Допплер, Кристиан Андреас. Эффект Допплера.



"Я .. верю, что эта теория станет
желанной помощью для астрономов,
исследующих явления во Вселенной...
Значительный интерес, который уже
вызвала эта теория, наполняет меня
радостной надеждой, что ее миновала
опасность быть отложенной в сторону,
непроверенной, незамеченной или
преданной забвению."


Кристиан Допплер


Имя австрийского физика Кристиана Допплера стало нарицательным в области неинвазивных диагностических методов. Тем не менее, основные биографические вехи этого человека, так много давшего медицине, мало известны широкому кругу врачей, занимающихся ультразвуковой диагностикой, основанной на физическом эффекте, носящем имя Допплера.


Кристиан Андреас Допплер родился 29 ноября 1803 года в Зальцбурге. В возрасте 19 лет его отправили в Политехнический Институт в Вену, где в течение трех лет он получил образование по математике и физике и продолжил его в течение двух последующих лет на родине, в Зальцбурге.


Следующие 4 года (1829 - 1833) он был ассистентом высшей математики в Политехническом Институте в Вене, где в 1831 году написал первую из 51 научной публикации, которую озаглавил: "Вклад в теорию параллелей". Как и все ранние публикации Допплера, эта статья носила чисто математический характер. Работы по физике появились у Допплера позднее.


Последующие годы (1833 - 1835) оказались самыми неудачными в карьере Допплера. В течение полутора лет он работал клерком на хлопчатобумажной фабрике "Вайстель и К" под Бруком. В возрасте 32 лет Допплер решил эмигрировать в Соединенные Штаты. Он уже обратился к американскому консулу в Мюнхене за визой, когда в 1835 году ему сделали предложение сразу два учебных института.


Допплер принял предложение занять должность профессора элементарной математики и вычислений в Государственной средней школе в Праге, отклонив предложение из Берна в Швейцарии, хотя именно этот город, а не Прага, стал родиной принципа Допплера (а также и первого транскраниального ультразвукового прибора спустя 140 лет).


Годом позже Допплер занял дополнительный пост профессора высшей математики в Техническом институте в Праге. Современники полагали, что именно в эти годы он заболел легочным туберкулезом, от которого впоследствии умер. На специальной сессии Имперской Академии наук в Вене в 1853 году, которая была созвана в память о Кристиане Допплере, было отмечено, что "..его, без сомнения, очень сильный организм не смог выдержать нагрузку стольких часов лекций в маленьких комнатах, заполненных студентами".


6 марта 1841 года Допплер стал профессором математики и практической геометрии в Техническом институте в Праге и в этой должности 25 мая 1842 года он представил статью, которая впоследствии сделала его широко известным, - "О цветном свете двойных звезд и некоторых других звезд на небесах" - на заседании Отделения естественных наук Королевского Научного общества Богемии в Праге. Эта статья была опубликована в трудах Общества в следующем году.


Спустя 12 лет Допплер покинул Прагу, чтобы стать 23 октября 1847 года профессором математической физики и механики в Горной Академии в Шем-нитце. Но не прошло и двух лет, как волнения, сопровождавшие Венгерскую революцию, заставили Допплера вернуться в Вену. Здесь он занял должность профессора практической геометрии в Политехническом Институте, где в свое время начинал академическую карьеру.


Вслед за презентацией своей статьи Допплер был избран членом Королевского Научного общества Богемии. Он получил почетное звание доктора Пражского университета в 1847 году, а в 1848 году был избран членом Академии Наук в Вене.


В 1850 году профессор Кристиан Допплер достиг вершины академической карьеры. Указом Императора Франца Иосифа I от 17 января он возглавил кафедру экспериментальной физики в Венском университете и стал первым директором Института Физики, созданного им в Венском Университете (интересно, что среди учеников Допплера в этот период был Грегор Мендель, отец современной генетики, изучавший в 1851-1853 годах физику). Кристиану Допплеру не хватило двух лет для создания нового института. Уже в ноябре 1852 года он был вынужден отправиться на лечение в Венецию, где после пяти месяцев болезни 17 марта 1853 года Кристиан Допплер скончался...


В статье, опубликованной в 1846 году, Допплер написал о своем принципе следующее пророчество: "Я все еще верю, и даже сильнее, чем когда-либо, что со временем эта теория станет желанной помощью для астрономов, исследующих явления во Вселенной... Значительный интерес, который уже вызвала эта теория, наполняет меня радостной надеждой, что ее миновала опасность быть отложенной в сторону, непроверенной, незамеченной или преданной забвению."


