Всемогущее эхо: эффект допплера

      Комментарии к записи Всемогущее эхо: эффект допплера отключены

Всемогущее эхо: эффект допплера

    Эффект Допплера в отыскивании новых миров

Так в свое время делалась физика: это была экспериментальная проверка одного из занимательнейших физических явлений — результата Допплера.

Сущность результата весьма несложна. В то время, когда вы слушаете звук, то его частота зависит от перемещения источника этого звука. В случае если источник движется навстречу приемнику, частота возрастает, а вдруг удаляется, частота звука значительно уменьшается.

Все мы неоднократно слышали это, в то время, когда мимо нас проносилась гудящая электричка либо машина скорой помощи.

На практике данный несложный эффект разрешает измерить то, что недоступно для прямого измерения: скорость разлета галактик, реактивного самолета либо крови, бегущей по узким кровеносным сосудам. С его помощью удается выяснить температуру плазмы либо скорость перемещения атомов.

Так что стоит познакомиться с эффектом Допплера поподробнее. А заодно — прочувствовать единство физического мира, в котором и атомами, и галактиками правят одинаковые законы.

Поймать удирающий звук

В первой половине 40-ых годов XIX века австрийский физик Христиан Допплер заявил об открытии результата, названного потом его именем. Воздействие результата растолковать весьма легко.

Представьте себе, что вы стреляете в мишень, производя пули с постоянной скоростью. Скажем, 60 пуль в 60 секунд. Если вы стоите без движений, то пули будут попадать в мишень с такой же частотой. В случае если же двигаться по направлению к мишени с громадной скоростью, то эта скорость будет складываться со скоростью пуль, и они будут стремительнее долетать до мишени, попадая в нее все чаще.

В случае если же удаляться от мишени, то пули будут попадать в мишень реже.

Подобный эффект отмечается, в случае если источник «пуль» (к примеру, звука) — неподвижен, а приемник приближается к нему либо удаляется от него. Ясно, что изменение частоты зависит от скорости перемещения источника. Если он будет двигаться к «мишени» со скоростью «пули», то частота попадания «пуль» удвоится.

А вдруг источник «пуль» с такой же скоростью будет удаляться от «мишени», то «пули» по большому счету до нее не долетят.

Весьма интересно просматривать ветхие книжки физики, где авторы стремятся передать читателю чувство научного опыта. Во втором томе «Курса физики» известного ученого Ореста Хвольсона (учебник был весьма популярен лет сто назад) на 90-й странице мы прочтем, что первые проверки результата Допплера были сделаны в Англии (о чем информируют известия Английского физического общества за 1849 год). При проезде локомотива мимо наблюдателя музыкант трубил, удерживая постоянный тон, а наблюдатель отмечал увеличение частоты звука при приближении поезда и понижение — при его удалении.

Более правильное изучение было совершено германскими физиками — с него мы начали отечественную статью. По месту зажима скрипичной струны определялось, как изменился тон колебаний. Как мы знаем, скорость звука равна 330 м/с. Поезд ехал со скоростью 20 м/с.

Так что совсем не напрасно для опыта пригласили знаменитого музыканта с весьма узким слухом: ему приходилось фиксировать изменение частоты всего на 12%. Эффект Допплера был совсем незаменимым инструментом в изучении, к примеру, космоса.

В первой половине 50-ых годов двадцатого века были открыты звездоподобные объекты, спектры излучения которых не были похожи на спектр излучения атомов никого из земных веществ. Их и назвали квазарами (англ. quasar, сокращение от quasistellar radiosource — квазизвездный источник радиоизлучения).

Американский астролог Мартин Шмидт первым додумался, что спектральные линии квазаров — это простые спектры других элементов и излучения водорода, лишь перемещённые в красную область из-за результата Допплера. Оказалось, что квазары удаляются от Почвы с ранее невиданными для небесных тел скоростями — десятки тысяч км/с. Объяснение пребывало в том, что, потому, что по закону Хаббла отечественная Вселенная расширяется со скоростью разбегания, пропорциональной расстоянию, стало ясно, что квазары — это самые удаленные от отечественной Галактики объекты.

Посредством результата Допплера сейчас определяют кроме того наличие около звезд планет, каковые нереально заметить ни одним современным телескопом. Измеряя спектры излучения некоторых звезд, астрологи увидели, что они как бы колеблются «туда-сюда», и сделали вывод, что принудить звезду к такому перемещению может планета, вращающаяся около нее.

На работе в ГИБДД, ПВО и Гидрометцентре

Сейчас посредством результата Допплера, на котором основано воздействие всех радаров, инспекторы ДПС ловят нарушителей ПДД.

Принцип действия радара (от англ. radar — radio detecting and ranging — «определение и выявление расстояния при помощи радио») несложен: излучаемая им электромагнитная волна отражается от железных предметов. В случае если предмет движется в сторону радара либо от него, частота отраженной волны изменяется пропорционально скорости. Остается замерить отличие и вычислить скорость.

А определив скорость, легко угадать предстоящее перемещение цели.

Замечательные радиолокационные станции (РЛС) «Редут», показавшиеся у Советской армии еще перед Великой Отечественной войной, обнаруживали вражеские самолеты на расстоянии до 100 км. Умелые операторы имели возможность кроме того выяснить тип самолета. Но армии сталкивались с проблемой передачи информации с пульта радиолокатора на аэропорт, где базировались самолеты-перехватчики.

Увидев на экране цель, оператор зашифровывал эти и передавал в штаб ПВО. В том месте их расшифровывали и сверяли с данными вторых локаторов. И лишь затем сообщение о приближении вражеских самолетов шло в эскадрильи истребителей.

