Effetto doppler: tutto nasce da una velocità relativa

Effetto doppler: consiste in un cambiamento apparente della frequenza di un’onda causato dal moto relativo presente tra sorgente dell’onda stessa e osservatore.

Effetto Doppler: rappresenta un cambiamento apparente della frequenza o della lunghezza d’onda di un’onda percepita da un osservatore che si trova in movimento rispetto alla sorgente delle onde. 

Non tutte le onde si trasmettono nell’aria, ma anche nei mezzi, come ad esempio l’acqua e in questo caso la velocità dell’osservatore e dell’emettitore vanno considerate in base al tipo di mezzo con cui sono trasmesse. 

Il doppler effetto deriva quindi dal moto dell’osservatore e della sorgente delle onde e si analizzano separatamente. 

Definizione effetto doppler

Nel 1842, a Vienna, Christian Doppler (1803–1853) scoprì un effetto fisico che porta il suo nome e che ha un’importanza straordinaria in astrofisica e cosmologia. L’effetto Doppler si applica a tutti i fenomeni ondulatori, e dunque alla propagazione dei fenomeni sonori e luminosi.

Nella vita quotidiana ci possiamo rendere conto dell’influenza dell’effetto Doppler sui fenomeni sonori. Un osservatore che si trova sulla banchina di una stazione attraversata da un treno di passaggio percepisce un cambiamento nel suono associato alla sirena del treno mentre questo dapprima si avvicina, passa e successivamente si allontana. Oltre all’ovvio cambiamento nell’intensità del suono, che aumenta quando il treno è in avvicinamento e diminuisce quando il treno si allontana, vi è anche una variazione della frequenza percepita. Il suono infatti ha un tono più alto mentre il treno si avvicina e più basso nel caso opposto. Al contrario, un viaggiatore posto sul treno non percepisce alcun cambiamento.

Una volta che il treno supera l’osservatore la situazione si capovolge. In tal caso quest’ultimo si ritrova nella zona in cui i fronti d’onda emessi dalla sirena si dilatano. Quindi, all’improvviso l’osservatore che è stato sorpassato dal treno che corre ascolterà un suono a frequenza inferiore a 400 Hz. Un salto di frequenza del suono percepito dalla persona, insomma un fenomeno a cui siamo tutti abituati quando siamo vicini a un binario dei treni.

Ricordiamoci la regola generale, corpo in avvicinamento significa frequenza maggiore, corpo in allontanamento dà una frequenza minore.

Effetto doppler fisica e vita quotidiana

Si consideri una sorgente sonora ferma e un osservatore in moto. La velocità di un’onda è descritta dall’equazione 𝑣=𝜆𝑓, dove 𝜆 è la lunghezza d’onda e 𝑓 la frequenza. Quando l’osservatore si avvicina alla sorgente con una velocità 𝑢, il suono sembrerà avere una velocità maggiore, in particolare 𝑣′=𝑢+𝑣. Si può notare un fenomeno analogo quando sulla riva di una spiaggia si vedono arrivare delle onde con una certa frequenza, se ci si immerge in acqua e si nuota incontro alle onde, si ha la percezione che vadano più veloci. Poiché 𝜆 rimane invariata, la frequenza percepita dall’osservatore sarà:

𝑓′=𝑣′𝜆=𝑣+𝑢𝜆

Poiché 𝜆=𝑣𝑓, si può scrivere:

𝑓′=𝑣+𝑢𝜆=𝑣+𝑢𝑣𝑓=𝑓𝑣+𝑢𝑣

Analogamente, quando l’osservatore si allontana dalla sorgente, il suono sembrerà avere velocità minore, 𝑣−𝑢. Quindi, riassumendo, per un osservatore in moto rispetto a una sorgente ferma, la frequenza percepita sarà:

𝑓′=𝑓𝑣±𝑢𝑣

e il segno + o – dipende dalla situazione: se l’osservatore si avvicina alla sorgente si considera il segno +, se si allontana il –.

Nella vita quotidiana abbiamo diversi esempi di effetto Doppler: le increspature dell’acqua attorno a un cigno, oppure le onde sonore emesse da un’ambulanza. Quando l’ambulanza è in avvicinamento, il suono della sirena viene percepito con un tono più alto, quindi più acuto, rispetto a quello che avrebbe da ferma; quando invece si allontana il suono percepito ha un tono più basso. Tuttavia, se l’ambulanza si avvicinasse direttamente verso l’osservatore, il tono, seppur più alto rispetto a quello che avrebbe se fosse ferma, rimarrebbe costante ma, poiché l’ambulanza non è costantemente diretta verso l’osservatore, la sua velocità radiale cambia continuamente secondo la seguente relazione:

𝑣=𝑣𝑠cos𝜃

dove 𝑣𝑠 è la velocità della sorgente rispetto al mezzo di trasmissione e 𝜃 l’angolo tra la direzione del moto dell’ambulanza e la linea congiungente l’ambulanza con l’osservatore.

Fonti citate:  bo.astro.it | thedifferentgroup.com