ماهو تأثير دوبلر؟
تأثير دوبلر (أو ظاهرة دوبلر) هو التغير في تردد الموجة (سواء كانت صوتية أو ضوئية) بسبب حركة مصدر الموجة أو حركة الشخص الذي يستقبل الموجة (الراصد).
ينبع هذا التغير من تضيق واجهات الموجة (أو تمددها) بسبب هذه الحركة النسبية مما يؤثر على الطول الموجي، وبالتالي التردد1.
يستخدم هذا التأثير في العديد من التطبيقات التكنولوجية والعلومية، منها الرادار، أجهزة السونار، وتصوير الأوعية الدموية، ورصد حركة النجوم والكواكب.
أمثلة عن تأثير دوبلر
المثال الأول2
دعونا نتخيل السيناريو التالي:
يقف شخصان A وB على الطريق، كما هو موضح في الصورة أدناه.
أي شخص سيسمع صوت محرك السيارة بقوة أكبر؟
سيسمع الشخص “A” صوت محرك السيارة بقوة أكبر من الشخص “B”.
لان الشخص “B” الذي يقف خلف السيارة يتلقى موجات أقل في الثانية (لأنها تتمدد)، مما ينتج عنه صوت منخفض. اما الشخص “A” الموجود أمام السيارة يتلقى عدد اكبر من الموجات الصوتية في الثانية.
ونتيجة لذلك، يكون تردد الموجات أعلى، مما يعني أن الصوت أعلى.
مثال أخر: لنتخيل السيناريو التالي:
السيناريو الأول: كيف سيكون شكل الموجات اذا قفزت في بركة ماء؟
السيناريو الثاني: كيف سيكون شكل الموجات في حال تحركت باتجاه معين في بركة الماء؟
الصورة ادناه توضح الفرق في شكل الموجات في كلا الحالتين:
يرجع الاختلاف في شكل الموجة إلى حركة المصدر في الحالة الثانية.
وهذا مايدور حوله تأثير دوبلر، اي الفرق الظاهري في تردد الموجة بسبب تحرك المصدر.
يمكننا ايضا ملاحظة الفرق في الصورة التالية تغير شكل الموجات عند تحرك البطة:
تأثير دوبلر في الصوت
عندما يتحرك مصدر الصوت (مثل سيارة إسعاف أو قطار) باتجاه مستمع ثابت، تنضغط مقدمة الموجات الصوتية.
ينتج عن هذا الانضغاط طول موجي أقصر ويتجلى ذلك في صوت ذي تردد أعلى (صوت أعلى).
عندما يبتعد مصدر الصوت عن المستمع (مثل قطار يبتعد)، تتمدد موجات الصوت، مما يزيد طول الموجة ويقلل التردد. ويسمع المستمع صوت اقل.
تأثير دوبلر في الضوء
على غرار الصوت، يتغير الطول الموجي والتردد المدرك للضوء بسبب الحركة النسبية بين مصدر الضوء والمراقب.
وهذا ما يسمى بتأثير دوبلر للضوء أو تأثير دوبلر النسبي. إليك التفاصيل:
الانزياح نحو الأحمر: إذا كان مصدر الضوء يتحرك بعيدًا عن المراقب، فإن الضوء الذي نلاحظه يمتد طوله الموجي نحو الطرف الأحمر من الطيف المرئي.
يسمى هذا التحول في الطول الموجي نحو الأحمر بـ “الانزياح نحو الأحمر” (redshift).
الانزياح الأزرق: على العكس، إذا كان مصدر الضوء يتحرك باتجاه المراقب، فسيتم ضغط الطول الموجي، مما يؤدي إلى تحول نحو النهاية الزرقاء للطيف.
يُعرف هذا باسم “الانزياح الأزرق” (blueshift).
يتشابه تأثير دوبلر للضوء مع تأثير دوبلر للصوت من حيث المبدأ، لكن هناك اختلافات رئيسية:
- لا يوجد وسيط مطلوب: ينتقل الصوت من خلال وسيط (مثل الهواء أو الماء). لكن الضوء ينتقل عبر الفضاء كـموجة كهرومغناطيسية ولا يتطلب وسيطًا.
- السرعة الثابتة: تختلف سرعة الصوت باختلاف الوسط الذي تنتقل فيه. لكن تنتقل موجات الضوء في الفراغ دائمًا بسرعة ثابتة وقدرها تقريبًا 300 ألف كيلومتر في الثانية.
