L' effetto Doppler
 
 
Introduzione
 
L'effetto Doppler è un cambiamento apparente della frequenza o della lunghezza d’onda che dipende dalla posizione dell’osservatore rispetto alla sorgente e viceversa.
 
 
Scoperta
 

L’effetto prende il nome da Christian Andreas Doppler, che nel 1845 verificò la sua analisi in un famoso esperimento: si stese accanto ai binari della ferrovia, e ascoltò il suono emesso da un vagone pieno di musicisti, assoldati per l'occasione, mentre si avvicinava e poi mentre si allontanava. Confermò che l'altezza del suono era più alta quando l'origine del suono si stava avvicinando, e più bassa quando si stava allontanando. Hippolyte Fizeau scoprì indipendentemente lo stesso effetto nel 1848 (in Francia, l'effetto è chiamato "effetto Doppler-Fizeau").
 
 
Spiegazione
 
 
Cliccando sull’icona si può capire cosa si intende per effetto Doppler: la frequenza del suono cambia rispetto all’osservatore, a seconda che la sorgente si avvicini o si allontani da esso e viceversa.
 

È molto importante ricordare che la frequenza del suono emesso non cambia, anche se il ricevitore ha la sensazione opposta. In generale, sia la sorgente che il ricevitore possono essere in moto in direzioni diverse ma, per semplicità, è meglio considerare moti di uno solo dei due.
 
 
Distinguiamo perciò due casi:
 
1° 2°
 
 
1° caso:
Osservatore in movimento e sorgente ferma
 
Anche qui, si deve distinguere il caso in cui l’osservatore si avvicini (1) o si allontani dalla sorgente (2).
 
Us: velocità della sorgente
T: periodo
F: frequenza iniziale
F’: frequenza finale

 
 

1° caso:

l’osservatore si avvicina alla sorgente

2° caso: 

l’osservatore si allontana dalla sorgente

In questo caso la lunghezza d’onda del suono emesso dalla sorgente diminuisce, e perciò l’osservatore percepisce un suono più acuto rispetto a quello che udrebbe con la sorgente ferma (vedi prima parte del suono ). La frequenza percepita è perciò maggiore di quella reale e l’equazione per trovarla è:

In questo caso la lunghezza d’onda del suono emesso dalla sorgente aumenta, e perciò l’osservatore percepisce un suono più grave rispetto a quello reale (vedi seconda parte del suono ). La frequenza percepita è perciò maggiore di quella reale e l’equazione per trovarla è:

 

 
variazione dell’onda sonora percepita dall’osservatore quando la sorgente si avvicina ad esso variazione dell’onda sonora percepita dall’osservatore quando la sorgente si allontana da esso.
 
 
 
2° caso:
Osservatore fermo e sorgente in movimento
 
 
Anche in questo caso bisogna distinguere quando la sorgente si allontana (1) o si avvicina (2) all’osservatore.
 
Ur: velocità della sorgente
T: periodo
F: frequenza iniziale
F’: frequenza finale
 
 

1° caso:

l’osservatore si allontana dalla sorgente

2° caso: 

l’osservatore si avvicina alla sorgente

In questo caso, il ricevitore si sta muovendo con una certa velocità allontanandosi dalla sorgente: nell’aria, gli strati di compressione generati dalla sorgente distano tra loro di una determinata lunghezza d’onda. L’osservatore, allontanandosi, è investito da un suono di frequenza minore di quella emessa, perciò ode un suono più grave di quello emesso (seconda parte del suono ). L’equazione è:

Se il ricevitore, invece di allontanarsi, si avvicina alla sorgente ferma, l’osservatore percepisce un suono più acuto, quindi con frequenza maggiore della reale (prima parte del suono ). L’equazione per trovare la frequenza percepita dall’osservatore è:

 
variazione dell’onda sonora percepita dall’osservatore quando si allontana dalla sorgente variazione dell’onda sonora percepita dall’osservatore quando si avvicina alla sorgente

 
 
... nella vita quotidiana
 
La vita quotidiana offre una vasta gamma di casi in cui è applicato l’effetto doppler: ambulanze, clacson ecc. ed inoltre viene usato anche in astronomia per misurare la velocità con cui stelle e galassie si avvicinano o si allontanano da noi, e in alcune forme di radar per misurare la velocità di determinati oggetti rilevati.

Basta ascoltare la differenza nel suono emesso dalla sirena di un mezzo di soccorso quando si avvicina e quando si allontana.

Se la sirena si avvicinasse direttamente verso l’osservatore, il tono rimarrebbe costante (anche se più alto dell’originale) fino a raggiungere l’osservatore, e salterebbe immediatamente a un tono inferiore una volta che lo avesse oltrepassato.
Poiché, normalmente, la sirena passa ad una certa distanza dall’osservatore, la sua velocità radiale cambia continuamente, in funzione dell’angolo tra la linea di vista dell’osservatore e la velocità vettoriale della sirena.