Doppler Etkisi ve Ses Dalgaları

Doppler Etkisi Nedir?

    Doppler etkisi veya Doppler kayması, dalgaların kaynağı bir gözlemciye göre hareket ettiğinde gözlemlenen bir olgudur. Örneğin, siren çalarak sizi geçen bir ambulans, Doppler Etkisinin yaygın bir fiziksel gösterimidir. Bu yazıda, Doppler etkisinin inceliklerini ayrıntılı olarak anlayalım.

Doppler Etkisi Açıklandı

    Doppler etkisi, gezegen bilimi de dahil olmak üzere çeşitli bilimsel disiplinlerde önemli bir olgudur. Doppler etkisi veya Doppler kayması, hareketli bir kaynak tarafından üretilen herhangi bir ses veya ışık dalgasının frekansındaki değişiklikleri bir gözlemciye göre tanımlar.

    Fizikte Doppler etkisi, kaynak ve gözlemci birbirine doğru ( veya uzaklaştıkça ) ses, ışık veya diğer dalgaların frekansındaki artış ( veya azalma ) olarak tanımlanır.

    Bir gözlemciye doğru hareket eden bir kaynağın yaydığı dalgalar sıkıştırılır. Buna karşılık, bir gözlemciden uzaklaşan bir kaynak tarafından yayılan dalgalar uzar. Christian Johann Doppler ilk olarak 1842'de Doppler Etkisini ( Doppler Kayması ) önerdi.

Doppler Etkisi Örnekleri

    Aşağıdaki senaryoyu düşünelim:

    Durum 1: A ve B adlı iki kişi, aşağıdaki resimde gösterildiği gibi yolda duruyorlar.

    Hangi kişi devirli motorun sesini daha büyük bir büyüklükte duyar?

    Arabanın arkasında duran B Kişisi, saniyede daha az dalga alır ( çünkü yayılırlar ), bu da düşük perdeli bir sese neden olur. Ancak, arabanın önündeki A kişisi, saniyede bu ses dalgası dalgalanmalarından daha fazlasını alır. Sonuç olarak, dalgaların frekansı daha yüksektir, bu da sesin daha yüksek bir perdeye sahip olduğu anlamına gelir.

    Durum 2: Şimdi aşağıdaki durumları ele alalım:

    Durum 1: Aniden bir gölete atladığınızda dalgaların deseni nasıl oluşur?
    Durum 2: Bir havuzda yürürken dalgaların deseni nasıl oluşur?

    Aşağıda verilen resim, her iki durumda da dalga desenleri arasındaki farkı vurgulamaktadır.

    Dalga modelindeki fark, ikinci durumda kaynağın hareketinden kaynaklanmaktadır. Doppler etkisi budur. Doppler etkisinde, gözlemci tarafından alınan frekans yaklaşma sırasında daha yüksektir, göreceli konumlar aynı olduğunda aynıdır ve kaynağın durgunluğunda düşmeye devam eder.

    Bu videoda, kaynak ve gözlemci arasındaki bağıl hareketin, Doppler Etkisine yol açan ses dalgalarının frekansını nasıl değiştirdiğini görelim.

Doppler Etkisi Formülü

    Doppler etkisi, sesin kaynağı ile gözlemci arasındaki bağıl hareket nedeniyle dalgaların frekansındaki belirgin değişikliktir. Doppler etkisindeki görünen frekansı aşağıdaki denklemi kullanarak çıkarabiliriz:

    Sadece bir Doppler etkisi denklemi varken, yukarıdaki denklem gözlemcinin hızlarına veya sesin kaynağına bağlı olarak farklı durumlarda değişir. Doppler etkisi denklemini farklı durumlarda nasıl kullanabileceğimizi aşağıda görelim.

(a) Dinlenme Halindeki Gözlemciye Doğru Hareket Eden Kaynak

    Bu durumda, gözlemcinin hızı sıfırdır, bu nedenle V₀ sıfıra eşittir. Bunu yukarıdaki Doppler etkisi denklemine koyarsak, bir kaynak hareketsiz bir gözlemciye doğru hareket ederken Doppler etkisinin denklemini şu şekilde elde ederiz:

(b) Dinlenen Gözlemciden Uzaklaşan Kaynak

    Gözlemcinin hızı sıfır olduğu için V₀'ı ortadan kaldırabiliriz denklemden. Ancak bu sefer kaynak gözlemciden uzaklaşır, bu nedenle yönü belirtmek için hızı negatiftir. Dolayısıyla, denklem şimdi aşağıdaki gibi olur:

(c) Sabit Bir Kaynağa Doğru Hareket Eden Gözlemci

    Bu durumda, v_s sıfıra eşit olacak, dolayısıyla aşağıdaki denklemi elde ederiz:

(d) Sabit Bir Kaynaktan Uzaklaşan Gözlemci

    Gözlemci uzaklaştığı için gözlemcinin hızı negatif olur. Yani, V₀ eklemek yerine, şimdi V₀'den beri çıkarıyoruz olumsuzdur.

Doppler Etkisi Çözülmüş Problemler

    1. İki A ve B treni 432 km/s hızla birbirine doğru hareket ediyor. A'nın çıkardığı ıslığın frekansı 800 Hz ise, B treninde oturan yolcunun duyduğu ıslığın görünen frekansı nedir? ( Sesin havadaki hızı 360 m/s'dir ).

    Çözüm:

    Dolayısıyla kaynak ve gözlemci birbirine doğru hareket ediyor.

    ƒ = ƒ₀(v+v₀ / v−v_s)

    432 km/s'yi m/s'ye çevirdiğimizde 120 m/s elde ederiz.

