Всемогъщото ехо: Доплеров ефект

Доплеров ефект в търсене на нови светове

Така физиката направи навреме: беше експериментална проверка на едно от най-интересните физически явления - ефекта на Доплер.

Същността на ефекта е много проста. Когато слушате звук, неговата честота зависи от движението на източника на този звук. Ако източникът се придвижи към приемника, честотата се увеличава, а ако се отдалечи, честотата на звука намалява. Всички сме чували това повече от веднъж, когато бръмчещ електрически влак или линейка профуча покрай нас.

На практика този прост ефект ви позволява да измервате това, което не е достъпно за директно измерване: скоростта на разширяване на галактиките, реактивен самолет или кръв, пътуваща през най-тънките кръвоносни съдове. С негова помощ е възможно да се определи температурата на плазмата или скоростта на движение на атомите.

Затова си струва да се запознаете с ефекта на Доплер по-подробно. Но в същото време - да усетите единството на физическия свят, в който същите закони управляват както атомите, така и галактиките.

Хванете бягащия звук

През 1842 г. австрийският физик Кристиан Доплер обявява откриването на ефекта, по-късно кръстен на него. Ефектът е обясним много лесно.

Представете си, че стреляте по цел, стреляйки с куршуми с постоянна скорост. Да кажем 60 куршума в минута. Ако стоите неподвижно, куршумите ще ударят целта със същата честота. Ако се придвижите към целта с висока скорост, тогава тази скорост ще се увеличи до скоростта на куршумите и те ще летят по-бързо към целта, влизайки в нея по-често. Ако се отдалечите от целта, куршумите ще удрят целта по-рядко.

Подобен ефект се наблюдава, ако източникът на „куршуми“ (например звук) е неподвижен и приемникът се приближава или се отдалечава от него. Ясно е, че промяната на честотата зависи от скоростта на източника. Ако се движи към „целта“ със скоростта на „куршум“, честотата на „куршумите“ ще се удвои. И ако източникът на „куршумите“ със същата скорост ще се отдалечи от „целта“, тогава „куршумите“ изобщо няма да го достигнат.

Много е интересно да се четат стари учебници по физика, където авторите се стремят да предадат на читателя усещането за научен експеримент. Във втория том на Курса по физика на известния учен Орест Хволсън (учебникът беше много популярен преди сто години) на страница 90 четем, че първите проверки на ефекта на Доплер са направени в Англия (както съобщава Британското физическо дружество през 1849 г.). Когато локомотивът премина покрай наблюдателя, музикантът изхвръкна, държейки постоянен тон, и наблюдателят отбеляза увеличаване на честотата на звука с приближаването на влака и намаляване, когато той беше отстранен.

По-точно проучване беше проведено от немски физици - ние започнахме нашата статия с него. Мястото, където е била затегната цигулката, определя колко се е променил тонът на вибрациите. Както знаете, скоростта на звука е 330 m / s. Влакът пътуваше със скорост 20 м / сек. Така че не беше напразно опитът, че поканиха известен музикант с много фино ухо: той трябваше да запише промяна в честотата от само 12%. Ефектът на Доплер се оказа напълно незаменим инструмент в изследването например на космоса.

През 1952 г. са открити звездоподобни обекти, чиито спектри на емисии не са подобни на радиационния спектър на атомите на нито едно от земните вещества. Бяха наречени квазари (на английски quasar, съкратено за квазизвезден радиоизточник - квазизвезден източник на радиоизлъчване).

Американският астроном Мартин Шмид беше първият, който предположи, че спектралните линии на квазарите са обикновени емисионни спектри на водород и други елементи, само изместени в червената зона поради ефекта на Доплер. Оказа се, че квазарите се отдалечават от Земята със скорости, невиждани досега за небесните тела - десетки хиляди км / сек. Обяснението беше, че тъй като според закона на Хъбъл нашата Вселена се разширява със скорост на разсейване, пропорционална на разстоянието, стана ясно, че квазарите са най-отдалечените обекти от нашата Галактика.

С помощта на ефекта на Доплер дори днес се определя наличието на планети около звезди, които не могат да се видят от нито един съвременен телескоп. Измервайки емисионните спектри на някои звезди, астрономите забелязаха, че те сякаш се колебаят „напред-назад“, и стигнаха до извода, че една планета, която се движи в орбита, може да принуди звезда към такова движение.

В услуга на КАТ, ПВО и метеорологичен център

Днес с помощта на ефекта Доплер, на който се основава действието на всички радари, инспекторите на КАТ хващат нарушители на движението.

Принципът на работа на радара (от англ. Radar - радио детектиране и диапазон - „откриване и определяне на разстоянието с помощта на радиото“) е прост: излъчваната от него електромагнитна вълна се отразява от метални предмети. Ако обект се движи към или далеч от радара, честотата на отразената вълна се променя пропорционално на скоростта. Остава да се измери разликата и да се изчисли скоростта. И знаейки скоростта, е лесно да се предвиди по-нататъшното движение на целта.

Мощни радарни станции (Радар) „Редут“, които се появиха в съветската армия преди Великата Отечествена война, намериха вражески самолети на разстояние 100 км. Опитните оператори дори могат да определят типа самолет. Въпреки това войските бяха изправени пред проблема с предаването на информация от конзолата на радара до летището, където са базирани самолети-прехващачи. Забелязайки целта на екрана, операторът криптира данните и ги предава на щаба на противовъздушната отбрана. Там те бяха декодирани и проверени с данните на други локатори. И едва след това съобщението за приближаването на вражеските самолети отиде в ескадрилата изтребители. През това време вражеските самолети успяха да преодолеят няколко километра.