Пророчество Допплера полностью оправдалось. На основе его теории провели измерение параметров вращения Солнца и планет, колец Сатурна, что позволило уточнить их структуру и т.д. К неастрономическим приложениям принципа Допплера относятся измерения траектории спутников, контроль за термоядерными реакциями. Принцип Допплера широко применяется в воздушной навигации. Наконец, широкое применение принцип Допплера получил в медицине. В частности, на нем основано множество современных приборов ультразвуковой диагностики сосудов и сердца.

Комментарии (3)

Всего: 3 комментария
  
#1 | Анатолий »» | 15.11.2013 14:35
  
2
Довольно примитивное объяснение эффекта Допплера.


Вам, наверняка, хоть раз в жизни доводилось стоять у дороги, по которой проносится машина со спецсигналом и включенной сиреной. Пока вой сирены приближается, его тон выше, затем, когда машина поравняется с вами, он понижается, и, наконец, когда машина начинает удаляться, он понижается еще, и получается знакомое: ййййииииээээЭААААОоооуууумммм — такой примерно звукоряд. Сами того, возможно, не сознавая, вы при этом наблюдаете фундаментальнейшее (и полезнейшее) свойство волн.

Волны — вообще вещь странная. Представьте себе пустую бутылку, болтающуюся неподалеку от берега. Она гуляет вверх-вниз, к берегу не приближаясь, в то время как вода, казалось бы, волнами набегает на берег. Но нет — вода (и бутылка в ней) — остаются на месте, колеблясь лишь в плоскости, перпендикулярной поверхности водоема. Иными словами, движение среды, в которой распространяются волны, не соответствует движению самих волн. По крайней мере, футбольные болельщики хорошо это усвоили и научились использовать на практике: пуская «волну» по стадиону, они сами никуда не бегут, просто встают и садятся в свой черед, а «волна» (в Великобритании это явление принято называть «мексиканской волной») бежит вокруг трибун.

Волны принято описывать их частотой (число волновых пиков в секунду в точке наблюдения) или длиной (расстояние между двумя соседними гребнями или впадинами). Эти две характеристики связаны между собой через скорость распространения волны в среде, поэтому, зная скорость распространения волны и одну из главных волновых характеристик, можно легко рассчитать другую.

Как только волна пошла, скорость ее распространения определяется только свойствами среды, в которой она распространяется, — источник же волны никакой роли больше не играет. По поверхности воды, например, волны, возбудившись, далее распространяются лишь в силу взаимодействия сил давления, поверхностного натяжения и гравитации. Акустические же волны распространяются в воздухе (и иных звукопроводящих средах) в силу направленной передачи перепада давлений. И ни один из механизмов распространения волн не зависит от источника волны. Отсюда и эффект Доплера.

Давайте еще раз задумаемся над примером с воющей сиреной. Предположим для начала, что спецмашина стоит. Звук от сирены доходит до нас потому, что упругая мембрана внутри нее периодически воздействует на воздух, создавая в нем сжатия — области повышенного давления, — чередующиеся с разрежениями. Пики сжатия — «гребни» акустической волны — распространяются в среде (воздухе), пока не достигнут наших ушей и не воздействуют на барабанные перепонки, от которых поступит сигнал в наш головной мозг (именно так устроен слух). Частоту воспринимаемых нами звуковых колебаний мы по традиции называем тоном или высотой звука: например, частота колебаний 440 герц в секунду соответствует ноте «ля» первой октавы. Так вот, пока спецмашина стоит, мы так и будем слышать неизмененный тон ее сигнала.

Но как только спецмашина тронется с места в вашу сторону, добавится новый эффект. За время с момента испускания одного пика волны до следующего машина проедет некоторое расстояние по направлению к вам. Из-за этого источник каждого следующего пика волны будет ближе. В результате волны будут достигать ваших ушей чаще, чем это было, пока машина стояла неподвижно, и высота звука, который вы воспринимаете, увеличится. И, наоборот, если спецмашина тронется в обратном направлении, пики акустических волн будут достигать ваших ушей реже, и воспринимаемая частота звука понизится. Вот и объяснение тому, почему при проезде машины со спецсигналами мимо вас тон сирены понижается.

Мы рассмотрели эффект Доплера применительно к звуковым волнам, но он в равной мере относится и к любым другим. Если источник видимого света приближается к нам, длина видимой нами волны укорачивается, и мы наблюдаем так называемое фиолетовое смещение (из всех видимых цветов гаммы светового спектра фиолетовому соответствуют самые короткие длины волн). Если же источник удаляется, происходит кажущееся смещение в сторону красной части спектра (удлинение волн).

