Всемогущее эхо: Эффект Допплера

Суть эффекта очень проста. Когда вы слушаете звук, то его частота зависит от движения источника этого звука. Если источник движется навстречу приемнику, частота возрастает, а если удаляется, частота звука уменьшается. Все мы не раз слышали это, когда мимо нас проносилась гудящая электричка или машина скорой помощи.

На практике этот простой эффект позволяет измерить то, что недоступно для прямого измерения: скорость разлета галактик, реактивного самолета или крови, бегущей по тончайшим кровеносным сосудам. С его помощью удается определить температуру плазмы или скорость движения атомов.

Так что стоит познакомиться с эффектом Допплера поподробнее. А заодно — прочувствовать единство физического мира, в котором и атомами, и галактиками правят одни и те же законы.

В 1842 году австрийский физик Христиан Допплер объявил об открытии эффекта, названного впоследствии его именем. Действие эффекта объяснить очень просто.

Представьте себе, что вы стреляете в мишень, выпуская пули с постоянной скоростью. Скажем, 60 пуль в минуту. Если вы стоите неподвижно, то пули будут попадать в мишень с такой же частотой. Если же двигаться по направлению к мишени с большой скоростью, то эта скорость будет складываться со скоростью пуль, и они будут быстрее долетать до мишени, попадая в нее все чаще. Если же удаляться от мишени, то пули будут попадать в мишень реже.

Аналогичный эффект наблюдается, если источник «пуль» (например, звука) — неподвижен, а приемник приближается к нему или удаляется от него. Понятно, что изменение частоты зависит от скорости движения источника. Если он будет двигаться к «мишени» со скоростью «пули», то частота попадания «пуль» удвоится. А если источник «пуль» с такой же скоростью будет удаляться от «мишени», то «пули» вообще до нее не долетят.

Очень интересно читать старые учебники физики, где авторы стремятся передать читателю ощущение научного эксперимента. Во втором томе «Курса физики» известного ученого Ореста Хвольсона (учебник был очень популярен лет сто назад) на 90-й странице мы прочтем, что первые проверки эффекта Допплера были сделаны в Англии (о чем сообщают известия Британского физического общества за 1849 год). При проезде локомотива мимо наблюдателя музыкант трубил, удерживая постоянный тон, а наблюдатель отмечал повышение частоты звука при приближении поезда и понижение — при его удалении.

Более точное исследование было проведено немецкими физиками — с него мы начали нашу статью. По месту зажима скрипичной струны определялось, насколько изменился тон колебаний. Как известно, скорость звука равна 330 м/с. Поезд ехал со скоростью 20 м/с. Так что совсем не зря для опыта пригласили известного музыканта с очень тонким слухом: ему приходилось фиксировать изменение частоты всего на 12%. Эффект Допплера оказался совершенно незаменимым инструментом в исследовании, например, космоса.

В 1952 году были открыты звездоподобные объекты, спектры излучения которых не были похожи на спектр излучения атомов ни одного из земных веществ. Их и назвали квазарами (англ. quasar, сокращение от quasistellar radiosource — квазизвездный источник радиоизлучения).

Американский астроном Мартин Шмидт первым догадался, что спектральные линии квазаров — это обычные спектры излучения водорода и других элементов, только сдвинутые в красную область из-за эффекта Допплера. Оказалось, что квазары удаляются от Земли с ранее невиданными для небесных тел скоростями — десятки тысяч км/с. Объяснение состояло в том, что, поскольку по закону Хаббла наша Вселенная расширяется со скоростью разбегания, пропорциональной расстоянию, стало ясно, что квазары — это самые удаленные от нашей Галактики объекты.

С помощью эффекта Допплера сегодня определяют даже наличие вокруг звезд планет, которые невозможно увидеть ни одним современным телескопом. Измеряя спектры излучения некоторых звезд, астрономы заметили, что они как бы колеблются «туда-сюда», и сделали вывод, что принудить звезду к такому движению может планета, вращающаяся вокруг нее.

Сегодня с помощью эффекта Допплера, на котором основано действие всех радаров, инспекторы ДПС ловят нарушителей ПДД.

Принцип действия радара (от англ. radar — radio detecting and ranging — «выявление и определение расстояния при помощи радио») прост: излучаемая им электромагнитная волна отражается от металлических предметов. Если предмет движется в сторону радара или от него, частота отраженной волны изменяется пропорционально скорости. Остается замерить разницу и вычислить скорость. А узнав скорость, легко предсказать дальнейшее движение цели.

Мощные радиолокационные станции (РЛС) «Редут», появившиеся у Советской армии еще перед Великой Отечественной войной, обнаруживали вражеские самолеты на расстоянии до 100 км. Опытные операторы могли даже определить тип самолета. Однако войска сталкивались с проблемой передачи информации с пульта радиолокатора на аэродром, где базировались самолеты-перехватчики. Заметив на экране цель, оператор зашифровывал данные и передавал в штаб ПВО. Там их расшифровывали и сверяли с данными других локаторов. И только после этого сообщение о приближении вражеских самолетов шло в эскадрильи истребителей. За это время вражеские самолеты успевали преодолеть несколько километров.

