O efeito Doppler, também conhecido como deslocamento Doppler, é um fenômeno que ocorre em qualquer tipo de onda, tanto em ondas eletromagnéticas , por exemplo de luz, quanto em ondas mecânicas, por exemplo de som, quando há movimento relativo entre a fonte emissora do ondas e o observador ou receptor.

O fenômeno foi descrito pela primeira vez em 1842 pelo físico austríaco Christian Doppler e consiste em uma aparente mudança na frequência e comprimento de onda causada pelo movimento relativo entre o emissor e o receptor. Se o emissor se aproximar do receptor, o comprimento de onda parece diminuir e a frequência aumenta. Se o emissor e o receptor se separam, o comprimento de onda aparentemente aumenta e a frequência diminui. Tudo isso sem que o comprimento de onda e a frequência emitida sofram qualquer alteração durante o deslocamento da fonte emissora.

Efeito Doppler no som

No dia a dia e de acordo com a capacidade de percepção humana, o efeito Doppler pode ser facilmente experimentado em alguns tipos de ondas mecânicas. Por exemplo, no som. Um dos exemplos mais típicos são as sirenes de uma ambulância.

Suponha que estejamos parados na calçada de uma rua e uma ambulância passe viajando a 100 km / h, 8% da velocidade do som (1235 km / h).

Quando a ambulância se aproxima de nós, ouvimos o som cada vez mais alto devido ao encurtamento do comprimento de onda do som. Mas é um encurtamento aparente. Cada onda emitida em direção à frente da ambulância está mais próxima da onda anterior pelo deslocamento da própria ambulância naquela direção.

Se a ambulância estiver viajando a uma velocidade igual a 8% da velocidade do som, o comprimento de onda será reduzido em 8% em relação ao comprimento de onda real emitido pela sirene. Na frequência tem efeito contrário, seria aumentado em 8%, por isso ouvimos a sirene com tons mais altos.

Assim que a ambulância passa por nós e se afasta, começamos a ouvir o som cada vez mais baixo devido ao aumento relativo do comprimento de onda e à diminuição da frequência. Atrás da ambulância, cada onda emitida estaria 8% mais distante da anterior.

O efeito Doppler torna o som de uma ambulância em movimento mais alto na frente e mais baixo atrás.

Se a ambulância conseguisse se mover exatamente na velocidade do som, não haveria ondas sonoras à sua frente. A própria ambulância viajará ao lado da frente da onda de som, e o comprimento de onda será compensado pelo caminho percorrido pela própria ambulância. Não ouviríamos a ambulância até que ela estivesse bem na nossa frente.

Se pudesse viajar em velocidades supersônicas, a frente das ondas sonoras ficaria ainda atrás da ambulância, já que as ondas seriam mais lentas que a ambulância e avançariam assim que fossem emitidas.

Na galeria a seguir você pode ver uma animação do efeito Doppler em ondas sonoras emitidas por um emissor estacionário e em deslocamentos em velocidades subsônicas, sônicas e supersônicas.

Galeria

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Na Luz

Para experimentar o efeito Doppler na luz e em outras ondas eletromagnéticas, são necessárias velocidades de deslocamento relativo muito maiores entre o emissor e o observado, uma vez que a velocidade da luz é muito maior do que a velocidade do som.

As mudanças no comprimento de onda da luz são muito pequenas nas velocidades normais que os humanos experimentam. Mesmo nas velocidades em que as estrelas e galáxias viajam , dispositivos altamente sensíveis são necessários para detectar o efeito Doppler em sua luz.

Precisamente na astronomia, o efeito Doppler é responsável pelo desvio para o vermelho da luz de estrelas e galáxias distantes . Essas estrelas e galáxias estão se afastando de nós em alta velocidade e sua luz chega até nós deslocada para comprimentos de onda mais longos, ou seja, em direção à área do espectro eletromagnético correspondente à luz vermelha.

O desvio para o vermelho à luz de estrelas e galáxias distantes é uma das primeiras evidências observacionais de que o universo atual está se expandindo. E não só isso, o desvio para o vermelho observado no Universo também indica que quanto mais longe uma galáxia está, mais rápido ela se afasta de nós, o que é consistente com a teoria inflacionária do Universo .

No caso do deslocamento das ondas eletromagnéticas no vácuo, o efeito Doppler é apenas uma consequência do deslocamento relativo entre a fonte e o observador. No caso de ondas que necessariamente precisam de um meio para se mover, como as ondas mecânicas que compõem o som, as características e o movimento do meio também podem afetar o efeito Doppler.

Fórmulas

Suponha que um observador em repouso e uma fonte emita ondas com uma determinada frequência f 0 . A velocidade de propagação da onda é independente do deslocamento da fonte, e a velocidade do observador é zero. Então, a frequência observada em um determinado momento é descrita pela seguinte fórmula:

Onde:

  • f é a frequência observada ef 0 a frequência real da onda emitida pela fonte
  • c é a velocidade de propagação da onda
  • v s é a velocidade de movimento do emissor

Se o observador estiver em movimento e a fonte estiver em repouso, a fórmula anterior seria a seguinte:

Onde v r seria a velocidade de movimento do observador ou receptor.

Ambos os casos, bem como o caso da fonte e do receptor em movimento, responderiam a esta fórmula geral:

Aplicações e implicações do efeito Doppler

O efeito Doppler tem importantes aplicações e implicações em diferentes campos da ciência e da tecnologia. Alguns dos mais proeminentes, para citar alguns, são os radares e sonares, o estudo do Universo, a comunicação entre satélites ou aplicações médicas .

Em radares e sonares, o efeito Doppler permite medir a velocidade de movimento dos objetos . Essa é a base, por exemplo, dos radares de trânsito que controlam a velocidade de movimento dos veículos. O radar emite ondas continuamente em uma determinada frequência; a mudança na frequência das ondas refletidas pelos veículos em movimento é o que nos permite calcular sua velocidade graças à sua relação com o efeito Doppler.

Na astrofísica, o efeito Doppler na luz emitida por estrelas e galáxias permite calcular inúmeros dados sobre sua distância, movimento e velocidade com que se afastam ou se aproximam do Sistema Solar. Esses dados sobre objetos distantes também permitiram estimar a velocidade de expansão do Universo .

No campo da medicina, diversas técnicas de diagnóstico por imagem contam com o efeito Doppler para seus cálculos e representação de uma imagem do interior do corpo. Todas essas técnicas são classificadas como ultrassonografia Doppler . Entre eles, um dos mais comuns são os ecocardiogramas.

As ondas de ultrassom são direcionadas ao coração e o eco recebido é medido. Descontando o efeito Doppler, essa técnica permite medir com bastante precisão a velocidade do fluxo sanguíneo entre os diferentes compartimentos cardíacos e o funcionamento de suas válvulas. Os monitores Doppler fetais detectam os batimentos cardíacos dos fetos usando uma técnica semelhante.