Статья в Энциклопедическом Фонде

Эффект Доплера

   

Эффект Доплера. Акустический эффект Доплера возможен только в какой-нибудь среде, например, вода или воздух. Среда обязательно состоит из атомов и молекул, связанных между собой молекулярным или гравитационным взаимодействием. Из-за этого среда обладает упругостью. При механическом воздействии на среду колебательное движение от молекулы к молекуле передаётся за счёт упругости среды. В результате этого возникают акустические волны, которые распространяются во все стороны среды. Это мы называем звуком. Звук (колебание среды) распространяется в разных средах с разной скоростью. Например, в воздухе  330 м/с, в воде  1500 м/с.

Кроме того, скорость звука в акустическом эффекте Доплера в отличие от электромагнитного эффекта Физо не зависит от скорости источника и приёмника, она постоянна.

В акустическом эффекте Доплера частицы не движутся. Механические колебания частиц среды передаются от одной частицы к другой, а сами частицы остаются на месте. Такой процесс возможен только за счёт упругости среды. Упругая среда может быть только у вещества, состоящего из атомов и молекул, связанных между собой молекулярным (гравитационное близкодействие) или гравитационным взаимодействием (для газа). Роль упругого элемента у атомов и молекул выполняет быстро обращающийся вокруг ядра внешний электрон. Это он не даёт деформировать, очерчивающий своим движением, объём атома или молекулы. Поэтому объект и наблюдатель могут своим движением либо механически сжать волну, либо растянуть её. При этом скорость распространения звука остаётся постоянной. От этих причин скорость распространения звука в среде не изменится. Изменяется только длина волны и частота при постоянной скорости звука.

Если на пути волн встретится препятствие, то волны отразятся и начнут двигаться в обратном направлении, распространяясь во все стороны среды. Это мы называем эхом. Измерения покажут, если препятствие было неподвижным, то скорость и частота  остались прежними. Приборы измеряют только частоту. Длина волны рассчитывается из акустической формулы.

Если на пути распространения волн встретится движущийся объект, например, во встречном направлении, тогда объект будет механически сжимать волну. Как заметил экспериментально Доплер, чем больше скорость объекта, тем сильнее волна сжимается или растягивается, а скорость распространения звука остаётся прежней. Выведем формулу для эффекта Доплера. Запишем зависимость изменения частоты от скорости объекта в относительных величинах.

Полная аналогия с упругой пружиной.

Волны бывают только акустическими и только продольными. Поперечных волн в природе нет. У фотонов поперечные колебания, а это не одно и тоже. Сжимается или растягивается только акустическая продольная волна.

За счёт того, что скорость распространения акустической волны постоянная, а сама акустическая волна продольная, то возможен процесс механического сжатия или растяжения волны. Сжать или растянуть можно только продольную волну. Этим свойством объясняется акустический эффект Доплера. Суть эффекта Доплера - это изменение длины волны пропорционально скорости объекта.

Акустические волны бывают только продольными, так как распространяться колебательный процесс в среде может по всем направлениям и только последовательно вперёд. Поперечные колебания передаваться вперёд не могут. Поэтому легко представить, что поперечных волн в природе не может быть.

ПРИМЕЧАНИЕ. Волна на поверхности воды носит сложный характер векторного сложения скоростей акустической продольной волны и колебаний среды (воды), связанной с гравитацией и упругостью воды. В результате этого направление движения акустической волны (передача колебаний) меняется по синусоиде, но передача волны может происходить только вперёд, а не вверх и низ. Желательно такую сложную волну называть поверхностной волной. Эта волна сложная - акустическая (продольная), но с изменением направления распространения.

Литература
1. Николаев С.А. Эволюционный круговорот материи во Вселенной,  7 издание,  СПб, 2014 г., 320с.
Энциклопедический Фонд