За это время вражеские самолеты успевали преодолеть пара километров.

Сам способ определения расстояния до самолетов при помощи радиоволн появился в Англии. Установку назвали радиолокатором, а термин «радар» появился в Соединенных Штатах. Но, если доверять официальной американской истории радара, в начале 30-х годов, в то время, когда в Советском Альянсе уже вовсю шли опыты, на Западе царила тишина, не смотря на то, что к тому времени с открытия результата отражения радиоволн прошло более 30 лет.

Нашёл его во второй половине 90-ых годов XIX века русский ученый Александр Попов, в то время, когда проводил испытания по беспроволочной связи в Кронштадте. Тогда между пребывавшими на связи судами «Европа» и «Африка» был крейсер «Лейтенант Ильин», и связь прервалась. Попов осознал, что высокочастотные радиоволны смогут отражаться от препятствий.

Данный эффект и лег в радиопеленгации и основу радиолокации.

Для подтверждения этого явления пара лет особые опыты проводил германский инженер Хюльс-Мейер, взявший в 1904 году патент на «метод сигнализации от отдаленных объектов при помощи электромагнитных волн». Применение результатов изучения осложнялось тем, что только часть волн — частично поглощавшихся, частично рассеивавшихся — попадала на объект локации, и на приемник поступало меньше одной миллиардной части радиоволн.

С проблемой совладали советские эксперты под управлением академика Абрама Йоффе, отбросившие наименее действенные дециметровые и сантиметровые волны и выяснившие, что самый пригодны для радиообнаружения самолетов ночью, в условиях нехорошей видимости и на громадных высотах — миллиметровые. О итогах изучения они доложили на особом совещании Академии наук СССР в первой половине 30-ых годов XX века, и текущий год считается временем рождения русском радиолокации. Сейчас посредством особых радаров определяются скорости не только самолетов, вместе с тем течений в океане и ветров над поверхностью Почвы.

«Пистолет» инспекторов ДПС, благодаря которому сейчас по большей части выносятся «решения суда» любителям стремительной езды, именуется «Барьер», но он показывает лишь скорость автомобили. Более современная модель — «Сова», совсем новый прибор, дорогой и сложный. К нему надеется ПК, и с «Совой» не поспоришь: на ее мониторе застывает изображение автомобиля, видны его номер, время, скорость и дата.

Имеется и более экзотические устройства, к примеру — лазерный радар ЛИСД, похожий на простой бинокль. Дабы замерить скорость автомобиля, достаточно навести на него перекрестье прибора. Луч лазера узок, и совершить ошибку нереально.

На кого навел — того и промерил. Но с ЛИСД возможно поспорить, по причине того, что, в случае если на дороге пара автомобилей, доказать, какая из них была под прицелом, тяжело: ее номера «бинокль» записать не имеет возможности.

Профессии радара

Но радар используют не только инспекторы перемещения, но и водители. В частности, дабы избежать при перемещении задним ходом наезда на мелких детей либо домашних животных, они устанавливают на номерном символе либо на бампере собственного автомобиля особый прибор. С его помощью шофер может «видеть» места, находящиеся в мертвой территории сзади автомобили.

При перемещении назад применяющий эффект Допплера прибор Guardian Alert передает эти на пульт, установленный на рулевой колонке, и в случае если на пути автомобили на расстоянии пара метров появляется препятствие, пульт начинает издавать резкий звук и включает мигающую цветную лампу. В случае если же шофер продолжает перемещение, звуковой сигнал улучшается, а начальный зеленый цвет лампочки изменяется на красный.

На расстоянии в один метр лампа перестает мигать и горит неизменно, а звук преобразовывается в сигнал тревоги. Радар реагирует на каждые предметы, животных и людей. По словам производителей новинки, компании Sense Technologies, радар не опасается дождя, грязи, низкой температуры и снега.

Эффект Допплера оказывает помощь и медикам, которым принципиально важно не редкость определить, с какой скоростью кровь бежит по жилам больного. К примеру, на протяжении беременности плод может мучиться от недостаточного кровоснабжения. Как осознать, что будущему крохе не хватает крови?

Для этого нужно отправить ультразвуковый сигнал в место присоединения плода к матери. Ультразвук отразится от клеток крови, возвратится к приемнику и «скажет» докторам, с какой скоростью поступает кровь.

Измерять кровоток при помощи допплерометрии возможно в самых различных сосудах. Для изучения сосудов на глубине от 0,5 до 2,5 см используется частота излучения 8 МГц. Для изучения сосудов на глубине от 1,0 до 4,5 см — частота 4 МГц.

Для изучения внутричерепных сосудов на глубине от 1,5 до 10 см нужна частота, равная 2 МГц.

Тот же принцип разрешает измерять расход воды в сетях холодного, тёплого водоснабжения и в канализации посредством ультразвукового расходомера-счетчика «Днепр-7».

Накладные ультразвуковые преобразователи, устанавливаемые снаружи трубы, излучают высокочастотный звуковой сигнал, направленный через стенку трубы в поток жидкости. Звуковые импульсы отражаются от имеющихся в жидкости пузырьков газа и жёстких микрочастиц, и без того как жидкость находится в движении, отраженный сигнал изменяется по частоте.

Неизменно измеряя сдвиг частоты, расходомер совершенно верно определяет величину скорости потока, а по известной площади сечения трубопровода определяется количество жидкости и объёмный расход. Данный расходомер — переносной и может употребляться на трубопроводах разного диаметра.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№20, июнь 2004).

Эффект Доплера


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: