Spis treści:
Uprostřed kulaté kaluže sedí šťastný červ. Každou chvíli třese nohama, což způsobuje rozruch, který se šíří vodou. Pokud interference vzniká v jednom bodě, šíří se z tohoto bodu všemi směry. Protože se poruchy pohybují ve stejném prostředí, budou se pohybovat stejnou rychlostí. V dnešním článku se blíže podíváme na Dopplerův jev – jev, který je snadno pozorovatelný, ale o něco obtížněji se vysvětluje, o co vlastně jde.
Co je to Dopplerův jev?
V roce 1842 rakouský fyzik a matematik Christian Doppler pozoroval, že barva světelného tělesa, tj. frekvence vyzařovaného záření, se mění s relativním pohybem pozorovatele nebo zdroje. Dopplerův jev pozorujeme vždy, když se zdroj vlnění pohybuje vzhledem k pozorovateli. Lze je popsat jako efekt způsobený pohybujícím se zdrojem těchto vln, kdy dochází ke zdánlivému frekvenčnímu posunu pro pozorovatele, ke kterým se jejich zdroj blíží, a ke zdánlivému frekvenčnímu posunu pro pozorovatele, od kterých se vzdaluje. Háček je v tom, že tento efekt není způsoben skutečnou změnou frekvence zdroje, ale pouze naší zkušeností, respektive vnímáním.
Vzor vytvořený hrdinou z úvodu článku, který třese nohama, by byl řadou soustředných kruhů. Tyto kruhy by dosáhly okrajů louže se stejnou frekvencí, tj. pozorovatel A stojící vlevo zaznamená “poruchu” dopadající na okraj louže se stejnou frekvencí, jakou může pozorovat pozorovatel B na druhé straně. Ve skutečnosti je tedy frekvence, při které rušení dosáhne okraje louže, stejná jako frekvence, při které je rušení generováno. Jestliže údery červích nohou vytvářejí interferenci s frekvencí dvě za sekundu, pak si každý pozorovatel všimne, že se blíží právě dvěma za sekundu.
Dopplerův jev a pohyb - příklad
Předpokládejme, že se náš červ vydal na výlet. Pohybuje se přímo podél louže a vytváří interferenci se stejnou frekvencí dvě za sekundu. Jak se pohybuje doprava, veškeré následné rušení pochází z polohy blíže k pozorovateli B (vpravo) a dále od pozorovatele A (vlevo). V důsledku toho musí každá následující porucha urazit kratší vzdálenost, než dorazí k pozorovateli B, takže trvá kratší dobu, než porucha dorazí k pozorovateli B.
Na druhou stranu musí každá následující porucha urazit větší vzdálenost, než se dostane k pozorovateli A. Z tohoto důvodu pozoruje pozorovatel A frekvenci výskytu poruchy, která je nižší než frekvence, s níž je porucha vyvolána.
Vliv pohybu brouka (zdroje vln) spočívá v tom, že pozorovatel, ke kterému se brouk pohybuje, pozoruje frekvenci vyšší než dvě poruchy za sekundu a pozorovatel, od kterého se brouk vzdaluje, pozoruje frekvenci nižší než dvě poruchy za sekundu.
Nechme už toho brouka na pokoji. Pro ilustraci Dopplerova jevu na příkladu vodní vlny si představme, že jedeme motorovým člunem po moři. Vlny se k pobřeží valí stálým tempem. Pokud loď pluje naprázdno, vlny nás budou míjet touto konstantní rychlostí. Pokud ji však nasměrujeme na otevřené moře, ke zdroji vln, budou nás vlny míjet s větší frekvencí. Jinými slovy: z našeho pohledu se bude vlnová délka jevit kratší. Nyní si představte, že se loď vrací ke břehu – v tomto případě se pohybuje směrem od zdroje vln, přičemž každá vlna míjí loď pomaleji. Z našeho pohledu se nyní vlny zdají být delší! Ať už řídíme svůj motorový člun jakýmkoli směrem, mořské vlny se nezměnily, změnilo se naše vnímání.
Dopplerův jev - každodenní život a přístroje
- Sirény v nouzových vozidlech. Všichni známe nejen “měnící se” výšku tónu projíždějícího auta se sirénou, ale také tento asi nejčastěji uváděný příklad Dopplerova jevu.
- Policejní radar. Tato malá zbraň vysílá signál rádiových vln a přijímá stejný signál odražený od cílového objektu. Když se objekt k radaru přibližuje, je frekvence zpětných vln vyšší než frekvence vysílaných vln, a když se objekt vzdaluje, je frekvence nižší. Při určování tohoto rozdílu může přístroj vypočítat a zobrazit rychlost objektu, od kterého se vlny odrazily.
- Rádiový (zbližovací) zapalovač. Bezkontaktní rozbuška byla průlomem ve vojenské technologii za druhé světové války, který přispěl k porážce německé armády v Ardenách. Jedná se o rádiový vysílač a přijímač pro detekci dráhy objektu pomocí Dopplerova jevu. Když se objekt přiblížil dostatečně blízko, roznětka se aktivovala a nálož cíl zničila.
- Hudba. Zvuk je nepatrná fluktuace tlaku vzduchu. Nejstarší známou aplikací Dopplerova jevu v oblasti hudby byl reproduktor Leslie spojený s Hammondovy varhany. Samotné varhany, ačkoli se stále snadno používají, byly vytvořeny v roce 1935 a v digitální hudební sféře se Dopplerův efekt používá ke zlepšení kvality zvuku – je na něm založeno mnoho plug-inů a efektů.
- Echokardiogram. Lékařský přístroj používaný k určení směru a rychlosti průtoku krve. Dopplerův jev se zde uplatňuje na ultrazvukové vlny, které určují rychlost a směr proudící krve. Stejně jako se rychlost pohybujícího se vozidla určuje pomocí radaru, lze echokardiogram použít k určení rychlosti tekutiny měřením velikosti frekvenčního posunu mezi vysílaným a přijímaným signálem. Kromě toho se směr pohybu určuje podle toho, zda je Dopplerův posun kladný nebo záporný.
- Dopplerovský průtokoměr – ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler). Zařízení je podobné sonaru, který se používá k měření rychlosti proudění vody v různých hloubkách pomocí Dopplerova jevu pro zvukové vlny rozptýlené částicemi ve vodním sloupci.
- Senzory pohybu v elektronice. Malé dopplerovské radary umožňují přesné měření vzdálenosti a detekci pohybu. Tato zařízení využívají Dopplerův jev, který funguje na základě analýzy frekvencí vln generovaných a přijímaných anténami RX a TX – podobně jako v předchozích příkladech, pouze se mění aplikace.
Dopplerův jev v astronomii
Pochopení Dopplerova jevu je užitečné v mnoha různých vědních oborech – dokonce i ve vědě o planetách a jiných nebeských tělesech. Astronomové se při detekci exoplanet, tj. planet mimo naši sluneční soustavu, spoléhají na Dopplerův jev. Doposud bylo pomocí Dopplerova jevu přesně detekováno 442 ze 473 známých exoplanet a odtud je jen krůček k získání podrobnějších informací o těchto světech.
Zdrojem zkoumaného vlnění může být i hvězda, která vyzařuje elektromagnetické vlny. Z našeho pohledu dochází k Dopplerovým posunům, když hvězda obíhá kolem vlastního středu hmoty a pohybuje se směrem k Zemi nebo od ní. Tyto posuny vlnové délky lze pozorovat jako jemné změny v jeho spektru neboli “duhové barvy” vyzařované ve světle. Jak se k nám hvězda přibližuje, její vlny se stlačují a její spektrum je o něco modřejší. Jak se od nás hvězda vzdaluje, její spektrum je o něco červenější.
Dopplerův jev dokonce pomohl objevit planetu v soustavě se dvěma slunci – Objev způsobil v únoru 2022 značný rozruch a planeta, Kepler 16-b, byla přirovnána k planetě Tatooine, která je domovem Luka Skywalkera z vesmírem Hvězdných válek. Nachází se asi 245 světelných let od Země, je to plynný obr a je velký zhruba jako Saturn.
Mohl Christian Doppler v polovině 19. století snít o tom, že jeho práce bude mít tak významný přínos pro výzkum vesmíru? V tomto případě se třepot motýlích křídel dostal až do astronomických laboratoří a v průběhu staletí nezpůsobil ani tak tornádo, jako spíše skutečný vědecký průlom.
