasar terjauh bergerak menjauhi kita dengan kecepatan lebih besar dari kecepatan cahaya. Anehnya, hal ini tidak bertentangan dengan teori relativitas, karena ini adalah kecepatan perluasan ruang, dan bukan objek itu sendiri. Oleh karena itu, penting untuk dapat membedakan pergeseran merah Doppler dari pergeseran merah kosmologis.
Perlu juga dicatat bahwa dalam kasus gelombang elektromagnetik, efek relativistik juga terjadi. Distorsi waktu yang menyertainya dan perubahan dimensi linier ketika benda bergerak relatif terhadap pengamat juga mempengaruhi sifat gelombang. Seperti halnya dengan efek relativistik
Tidak diragukan lagi, tanpa efek Doppler, yang dengannya pergeseran merah ditemukan, kita tidak akan mengetahuinya struktur skala besar Semesta. Namun, para astronom berutang lebih dari ini pada sifat gelombang ini.
Efek Doppler dapat mendeteksi sedikit penyimpangan pada posisi bintang, yang dapat disebabkan oleh planet yang mengorbit di sekitarnya. Berkat ini, ratusan eksoplanet telah ditemukan. Hal ini juga digunakan untuk mengkonfirmasi keberadaan exoplanet yang sebelumnya ditemukan menggunakan metode lain.
Efek Doppler memainkan peran penting dalam studi sistem bintang dekat. Ketika dua bintang berada sangat dekat sehingga tidak dapat dilihat secara terpisah, efek Doppler membantu para astronom. Hal ini memungkinkan Anda untuk melacak pergerakan timbal balik bintang yang tidak terlihat di sepanjang spektrumnya. Seperti sistem bintang Mereka bahkan mendapat nama "optik ganda".
Dengan menggunakan efek Doppler, Anda tidak hanya dapat memperkirakan kecepatan objek luar angkasa, tetapi juga kecepatan rotasinya, pemuaiannya, kecepatan aliran atmosfernya, dan banyak lagi. Kecepatan cincin Saturnus, perluasan nebula, denyut bintang semuanya diukur berkat efek ini. Bahkan digunakan untuk menentukan suhu bintang, karena suhu juga merupakan indikator pergerakan. Dapat dikatakan bahwa astronom modern mengukur hampir semua hal yang berhubungan dengan kecepatan benda luar angkasa menggunakan efek Doppler.
