Jak działa policyjny radar?

Wystarczy wycelować urządzenie, nacisnąć przycisk i w tym samym momencie na wyświetlaczu magicznie pojawia się prędkość odległego pojazdu. Jak to możliwe? Policja wykorzystuje to samo zjawisko dzięki któremu szczęśliwi rodzice mogą zobaczyć bijące serce swojego nienarodzonego dziecka, tak zwany efekt Dopplera.

Kolorowe gwiazdy

Christian Doppler, syn kamieniarza z Salzburga, z powodu słabej kondycji fizycznej nie mógł pójść w ślady ojca. Zamiast kamieniarstwa wybrał matematykę i wieku trzydziestu paru lat został asystentem na praskiej politechnice. Zafascynowany astronomią chciał wiedzieć dlaczego na nocnym niebie niektóre gwiazdy są zabarwione na czerwono bądź niebiesko, gdy część gwiazd, w tym nasze Słońce świeci na biało-żółto.

Co to jest efekt Dopplera?

Dopplerfrequenz

Żeby zrozumieć effekt Dopplera musimy zrozumieć jak działają fale. Dźwięk rozchodzi się w powietrzu jako fala o określonej częstości (częstość mierzymy w hercach – 1 herc (Hz) to jedno drganie na sekundę). Ludzkie uchu odbiera fale akustyczne od 20 Hz (niskie tony) do około 20 000 Hz (najwyższe tony). Gdy następnym razem będzię Cię mijać karetka na sygnale zwróć uwagę na wysokość dźwięku. W trakcie zbliżania się karetki słyszymy dźwięk wyraźnie wyższy (zwiększa się częstość) , jak tylko pojazd nas minie i zacznie się oddalać słyszymy niższy, bardziej basowy sygnał (dźwięk ma mniej herców). Analogiczne dzieje się, gdy sygnał dźwiękowy stoi w miejscu, a my do niego się przybliżamy bądź oddalamy. Doppler jako pierwszy odkrył, że taki efekt zachodzi.

Światło to też fala

visibleŚwiatło widzialne też jest falą (innego typu) o bardzo wysokich częstościach liczonych w terahercach (1 teraherc THz to bilion herców). Ludzkie mózg postrzega różne częstości jako inne barwy, i tak falę o częstości 430 THz widzimy jako czerwień, zieleń ma około 550 THz, a fiolet powyżej 700 THz. Doppler wymyślił, że jeżeli wszystkie gwiazdy mają tą samą barwę, to zmianę koloru można wytłumaczyć ich ruchem. Gdy gwiazda się od nas oddala częstość jego światła ulega zmniejszeniu i następuje przesunięcie barwy ku czerwieni, w przypadku zbliżania się gwiazdy częstość się zwiększa i następuje przesunięcie ku fioletowi.

W 1842 roku na posiedzeniu towarzystwa naukowego w Pradze Doppler ogłosił swój pomysł. Z matematycznego punktu widzenia jego wzory były sensowne. Skąd jednak możemy wiedzieć, że Natura zachowuje się zgodnie z prawem, które za biurkiem spłodził sobie mało znany asystent z praskiej politechniki?

Tylko eksperyment prawdę Ci powie

Swieżo upieczony doktor fizyki Buys Ballot nie mógł uwierzyć w teorię Dopplera i postanowił sprawdzić ją doświadczalnie. Wykorzystał do tego najnowszy cud techniki z lat 40-tych XIX wieku – kolej parową. W tym czasie otwartą jedną z pierwszych lini kolejowych w Holandii na trasie Amsterdam – Utrecht, gdzie lokomotywy rozpędzały się do niesamowitej prędkości 40 km/h. Pomysł Ballota polegał na tym, żeby wykorzystać profesjonalnych muzyków o słuchu absolutnym. Stojący na peronie muzycy mieli słuchać przejeżdżającego pociągu na którym grano trąbkami dźwięk o ustalonej wysokości. Po zgodzie ministerstwa eksperyment przeprowadzono przy udziale wielu gapiów. Skruszony Ballot musiał przyznać rację Dopplerowi, zanotowane przez muzyków zmiany tonów zgadzały się z obliczeniami.

Jak można wykorzystać efekt Dopplera

Sheldon z serialu Big Bang Theory przebrany za efekt Dopplera

Efekt Dopplera można wykorzystać w radarze. Działanie radaru dopplerowskiego jest proste, wysyła on w stronę celu fale radiowe, które po odbiciu są rejestrowane. Na podstawie przesunięcia częstości można dokładnie obliczyć jaki jest kierunek i prędkość celu. W taki właśnie sposób policja wie jak szybko jedziesz.

Na podobnej zasadzie działa ultrasonograf (USG) dopplerowski, który wykorzystuje ultradźwięki. Urządzenie pozwala na między innymi na precyzyjne pomiary szybkości krwi w żyłach i w sercu płodu, dzięki czemu już w okresie prenatalnym można diagnozować schorzenia.

No, ale co z tymi gwiazdami

Doppler tłumacząc zmiany kolorów założył, że wszystkie gwiazdy świecą tak samo co nie jest prawdą. Obecnie wiemy, że barwa gwiazdy zależy w głównej mierze od temperatury. Mimo to przy precyzyjnym badaniu widma możemy wykryć prędkość odległych gwiazd i galaktyk. Jak te badania wywróciły do góry nogami nasze wyobrażenie o budowie i historii Wszechświata to już temat na inny wpis Dyletanta.