Сам метод определения расстояния до самолетов при помощи радиоволн возник в Англии. Установку назвали радиолокатором, а термин «радар» родился в США. Однако, если верить официальной американской истории радара, в начале 30-х годов, когда в Советском Союзе уже вовсю шли эксперименты, на Западе царила тишина, хотя к тому времени с открытия эффекта отражения радиоволн прошло более 30 лет.

Обнаружил его в 1897 году русский ученый Александр Попов, когда проводил опыты по беспроволочной связи в Кронштадте. Тогда между находившимися на связи кораблями «Африка» и «Европа» оказался крейсер «Лейтенант Ильин», и радиосвязь прервалась. Попов понял, что высокочастотные радиоволны могут отражаться от препятствий. Этот эффект и лег в основу радиолокации и радиопеленгации.

Для подтверждения этого явления несколько лет специальные эксперименты проводил немецкий инженер Хюльс-Мейер, получивший в 1904 году патент на «способ сигнализации от отдаленных объектов при помощи электромагнитных волн». Использование результатов исследования осложнялось тем, что лишь небольшая часть волн — частично поглощавшихся, частично рассеивавшихся — попадала на объект локации, и на приемник поступало меньше одной миллиардной части радиоволн.

С проблемой справились советские специалисты под руководством академика Абрама Йоффе, отбросившие наименее эффективные дециметровые и сантиметровые волны и определившие, что наиболее пригодны для радиообнаружения самолетов ночью, в условиях плохой видимости и на больших высотах — миллиметровые. О результатах исследования они доложили на специальном заседании Академии наук СССР в 1934 году, и этот год считается временем рождения российской радиолокации. Сегодня с помощью специальных радаров определяются скорости не только самолетов, но также течений в океане и ветров над поверхностью Земли.

«Пистолет» инспекторов ДПС, с помощью которого сегодня в основном выносятся «приговоры» любителям быстрой езды, называется «Барьер», но он показывает только скорость машины. Более современная модель — «Сова», совершенно новый прибор, дорогой и сложный. К нему полагается персональный компьютер, и с «Совой» не поспоришь: на ее мониторе застывает изображение автомобиля, видны его номер, время, дата и скорость. Есть и более экзотические устройства, например — лазерный радар ЛИСД, похожий на обычный бинокль. Чтобы замерить скорость автомобиля, достаточно навести на него перекрестье прибора. Луч лазера узок, и ошибиться невозможно. На кого навел — того и промерил. Но с ЛИСД можно поспорить, потому что, если на дороге несколько машин, доказать, какая из них была под прицелом, трудно: ее номера «бинокль» записать не может.

Однако радар применяют не только инспекторы движения, но и... водители. В частности, чтобы избежать при движении задним ходом наезда на маленьких детей или домашних животных, они устанавливают на номерном знаке или на бампере своего автомобиля специальный прибор. С его помощью водитель может «видеть» места, находящиеся в мертвой зоне позади машины.

При движении назад использующий эффект Допплера прибор Guardian Alert передает данные на пульт, установленный на рулевой колонке, и если на пути машины на расстоянии несколько метров появляется препятствие, пульт начинает издавать резкий звук и включает мигающую цветную лампу. Если же водитель продолжает движение, звуковой сигнал усиливается, а первоначальный зеленый цвет лампочки меняется на красный. На расстоянии в один метр лампа перестает мигать и горит постоянно, а звук превращается в сигнал тревоги. Радар реагирует на любые предметы, людей и животных. По словам производителей новинки, компании Sense Technologies, радар не боится дождя, грязи, снега и низкой температуры.

Эффект Допплера помогает и медикам, которым важно бывает узнать, с какой скоростью кровь бежит по жилам пациента. Например, во время беременности плод может страдать от недостаточного кровоснабжения. Как понять, что будущему малышу недостаточно крови? Для этого надо послать ультразвуковый сигнал в место присоединения плода к матери. Ультразвук отразится от клеток крови, вернется к приемнику и «сообщит» врачам, с какой скоростью поступает кровь.

Измерять кровоток при помощи допплерометрии можно в самых разных сосудах. Для исследования сосудов на глубине от 0,5 до 2,5 см применяется частота излучения 8 МГц. Для исследования сосудов на глубине от 1,0 до 4,5 см — частота 4 МГц. Для исследования внутричерепных сосудов на глубине от 1,5 до 10 см нужна частота, равная 2 МГц.

Тот же принцип позволяет измерять расход воды в сетях холодного, горячего водоснабжения и в канализации с помощью ультразвукового расходомера-счетчика «Днепр-7».

Накладные ультразвуковые преобразователи, устанавливаемые снаружи трубы, излучают высокочастотный звуковой сигнал, направленный через стенку трубы в поток жидкости. Звуковые импульсы отражаются от имеющихся в жидкости пузырьков газа и твердых микрочастиц, и так как жидкость находится в движении, отраженный сигнал меняется по частоте. Постоянно измеряя сдвиг частоты, расходомер точно определяет величину скорости потока, а по известной площади сечения трубопровода определяется объемный расход и количество жидкости. Этот расходомер — переносной и может использоваться на трубопроводах различного диаметра.