- المعادلات النسبية: نظرًا للسرعات العالية التي يمكن أن يتحرك بها الضوء، ولعدم وجود وسيط، يتم حساب تأثير دوبلر في الضوء باستخدام معادلات محددة تأخذ في الاعتبار مبادئ النسبية الخاصة لألبرت أينشتاين.
تأثير دوبلر في الفلك
يلعب تأثير دوبلر دورًا هامًا في علم الفلك، حيث يسمح للعلماء بقياس سرعة الأجسام الفلكية مثل النجوم والمجرات، واكتشاف الكواكب الخارجية، ودراسة توسع الكون.
قياس سرعة الأجسام الفلكية:
- الانزياح نحو الأحمر: إذا كان مصدر الضوء (مثل نجم) يتحرك بعيدًا عن المراقب (مثلنا على الأرض)، فإن طوله الموجي يزداد، مما يؤدي إلى تحول الضوء نحو النهاية للطيف الأحمر.
- الانزياح الأزرق: على العكس، إذا كان مصدر الضوء يتحرك باتجاه المراقب، فإن طوله الموجي ينقص، مما يؤدي إلى تحول الضوء نحو النهاية للطيف الأزرق.
من خلال قياس مقدار الانزياح نحو الأحمر أو الأزرق لخطوط الطيف المنبعثة من نجم أو مجرة، يمكن للعلماء حساب سرعة هذا الجسم بالنسبة للأرض.
اكتشاف الكواكب الخارجية:
يمكن اكتشاف الكواكب الخارجية (الكواكب الموجودة خارج نظامنا الشمسي) باستخدام تأثير دوبلر.
عندما يدور كوكب حول نجمه، فإنه يسبب تذبذبًا طفيفًا في سرعة النجم.
يؤدي هذا التذبذب إلى تحولات صغيرة في انزياح خطوط الطيف للنجم، والتي يمكن قياسها باستخدام أجهزة طيفية دقيقة.
دراسة توسع الكون:
يعد الانزياح الأحمر لضوء المجرات البعيدة أحد أقوى الأدلة التي تدعم فكرة توسع الكون.
كلما كانت المجرة أبعد، كلما كان تحولها إلى الأحمر أكبر، مما يدل على أنها تبتعد عنا بمعدل أسرع.
أمثلة على تطبيقات تأثير دوبلر في علم الفلك:
- قياس سرعة دوران الشمس حول مركز مجرة درب التبانة.
- قياس سرعة ابتعاد بعض المجرات عن مجرة درب التبانة.
- اكتشاف كوكب “Kepler-186f” الذي يُعتبر أول كوكب بحجم الأرض يُكتشف في المنطقة القابلة للحياة لنجمه.
- دراسة حركة الغاز والغبار في السحب بين النجمية.
قانون تأثير دوبلر
يُمكن التعبير عن قانون تأثير دوبلر باستخدام الصيغة التالية:
f' = f (V +/- Vm) / (V +/- Vs)
حيث:
f'هو التردد المدرك من قبل المراقبfهو التردد الفعلي للمصدرVهي سرعة الموجة في الوسط (مثل سرعة الصوت في الهواء)Vmهي سرعة المستمع بالنسبة للوسط (إيجابية إذا كانت تتحرك نحو المصدر، سلبية إذا كانت تبتعد)Vsهي سرعة المصدر بالنسبة للوسط (إيجابية إذا كانت تبتعد عن المستمع، سلبية إذا كانت تتحرك باتجاهه)
الرمزين +/-:
- +: إذا كان المصدر والمستمع يتحركان في نفس الاتجاه.
- –: إذا كان المصدر والمستمع يتحركان في اتجاهات متعاكسة.
ملاحظة عن قانون تأثير دوبلر:
- تُستخدم معادلات أكثر تعقيدًا لحساب تأثير دوبلر في حالات أكثر تعقيدًا، مثل عندما تكون سرعة المصدر أو المستمع كبيرة مقارنة بسرعة الموجة.
- يُمكن استخدام تأثير دوبلر لقياس سرعة أي جسم يتحرك بالنسبة لمراقب، بغض النظر عن نوع الموجات التي ينبعث منها.
المصادر