    Denklemdeki değerleri yerine koyarak şunu elde ederiz:

    ƒ = 800(360+120 / 360−120) = 1600 Hz

    2. Dikey bir duvara yaklaşan bir bisiklet sürücüsü, bisiklet kornasının frekansının duvardan yansıdığında 440 Hz'den 480 Hz'e değiştiğini gözlemler. Ses hızı 330 m/s ise bisikletin hızını bulun.

    Çözüm:

    Bisiklet duvara u hızıyla yaklaşsın.

    Daha sonra duvar tarafından alınan görünür frekans şu şekilde hesaplanabilir:

    ƒ = ƒ₀(v / v−u) ... 1

    Yansıyan dalga için,

    ƒ' = ƒ(v+u / v) ... 2

    (1)'i (2)'de yerine koyarak şunları elde ederiz:

    ƒ' = ƒ₀(v / v−u) × (v+u / v)

    Basitleştirirsek, şunları elde ederiz

    ƒ' = (v+u / v−u)ƒ₀

    Denklemdeki değerleri yerine koyarak şunu elde ederiz:

    480 = (v+u / v−u)440

    480/440 = (v+u / v−u)

    u = 4/92 × 330 = 14.3 m/s

Doppler Etkisinin Kullanım Alanları

    Birçok kişi Doppler etkisinin sadece ses dalgaları için geçerli olduğunu düşünür. Işık dahil her türlü dalga ile çalışır. Aşağıda, doppler etkisinin birkaç uygulamasını listeledik:

• Sirenler
• Radar
• Astronomi
• Tıbbi Görüntüleme
• Kan Akışı Ölçümü
• Uydu Haberleşmesi
• Titreşim Ölçümü
• Gelişim Biyolojisi
• Ses
• Hız Profili Ölçümü

Doppler Etkisi Sınırlamaları

• Doppler Etkisi, yalnızca ses kaynağının ve gözlemcinin hızları sesin hızından çok daha düşük olduğunda uygulanabilir.
• Hem kaynağın hem de gözlemcinin hareketi aynı düz çizgi boyunca olmalıdır.

Işıkta Doppler Etkisi

    Işığın Doppler etkisi, ışık kaynağı ile gözlemci arasındaki bağıl hareket nedeniyle gözlemci tarafından gözlemlenen ışığın frekansındaki görünür değişiklik olarak tanımlanabilir.

    Bununla birlikte, ses dalgaları için, Doppler kayması denklemleri, hareket edenin kaynak mı, gözlemci mi yoksa hava mı olduğuna bağlı olarak belirgin şekilde farklılık gösterir. Işık ortama ihtiyaç duymaz ve boşlukta hareket eden ışık için Doppler kayması yalnızca gözlemcinin ve kaynağın göreli hızına bağlıdır.

Kırmızıya Kayma ve Mavi Kaydırma

• Işık kaynağı gözlemciden uzaklaştığında, gözlemci tarafından alınan frekans, kaynak tarafından iletilen frekanstan daha az olacaktır. Bu, görünür ışık spektrumunun kırmızı ucuna doğru bir kaymaya neden olur. Gökbilimciler buna kırmızıya kayma diyorlar.
• Işık kaynağı gözlemciye doğru hareket ettiğinde, gözlemci tarafından alınan frekans, kaynak tarafından iletilen frekanstan daha büyük olacaktır. Bu, görünür ışık spektrumunun yüksek frekanslı ucuna doğru bir kaymaya neden olur. Gökbilimciler buna maviye kayma diyorlar.

Sıkça Sorulan Sorular – SSS

1. Fizikte Doppler Etkisi Nedir?

    Fizikte Doppler Etkisi, bir dalga kaynağı ile gözlemcisi arasındaki bağıl hareket sırasında dalga frekansındaki değişimi ifade eder.

2. Doppler Etkisini kim keşfetti?

   Avusturyalı bir matematikçi ve fizikçi olan Christian Johann Doppler, 1842'de Doppler etkisini keşfetti.

3. Doppler etkisi hem boyuna hem de enine dalgalarda görülebilir mi?

    Evet, Doppler etkileri her iki dalga tipi için de gözlenebilir. Seste Doppler etkisi ( boyuna dalgalar ) ve ışıkta Doppler etkisi ( enine dalgalar ) iyi bilinen fenomenlerdir.

4. Doppler Etkisi günlük hayata nasıl uygulanabilir?

    Doppler etkisinin günlük yaşamdan birkaç örneği şunlardır: a) Bir polis radarının yanında durduğunuzda. b) Doppler etkisi, meteorologlar tarafından fırtınaları izlemek için kullanılır. c) Doktorlar hastanelerde kalp problemlerini teşhis etmek için Doppler Etkisini kullanırlar. d) Trafik polisi, karşıdan gelen araçların hızını kontrol etmek için bir radar silahı olan doppler etkisini kullanır.

5. Doppler Etkisi neden hastanelerde kullanılır?

    Hastanelerde doppler etkisi kan akışını izlemek için kullanılır. Doppler etkisi ile kan pıhtıları da tespit edilir.

6. Doppler Etkisi evrenin genişlediğini nasıl kanıtlıyor?

    Doppler etkisi, evrenin genişlediğinin kanıtıdır. Edwin Hubble, evrenin genişlediğini kanıtlamak için Doppler etkisini kullandı. Hubble, uzak galaksilerden gelen ışığın, spektrumun kırmızı ucuna doğru daha düşük frekanslara doğru kaydığını fark etti. Yıldızlar veya galaksiler bizden uzaklaştığında, renklerini kırmızıya kaymış olarak görürüz.