Этот эффект назван в честь Кристиана Иоганна Доплера, впервые предсказавшего его теоретически. Эффект Доплера меня на всю жизнь заинтересовал благодаря тому, как именно он был впервые проверен экспериментально. Голландский ученый Кристиан Баллот (Christian Buys Ballot, 1817–1870) посадил духовой оркестр в открытый железнодорожный вагон, а на платформе собрал группу музыкантов с абсолютным слухом. (Идеальным слухом называется умение, выслушав ноту, точно назвать её.). Всякий раз, когда состав с музыкальным вагоном проезжал мимо платформы, духовой оркестр тянул какую-либо ноту, а наблюдатели (слушатели) записывали слышащуюся им нотную партитуру. Как и ожидалось, кажущаяся высота звука оказалась в прямой зависимости от скорости поезда, что, собственно, и предсказывалось законом Доплера.

Эффект Доплера находит широкое применение и в науке, и в быту. Во всем мире он используется в полицейских радарах, позволяющих отлавливать и штрафовать нарушителей правил дорожного движения, превышающих скорость. Пистолет-радар излучает радиоволновой сигнал (обычно в диапазоне УКВ или СВЧ), который отражается от металлического кузова вашей машины. Обратно на радар сигнал поступает уже с доплеровским смещением частоты, величина которого зависит от скорости машины. Сопоставляя частоты исходящего и входящего сигнала, прибор автоматически вычисляет скорость вашей машины и выводит ее на экран.

Несколько более эзотерическое применение эффект Доплера нашел в астрофизике: в частности, Эдвин Хаббл, впервые измеряя расстояния до ближайших галактик на новейшем телескопе, одновременно обнаружил в спектре их атомного излучения красное доплеровское смещение, из чего был сделан вывод, что галактики удаляются от нас (см. Закон Хаббла). По сути, это был столь же однозначный вывод, как если бы вы, закрыв глаза, вдруг услышали, что тон звука двигателя машины знакомой вам модели оказался ниже, чем нужно, и сделали вывод, что машина от вас удаляется. Когда же Хаббл обнаружил к тому же, что чем дальше галактика, тем сильнее красное смещение (и тем быстрее она от нас улетает), оно понял, что Вселенная расширяется. Это стало первым шагом на пути к теории Большого взрыва — а это вещь куда более серьезная, чем поезд с духовым оркестром.

Источник: http://elementy.ru
  
#2 | Анатолий »» | 16.11.2013 15:26
  
2
Зарегистрирован эффект Доплера у вращающихся тел



Физики из Великобритании продемонстрировали эффект Доплера при отражении света от вращающегося объекта. Причем ось вращения может быть параллельна направлению падающих лучей света. Ключевую роль в явлении играет орбитальный угловой момент, или закрученность света. Подробности приведены в журнале Science.

Статья также удостоилась отдельного редакционного комментария, так как эффект Доплера очень широко используется на практике. Изменение частоты излучения (в частном случае света) помогает определять скорости небесных тел, находить экзопланеты, дистанционно измерять направление и скорость потоков в различных прозрачных средах, а замена электромагнитных волн на звуковые дает возможность медикам исследовать ток крови по сосудам. Однако во всех перечисленных случаях нет возможности выявить не прямолинейное движение, а вращение объекта вокруг своей оси, особенно если ось вращения совпадает с направлением на объект со стороны наблюдателя. Исследователи из университетов Глазго и Стретчклейда смогли зафиксировать эффект Доплера с закрученными фотонами.

Физики использовали свет, фотоны которого имеют отличный от нуля орбитальный момент, то есть «закручены». Подобные пучки света научились получать около двадцати лет назад, и их важной особенностью является то, что при взаимодействии с веществом они передают ему некоторый вращающий момент. Уже первые эксперименты с таким светом в 1990-х годах показали возможность раскрутить им микроскопические частицы пыли. В новой работе закрученные фотоны направили на вращающийся диск и при отражении от него наблюдался сдвиг частоты, пропорциональный как скорости вращения, так и величине орбитального момента. Сдвиг частоты отраженного света составлял около нескольких килогерц при частоте вращения диска около сотни оборотов в секунду: при этом погрешность измерений составляла всего несколько герц.

Исследователи считают, что измерение частоты вращения при помощи закрученного света найдет применение как для дистанционного обследования различных устройств на Земле, так и для изучения небесных тел. Ранее основной сферой применения закрученного света назывались оптоэлектронные устройства и каналы передачи информации. За счет манипулирования не только интенсивностью или поляризацией, но и орбитальным моментом можно передать больше данных в единицу времени.

