Efecte Doppler

L’efecte Doppler és un fenomen que ja hem tractat en anterioritat en aquest blog. No obstant, l’explicació brindada havia sigut molt per sobre, així que ara intentarem profunditzar en el concepte.

L’efecte Doppler és un fenomen físic que engloba el camp de les ones, tant les sonores com les òptiques. En el camp en què s’endinsa de l’acústica és el que, com ja hem dit, s’ha treballat en aquesta pàgina, i raona per què el so d’una ambulància varia de volum a mesura que s’aproxima o s’allunya de nosaltres o perquè hi ha sons aguts i sons greus, mentre que l’aplicació en l’òptica fa referència a canvis de color deguts a canvis de posició de la font emissora. A continuació tractarem l’efecte Doppler des de dos punts de vista (l’acústic i l’òptic), i veurem com tots dos comparteixen la mateixa explicació: L’augment o disminució de la longitud d’ona.

L’efecte Doppler en el so

Primer de tot hem de recordar que el so és una ona que és propaga per l’aire emesa per una font sonora. Com a ona que és, se’n distingeixen varis elements: primer, les crestes i les valls, definint les crestes com els punts més alts d’una ona en l’eix x, i les valls com els punts més baixos. I segon, la longitud d’ona i la freqüència d’ona. La longitud d’ona és la distància compresa entre dues crestes successives sobre l’eix y, de manera que quan diem “que presenta una longitud d’ona major que “x””, significa que la distància entre dues crestes successives és més gran que la distància de dues crestes successives de “x”, mentre que la freqüència d’ona és inversa a la longitud d’ona, és a dir, si la longitud d’ona és gran la freqüència és petita, i viceversa (la definició d’aquests elements d’una ona també ens serà útil en el cas de la llum).

La raó per la qual es produeixen uns sons greus i sons aguts, o sons forts i sons dèbils té a veure amb els canvis de freqüència, o el que és el mateix, amb la longitud d’ona i la freqüència d’ona. En el cas de l’ambulància, quan l’ambulància (la font sonora) s’acosta a nosaltres, percebem una freqüència major, ja que la longitud d’ona és menor, i per tant percebem un so que cada cop es fa més fort. Utilitzant la lògica establim que el so més fort que nosaltres percebem de la sirena de l’ambulància és just quan aquesta està en el nostre costat, és a dir, al màxim a prop possible, mentre que el so més dèbil es produeix quan l’ambulància es troba en el punt més llunyà encara perceptible. D’aquesta manera un so pot semblar ser fort o fluix depenent de la posició de l’observador, per exemple, passant per alt que el so que emet la sirena d’una ambulància és alt, si l’observador es troba a 50 metres de la font emissora desconeixent la posició d’aquesta establirà que és dèbil. En canvi, al acostar-se la sirena a la orella, establirà tot el contrari. Si la longitud d’ona i la freqüència d’un so fossin invariables (és a dir, que no s’escurcessin o eixamplessin en funció de la distància) un so provinent Mart se sentiria exactament igual en el planeta Terra que en el planeta roig. 

Els sons greus i aguts estan intrínsicament relacionats amb la freqüència (expressada en Hertzs). En la següent taula s’exposen les notes de l’escala musical major amb les corresponents freqüències. 

Com podeu observar, tot el que podem considerar música són combinacions de freqüències que el nostre cervell interpreta com a les diferents notes musicals. 

L’efecte Doppler en la llum 

L’efecte Doppler és aplicable a qualsevol tipus d’ona, ja sigui mecànica (el so) o electromagnètica (la llum). La principal diferència entre les dues ones són les causes que les provoquen. Les ones mecàniques (com el so) són fruit d’una pertorbació, i precisen ser transportades per un medi (com pot ser l’aire), en canvi, les ones electromagnètiques (com la llum) provenen de camps elèctrics que constantment s’alternen amb camps magnètics i viceversa, a més de viatjar a la velocitat de la llum i no necessitar un medi de propagació.

Havent exposat el paper que té l’efecte Doppler respecte les ones mecàniques, anem a veure la seva funció en les electromagnètiques (parlarem de la llum, o més concretament, els fotons).

Desplaçament al blau i al vermell o roig 

En física i astronomia es treballa amb els desplaçaments al blau i al vermell o roig per a calcular distàncies o per saber si una font lumínica s’acosta o s’allunya de nosaltres. Una estrella que s’allunya de nosaltres presenta el que es coneix com un espectre electromagnètic desplaçat al vermell, mentre que una altra estrella de característiques similars que s’apropa a nosaltres presenta un espectre electromagnètic desplaçat al blau. Per tant, es pot saber si un cos s’allunya o s’apropa de nosaltres (o a quina velocitat ho fa) analitzat la llum que emet.
La raó per la qual la llum es decanta pel color blau al apropar-se i pel color vermell al allunyar-se té altre cop a veure amb la longitud d’ona. Si una estrella s’allunya de nosaltres presenta, per a nosaltres, una longitud d’ona major. Com que dels colors de la llum el que té una longitud d’ona major és el vermell, és lògic que l’espectre electromagnètic s’hagi desplaçat al vermell. Passa exactament el mateix amb el color blau. Una estrella que s’apropa a nosaltres presenta una longitud d’ona menor, i com que dels colors de la llum el blau és un dels que té la longitud d’ona menor, l’espectre electromagnètic es decanta cap al blau. Els indicadors que ens permeten saber cap a quin color es decanta la llum (i per tant calcular les posicions de les fonts emissores en qüestió) són les línies espectrals, representades com a línies fosques.

Desplaçament al roig (a dalt) i desplaçament al blau (a baix)