L'effetto Doppler è un mezzo con cui proprietà d'onda (in particolare, le frequenze) sono influenzati dal movimento di una sorgente o di un ascoltatore. L'immagine a destra mostra come una sorgente in movimento distorcerebbe le onde che provengono da essa, a causa dell'effetto Doppler (noto anche come Doppler shift).
Se hai mai aspettato un passaggio a livello e ascoltato il fischio del treno, probabilmente avrai notato che il tono del fischio cambia man mano che si sposta rispetto alla tua posizione. Allo stesso modo, il tono di una sirena cambia mentre si avvicina e poi ti passa sulla strada.
Calcolo dell'effetto Doppler
Considera una situazione in cui il movimento è orientato in una linea tra l'ascoltatore L e la sorgente S, con la direzione dall'ascoltatore alla sorgente come direzione positiva. Le velocità vL e vS sono le velocità dell'ascoltatore e della sorgente relative al mezzo d'onda (aria in questo caso, che è considerata a riposo). La velocità dell'onda sonora, v, è sempre considerato positivo.
Applicando questi movimenti e saltando tutte le derivazioni disordinate, otteniamo la frequenza ascoltata dall'ascoltatore (fL) in termini di frequenza della fonte (fS):
fL = [(v + vL)/(v + vS)] fS
Se l'ascoltatore è a riposo, allora vL = 0.
Se la fonte è a riposo, allora vS = 0.
Ciò significa che se né l'origine né l'ascoltatore si stanno muovendo, allora fL = fS, che è esattamente quello che ci si aspetterebbe.
Se l'ascoltatore si sta spostando verso la fonte, allora vL > 0, anche se poi si sta allontanando dalla fonte vL < 0.
In alternativa, se la sorgente si sta spostando verso l'ascoltatore, il movimento è nella direzione negativa, quindi vS <0, ma se l'origine si sta allontanando dall'ascoltatore, allora vS > 0.
Effetto Doppler e altre onde
L'effetto Doppler è fondamentalmente una proprietà del comportamento delle onde fisiche, quindi non c'è motivo di credere che si applichi solo alle onde sonore. In effetti, qualsiasi tipo di onda sembrerebbe esibire l'effetto Doppler.
Questo stesso concetto può essere applicato non solo alle onde luminose. Questo sposta la luce lungo lo spettro elettromagnetico della luce (entrambi luce visibile e oltre), creando un Doppler shift in onde luminose viene chiamato redshift o blueshift, a seconda che l'origine e l'osservatore si stiano allontanando l'uno dall'altro o l'uno verso l'altro. Nel 1927, l'astronomo Edwin Hubble osservò la luce proveniente da galassie distanti spostarsi in un modo che corrispondesse alle previsioni del Doppler cambiò e fu in grado di usarlo per prevedere la velocità con cui si stavano allontanando dal Terra. Si è scoperto che, in generale, le galassie distanti si stavano allontanando dalla Terra più rapidamente delle galassie vicine. Questa scoperta ha aiutato a convincere astronomi e fisici (inclusoAlbert Einstein) che l'universo si stava effettivamente espandendo, invece di rimanere statico per tutta l'eternità, e alla fine queste osservazioni hanno portato allo sviluppo del teoria del Big Bang.