Самият метод за определяне на разстоянието до самолета с помощта на радиовълни произхожда от Англия. Инсталацията беше наречена радар, а терминът „радар“ се роди в Съединените щати. Въпреки това, според официалната американска история на радара, в началото на 30-те години, когато експериментите вече бяха в разгара си в Съветския съюз, на Запад царува тишина, въпреки че дотогава са минали повече от 30 години от откриването на ефекта на отражение на радиовълните.

Открит е през 1897 г. от руския учен Александър Попов, когато провежда експерименти върху безжичните комуникации в Кронщад. Тогава между свързаните кораби "Африка" и "Европа" беше крайцерът "лейтенант Илийн" и радио комуникацията беше прекъсната. Попов осъзна, че високочестотните радиовълни могат да отразяват препятствия. Този ефект е в основата на радарите и намирането на посоки.

За потвърждаване на това явление бяха проведени няколко години специални експерименти от немския инженер Хюлс-Майер, който получи през 1904 г. патент за „метод за сигнализиране от далечни обекти с помощта на електромагнитни вълни“. Използването на резултатите от изследванията се усложняваше от факта, че само малка част от вълните - частично погълнати, частично разпръснати - паднаха върху обекта за локация и по-малко от една милиардна част от радиовълните пристигнаха на приемника.

Съветските специалисти се справиха с проблема под ръководството на академик Абрам Йофе, който изхвърли най-малко ефективните дециметрови и сантиметрови вълни и определи, че те са най-подходящи за радио засичане на самолети през нощта, в условия на лоша видимост и на голяма надморска височина - милиметър. Те отчитат резултатите от проучването на специална среща на Академията на науките на СССР през 1934 г. и тази година се счита за времето на раждане на руския радар. Днес с помощта на специални радари скоростите се определят не само на самолети, но и на течения в океана и ветрове над повърхността на Земята.

„Пистолетът“ на инспекторите на пътната полиция, с помощта на който днес се правят главно „присъди“ за любителите на бързо шофиране, се нарича „бариера“, но показва само скоростта на автомобила. По-модерен модел е Бухалът, напълно ново устройство, скъпо и сложно. Личният компютър разчита на него и не можете да спорите със Owl: изображението на автомобила замръзва на монитора му, виждат се неговият номер, час, дата и скорост. Има и по-екзотични устройства, например - лазерният радар LISD, подобен на обикновения бинокъл. За да измерите скоростта на автомобила, просто насочете кръстосаното коса на устройството върху него. Лазерният лъч е тесен и е невъзможно да се направи грешка. На кого го донесе, той го премери. Но може да се спори с LISD, защото ако има няколко автомобила на пътя, е трудно да се докаже коя е била под пистолета: не може да записва числата с бинокъл.

Радарни специалитети

Радарът обаче се използва не само от инспекторите за движение, но и ... от шофьорите. По-специално, за да не удрят малките деца или домашни любимци при движение на заден ход, те инсталират специално устройство на регистрационния номер или на бронята на колата си. С него водачът може да "вижда" места в мъртвата зона зад колата.

Когато се връщате назад, използвайки ефекта на Доплер, Guardian Alert предава данни на дистанционното управление, монтирано на кормилната колона, и ако на пътя на автомобила на няколко метра се появи препятствие, дистанционното управление ще издаде остър звук и ще включи мигаща цветна лампа. Ако водачът продължи да се движи, звуковият сигнал се усилва и първоначалната зелена светлина се променя на червена. На разстояние един метър лампата спира да мига и гори непрекъснато, а звукът се превръща в аларма. Радарът реагира на всякакви предмети, хора и животни. Според производителите на нови артикули, компанията Sense Technologies, радарът не се страхува от дъжд, кал, сняг и ниска температура.

Ефектът на Доплер също помага на лекарите, които намират за важно да установят колко бързо кръвта преминава през вените на пациента. Например, по време на бременност плодът може да страда от недостатъчно кръвоснабдяване. Как да разбера, че бъдещото бебе не е достатъчно кръв? За това е необходимо да се изпрати ултразвуков сигнал до мястото, където плодът се присъединява към майката. Ултразвукът ще отскочи кръвните клетки, ще се върне в приемника и ще „каже“ на лекарите колко бързо идва кръвта.

Доплерометрията може да измерва притока на кръв в различни съдове. За изследване на съдове на дълбочина от 0, 5 до 2, 5 см се използва честота на излъчване 8 MHz. За изследване на кръвоносните съдове на дълбочина от 1, 0 до 4, 5 см - честота 4 MHz. За изследване на вътречерепни съдове на дълбочина от 1, 5 до 10 см е необходима честота от 2 MHz.

Същият принцип ви позволява да измервате дебита на водата в мрежите за студено, горещо водоснабдяване и в канализацията, като използвате ултразвуковия брояч на Днепър-7.

Надземните ултразвукови датчици, монтирани извън тръбата, излъчват високочестотен звуков сигнал, насочен през стената на тръбата в потока на течността. Звуковите импулси се отразяват от газовите мехурчета и твърдите микрочастици в течността и тъй като течността е в движение, отразеният сигнал се променя по честота. Чрез непрекъснато измерване на честотното изместване разходомерът точно определя стойността на дебита, а обемният дебит и количеството течност се определят от известната площ на напречното сечение на тръбопровода. Този разходомер е преносим и може да се използва в тръбопроводи с различен диаметър.

Статията е публикувана в списанието Popular Mechanics (№ 6, юни 2004 г.).

Препоръчано

Мадагаскарски копър: най-мистериозното животно
2019
Изчакайте: Тест на Mercedes-Benz S 400 d
2019
Как да разберем принципа на несигурността на Хайзенберг?
2019