Источник: http://lenta.ru
  
#3 | Анатолий »» | 16.11.2013 15:31
  
2
В эксперименте впервые наблюдался обратный эффект Доплера

Существование предсказанного еще в 40-х годах прошлого века так называемого обратного доплеровского эффекта было впервые подтверждено экспериментально. Найджел Седдон (Nigel Seddon) и Тревор Бэрпарк (Trevor Bearpark) из BAE Systems (Бристоль, Великобритания) этот феномен наблюдали в линии электропередачи. Исследователи признают, что их результаты в какой-то мере противоречат обычному здравому смыслу, однако утверждают, что все это может найти реальное применение в медицинских источниках излучения и в телекоммуникационной технике.

В хорошо всем знакомом со школьных лет эффекте Допплера частота волны увеличивается при приближении источника этих волн к наблюдателю и уменьшается при удалении источника. Этот эффект впервые теоретически описал Кристиан (Христиан) Доплер (Christian Johann Doppler, 1803-1853) в 1842 году. Первое экспериментальное подтверждение доплеровского эффекта относится к 1845 году. Позднее Эйнштейн расширил понятие доплеровского эффекта на релятивистский случай. Кроме изначального продольного эффекта Доплера заговорили о так называемом поперечном, который связан с чисто релятивистским эффектом замедления времени и не имеет никакой волновой специфики. Экспериментально поперечный доплеровский эффект был обнаружен Г.Айвсом и Д.Стилуэллом в 1938 г. Оптический доплеровский эффект - смещение характерных спектральных линий в излучении удаленных галактик в красную область - позволил сделать революционный вывод о расширении нашей Вселенной (Хаббл). Еще ведут речь о так называемом сложном эффекте Доплера (который может возникнуть в средах с дисперсией волн), об аномальном эффекте Доплера (с усилением колебаний излучателя в случае, если источник движется со скоростью, превышающей фазовую скорость излучаемых волн) и даже о двойном доплеровском эффекте (при отражении волн от движущихся объектов).

Обратным эффектом иногда называют эффект Доплера, возникающий при удалении источника, но сейчас речь идет о принципиально ином явлении, при котором частота волны уменьшается при приближении источника и, наоборот, увеличивается, когда он удаляется (свет от приближающегося источника "покраснеет", а от удаляющегося - "посинеет"), что, действительно, звучит на первый взгляд противоестественно. Подобный эффект был первоначально предсказан в 1943 году, а в конце 60-х годов советский физик Виктор Веселаго, работавший в ФИАНе, предсказал возможность построения сред, в которых будут наблюдаться как обратный эффект Доплера, так и обратный эффект Снеллиуса (оптическая иллюзия, когда карандаш, опущенный в воду, кажется изогнутым; в данном случае преломление света на границе среды должно иметь обратное направление) и обратный эффект Черенкова (излучение фотонов черенковского излучения частицей, движущейся со скоростью, превышающей скорость света в данной среде).

Седдон и Берпарк построили передающую линию, которая содержала магнитные индукционные катушки и конденсаторы. Причем групповые и фазовые скорости волн в этой линии имели противоположные направления (это явление известно под именем "аномальная дисперсия", так как в большинстве материалов эти две скорости сонаправлены). Когда через эту линию пропускали электрический импульс, наблюдались два необычных эффекта: во-первых, этот импульс образовал сдвигающуюся границу, создававшую немагнитную область по ходу своего движения в линии передачи, а во-вторых, он производил радиочастотные волны, которые двигались в противоположном к импульсу направлении и имели большую скорость.

Эти радиочастотные волны двигались назад, к началу линии передачи, где вновь отражались. Отраженный импульс догонял первоначальный (исходный) импульс и вновь отражался от него. Однако при отражении он получал не более низкую частоту, как того следовало ожидать в случае стандартного эффекта Доплера, а напротив, его частота становилась более высокой.

Седдон и Бэрпарк считают, что эти волны могут двигаться со скоростями до 0,1 скорости света, при этом отражение таких волн от движущихся границ может быть использовано для того, чтобы производить подстройку источников излучения с тем, чтобы в одном устройстве получать небывало широкий диапазон частот.

Источник:
New look for the Doppler effect - PhysicsWeb

Источник: http://grani.ru
Добавлять комментарии могут только
зарегистрированные пользователи!
 
Имя или номер: Пароль:
Регистрация » Забыли пароль?
 
© decoder.ru 2003 - 2019, создание портала - Vinchi Group & MySites
ЧИСТЫЙ ИНТЕРНЕТ - logoSlovo.RU