Kesan Doppler: Apabila Gerakan Mengubah Frekuensi yang Diterima

Nada siren ambulans biasanya kedengaran lebih tinggi ketika kenderaan menghampiri dan lebih rendah selepas ia melepasi kita. Siren itu tidak perlu menukar frekuensi yang dihasilkannya untuk menghasilkan perbezaan ini. Perbezaan nada yang didengar berlaku kerana gerakan mengubah kadar muka gelombang sampai kepada pemerhati.

Sumber bergerak mengubah jarak antara muka gelombang

Bagi bunyi dalam udara, sumber yang bergerak ke arah pemerhati memancarkan muka gelombang seterusnya dari kedudukan yang lebih hampir. Muka gelombang di hadapan sumber menjadi lebih rapat, lalu panjang gelombang menjadi lebih pendek dan frekuensi yang diterima meningkat. Di belakang sumber, muka gelombang lebih renggang, jadi frekuensi yang diterima menurun.

Pemerhati yang bergerak juga boleh menerima frekuensi berbeza

Jika sumber bunyi pegun tetapi pemerhati bergerak ke arahnya, pemerhati bertemu muka gelombang dengan lebih kerap dan menerima frekuensi lebih tinggi. Jika pemerhati bergerak menjauhi sumber, muka gelombang ditemui dengan kurang kerap dan frekuensi yang diterima menjadi lebih rendah. Untuk bunyi, pengiraan tepat bergantung pada gerakan sumber dan pemerhati relatif terhadap medium, misalnya udara.

Nada dan kekuatan bunyi ialah perkara berbeza

Ambulans yang menghampiri juga boleh kedengaran semakin kuat kerana jaraknya semakin dekat, tetapi perubahan kekuatan bunyi bukan kesan Doppler itu sendiri. Kesan Doppler merujuk kepada perubahan frekuensi yang diterima. Dalam pengalaman harian, perubahan kekuatan dan perubahan nada boleh berlaku serentak lalu mudah disalah anggap sebagai satu fenomena.

Komponen gerakan sepanjang garis pandang menentukan kesan

Kesan Doppler biasa bergantung pada komponen gerakan yang menyebabkan sumber dan pemerhati saling menghampiri atau menjauhi. Dalam astronomi, komponen ini disebut halaju jejari atau halaju sepanjang garis pandang. Gerakan yang sepenuhnya melintang terhadap garis pandang tidak menghasilkan anjakan Doppler klasik pada saat itu.

Cahaya juga menunjukkan anjakan Doppler

Gelombang elektromagnet tidak memerlukan medium seperti udara. Apabila sumber cahaya bergerak menghampiri kita sepanjang garis pandang, ciri spektrumnya beralih kepada panjang gelombang yang lebih pendek; apabila sumber menjauh, ciri itu beralih kepada panjang gelombang yang lebih panjang. Ahli astronomi mengukur anjakan garis spektrum untuk menganggar gerakan bintang dan objek lain sepanjang garis pandang.

Frekuensi berubah, bukan semestinya kelajuan gelombang

Kesan Doppler tidak bermaksud bunyi bergerak lebih laju hanya kerana sumber menghampiri. Dalam udara yang sama, kelajuan bunyi ditentukan terutamanya oleh sifat medium. Gerakan sumber mengubah jarak antara muka gelombang, manakala gerakan pemerhati mengubah kadar muka gelombang ditemui. Bagi cahaya, teori relativiti menerangkan hubungan antara anjakan frekuensi dan gerakan tanpa memerlukan medium untuk perambatan cahaya.

Kegunaan lain prinsip Doppler

Contoh bunyi yang mudah termasuk hon kereta api dan enjin yang melintas. Prinsip Doppler juga digunakan dalam pengukuran seperti ultrabunyi aliran darah, walaupun keadaan dan persamaannya boleh berbeza daripada contoh siren ringkas.

Bagaimana kita mengetahui hal ini?