Der Doppler-Effekt für Schallwellen

Der Doppler-Effekt ist ein Mittel, mit dem Welleneigenschaften (insbesondere Frequenzen) durch die Bewegung einer Quelle oder eines Zuhörers beeinflusst werden. Das Bild rechts zeigt, wie eine sich bewegende Quelle die von ihr ausgehenden Wellen aufgrund des Doppler - Effekts (auch bekannt als Doppler-Verschiebung).

Wenn Sie jemals an einem Bahnübergang gewartet und das Pfeifen des Zuges gehört haben, haben Sie wahrscheinlich bemerkt, dass sich die Tonhöhe des Pfeifens ändert, wenn es sich relativ zu Ihrer Position bewegt. Ebenso ändert sich der Ton einer Sirene, wenn sie sich nähert und Sie dann auf der Straße vorbeiführt.

Berechnung des Doppler-Effekts

Stellen Sie sich eine Situation vor, in der die Bewegung in einer Linie zwischen dem Hörer L und der Quelle S ausgerichtet ist, wobei die Richtung vom Hörer zur Quelle die positive Richtung ist. Die Geschwindigkeiten v_L und v_S sind die Geschwindigkeiten des Hörers und der Quelle relativ zum Wellenmedium (in diesem Fall Luft, die in Ruhe betrachtet wird). Die Geschwindigkeit der Schallwelle, v, wird immer als positiv angesehen.

Durch Anwenden dieser Bewegungen und Überspringen aller chaotischen Ableitungen erhalten wir die Frequenz, die der Hörer hört (f_L) in Bezug auf die Frequenz der Quelle (f_S):

f_L = [(v + v_L) / (v + v_S)] f_S

Wenn der Zuhörer in Ruhe ist, dann v_L = 0.
Wenn die Quelle in Ruhe ist, dann v_S = 0.
Das heißt, wenn sich weder die Quelle noch der Hörer bewegen, dann f_L = f_S, das ist genau das, was man erwarten würde.

Wenn sich der Hörer zur Quelle bewegt, dann v_L > 0, aber wenn es sich von der Quelle entfernt, dann v_L < 0.

Wenn sich die Quelle alternativ in Richtung des Hörers bewegt, ist die Bewegung in der negativen Richtung, so v_S < 0, but if the source is moving away from the listener then v_S > 0.

Doppler-Effekt und andere Wellen

Der Doppler-Effekt ist im Wesentlichen eine Eigenschaft des Verhaltens physikalischer Wellen, weshalb kein Grund zu der Annahme besteht, dass er nur für Schallwellen gilt. In der Tat scheint jede Art von Welle den Doppler-Effekt aufzuweisen.

Das gleiche Konzept kann nicht nur auf Lichtwellen angewendet werden. Dies verschiebt das Licht entlang des elektromagnetischen Lichtspektrums (sowohl sichtbares Licht als auch darüber hinaus) und erzeugt eine Doppler-Verschiebung der Lichtwellen, die entweder als Rotverschiebung oder als Blauverschiebung bezeichnet wird, je nachdem, ob sich die Quelle und der Beobachter voneinander oder aufeinander zubewegen andere. 1927 beobachtete der Astronom Edwin Hubble, wie sich das Licht entfernter Galaxien in einer Weise verschob, die den Vorhersagen der Doppler-Verschiebung entsprach, und konnte damit die Geschwindigkeit vorhersagen, mit der sie sich von der Erde entfernten. Es stellte sich heraus, dass sich entfernte Galaxien im Allgemeinen schneller von der Erde wegbewegen als nahe gelegene Galaxien. Diese Entdeckung half, Astronomen und Physiker (einschließlich Albert Einstein) davon zu überzeugen, dass sich das Universum tatsächlich ausdehnt, anstatt für alle Ewigkeit statisch zu bleiben, und letztendlich führten diese Beobachtungen zur Entwicklung der Urknalltheorie.