Het Doppler-effect voor geluidsgolven

Het Doppler-effect is een middel waardoor golfeigenschappen (specifiek frequenties) worden beïnvloed door de beweging van een bron of luisteraar. De afbeelding rechts laat zien hoe een bewegende bron de golven die daar vandaan komen, zou vervormen vanwege het Doppler-effect (ook bekend als Doppler shift).

Als je ooit op een spoorwegovergang hebt gewacht en naar het treinfluitje hebt geluisterd, heb je waarschijnlijk gemerkt dat de toonhoogte van het fluitje verandert als het beweegt ten opzichte van je positie. Evenzo verandert de toonhoogte van een sirene naarmate deze nadert en passeert u vervolgens op de weg.

Beschouw een situatie waarin de beweging is georiënteerd in een lijn tussen de luisteraar L en de bron S, met de richting van de luisteraar naar de bron als de positieve richting. De snelheden v_L en v_S zijn de snelheden van de luisteraar en de bron ten opzichte van het golfmedium (in dit geval lucht, die in rust wordt beschouwd). De snelheid van de geluidsgolf, v, wordt altijd als positief beschouwd.

Door deze bewegingen toe te passen en alle rommelige afleidingen over te slaan, krijgen we de frequentie die door de luisteraar wordt gehoord (f_L) in termen van de frequentie van de bron (f_S):

f_L = [(v + v_L)/(v + v_S)] f_S

Als de luisteraar in rust is, dan v_L = 0.
Als de bron in rust is, dan v_S = 0.
Dit betekent dat als noch de bron, noch de luisteraar beweegt, dan f_L = f_S, wat precies is wat je zou verwachten.

Als de luisteraar naar de bron beweegt, dan v_L > 0, maar als het zich van de bron verwijdert, dan v_L < 0.

Als alternatief, als de bron naar de luisteraar toe beweegt, is de beweging in de negatieve richting, dus v_S <0, maar als de bron zich van de luisteraar verwijdert, dan v_S > 0.

Het Doppler-effect is in wezen een eigenschap van het gedrag van fysieke golven, dus er is geen reden om aan te nemen dat het alleen van toepassing is op geluidsgolven. Elke golf lijkt inderdaad het Doppler-effect te vertonen.

Ditzelfde concept kan niet alleen worden toegepast op lichtgolven. Dit verschuift het licht langs het elektromagnetische lichtspectrum (beide zichtbaar licht en verder), het creëren van een Dopplerverschuiving in lichtgolven dat wordt ofwel een roodverschuiving of een blauwverschuiving genoemd, afhankelijk van het feit of de bron en de waarnemer van elkaar of naar elkaar toe bewegen. In 1927 werd de astronoom Edwin Hubble waargenomen het licht van verre sterrenstelsels verschoven op een manier die overeenkwam met de voorspellingen van de Doppler-shift en kon dat gebruiken om de snelheid te voorspellen waarmee ze zich van de weg verwijderden Aarde. Het bleek dat verre sterrenstelsels zich over het algemeen sneller van de aarde verwijderden dan nabije sterrenstelsels. Deze ontdekking hielp astronomen en natuurkundigen (waaronderAlbert Einstein) dat het universum feitelijk aan het uitbreiden was, in plaats van eeuwig statisch te blijven, en uiteindelijk leidden deze waarnemingen tot de ontwikkeling van de oerknaltheorie.