Применение эффекта Доплера в современных системах многогранно. Многие слышат изменяющийся звук от звукового сигнала автомобиля или гудка поезда во время их движения и не знают что это явление природы широко используется.
Изменение звука является результатом сдвига частоты звуковых волн вокруг объекта, который известен более широко, как эффект Доплера.
Принцип эффекта Доплера
Эффект назван в честь австрийского математика и физика Кристиана Доплера (Christian Doppler) который первым открыл этот принцип в середине 1800-х.
Эффект носит его имя и представляет относительное изменение длины волны и частоты источника волны в движении относительно статического наблюдателя.
Эффект Доплера или сдвиг также возникает в звуке сирены проезжающего мимо автомобиля, который имеет более высокий тон при прибытии и более низкий при удалении, чем той же сирены в состоянии покоя. Скорость волны — это число колебаний, умноженных на длину волны, поэтому в среде (воздухе) с постоянной скоростью волны это означает, что волны приближающегося к нам источника короче и длиннее.
Когда что-то движется к вам, звуковые волны сжимаются и это приводит к увеличению высоты звука из-за этого сжатия. Когда что-то движется от вас, волны начинают расширяться и это приводит к снижению звука.
Это, казалось бы, безобидное явление изменения частоты от приближающихся или удаляющихся объектов имеет неожиданную глубину и интересные последствия.
Где применяется эффект Доплера
- Слово «Доплер» часто употребляется как «Доплеровский радар», термин часто применяется, когда речь заходит о радиолокации или метеорологии. Большинство метеорологических технических средств опираются на систему доплеровских РЛС для обеспечения точных результатов на расстоянии, например, направление дождя. Применение эффекта Доплера служит частью этого процесса.
- Радиолокационные системы используют мощные антенны для зондирования импульсными радиоволнами. Радиоволны, отражаясь от летящих капель дождя, возвращаются к источнику уже измененные. Вот это изменение радиоволн и используются для расчета расстояния и направления дождевого облака.
- Но не только в радиолокации используется данный эффект. Применение эффекта Доплера приводит к точному измерению параметров вращения Солнца и планет, колец Сатурна, экзопланет вне Солнечной системы. Данное явление позволяет измерить траектории спутников, уточнить их структуру, вести контроль за термоядерными реакциями.
- Когда Земля на орбите Солнца приближается или удаляется от неподвижных звезд, их цвет, по-видимому, меняется на пурпурный или красный, в первом случае до длин волн около 300, а в второй до 700 нанометров. Применение эффекта позволяет вычислить скорость космических объектов.
- Также разрабатываются «умные» автомобили, которые применяя эффект Доплера могут ездить по дорогам без помощи человека-водителя. Роботы также используют это свойство.
- В медицине применение эффекта Доплера широко: для определения скорости кровотока, диагностике сосудов, акушерской практике. Допплерография — целое направление которое использует это явление в медицинских целях.
Энтропия и эффект Доплера
Применение этого безобидного доплеровского сдвига имеет еще несколько интересных последствий.
Из классической и релятивистской механики известно, что кинетическая энергия тела растет со скоростью, но квантовая формула Планка говорит, что энергия фотона пропорциональна только его частоте. Парадоксально, но применение эффекта Доплера предсказывает уменьшение этой энергии за счет движения источника света, увеличивающего энергию.
Таким образом, одна из особенностей состоит в том, чтобы переопределить термины тепла и температуры тела из-за известного неравенства немецкого физика Клаузиуса — отношение тепла к температуре, которое он назвал энтропией в 1850 году. Энтропия – термодинамическая бесполезность энергии (не всю энергию можно превратить в полезную работу). Известно, что движение увеличивает температуру тела и его кинетическую энергию. Мы наблюдаем повышение температуры по мере доплеровского сдвига в сторону красного цвета, и, как следствие, уменьшение энтропии которое согласуется со статистической интерпретацией Больцмана. Австрийский физик Людвиг Больцман определил связь между температурой и энергией. А именно релятивистское сжатие пространства вдоль направления движения нарушает однородность тела. Таким образом, энтропия уменьшается пропорционально относительному замедлению течения времени. Следовательно, эффект замедления времени который уже выведен специальной теорией относительности Эйнштейна применим с эффектом Доплера.
