المناهج

تأثير دوبلر في دراسة الفلك

في الفيزياء يمكن تعريف تأثير دوبلر على أنه ” الزيادة أو النقصان في وتيرة موجات الصوت أو الضوء عندما يكون المصدر والمتلقي يتحركان باتجاه بعضهما البعض أو بعيدًا عن بعضهما البعض ” .

وتأثير دوبلر ليس بمفهوم غريب عنا ، فهو مألوف لنا في حياتنا اليومية ، فهو يفسر لنا التغير في درجة صوت السيارة السريعة الحركة أو أي مصدر صوت آخر سريع الحركة أثناء مروره بجوارنا ، فإذا كانت السيارة تقترب منا ، فستكون درجة صوت السيارة أكبر مما لو كانت السيارة ثابتة ، ومع مرور السيارة وبدأها في التحرك بعيدا ستكون درجة الصوت أقل مما لو كانت السيارة ثابتة ، وبالتالي يتضح أن التردد الظاهري المرصود سيكون مختلفًا عن التردد الذي يصدر عن المصدر .

تعريف تأثير دوبلر

يشير تأثير دوبلر إلى التغير في تردد الموجة أثناء الحركة النسبية بين مصدر الموجة ومتلقيها ، ولقد اكتشفه كريستيان يوهان دوبلر الذي وصفه بأنه عملية زيادة أو نقصان ضوء النجوم اعتمادا على الحركة النسبية للنجم ونشر فكرته في عام ١٨٤٢ ، وقد سميت باسمه لأن له الفضل الأول في تفسير هذه الظاهرة .

فقد قام دوبلر باستئجار مجموعة من الموسيقين ، وأقلهم على حافلة قطار ، وبدأ في تطبيق ما تعلمه عن سلوك الموجات خلال مرور قاطرة القطار قربا منه وبمحاذاته وبعدا عنه، ليستنتج بعد ذلك قوانين تأثير دوبلر .

ولتبسيط تأثير دوبلر نأخذ مثال الموجات الصوتية التي ستوضح هذا المفهوم فعندما يتحرك كائن له صوت كالقطار مثلا نحوك ، يزداد تردد موجات الصوت ، مما يؤدي إلى ارتفاع الصوت ، وعلى العكس إذا ابتعد فإن تردد موجات الصوت وقتها يتناقص وينخفض ، وقد كان لهذا التفسير العلمي عظيم الأثر في مختلف المجلات والتفسيرات الفيزيائية فقد اكتشف العلم إدوين هابل توسع الكون كنتيجة لتأثير دوبلر ، وهناك العديد من التطبيقات الأخرى المهمة في مجال علوم الفلك وتكنولوجيا الفضاء وكذلك العلوم الطبية والأحوال الجوية على ظاهرة دوبلر .

وعلى الرغم من أن البعض شكك في وجود هذه الظاهرة ، إلا أنه تم التحقق منها تجريبياً في عام 1845 من قبل العالم بايز بالوت من هولندا ، الذي قام بفحص التغيير في الصوت عندما مرت به قاطرة تصدر أصواتا من أبواقها ، واعتبر تأثير دوبلر تأثير ظاهري في الصوت (الأمواج الصوتية) والضوء ( الموجات الكهرومغناطيسية).

انواع تأثير دوبلر

متماثل

يشير إلى أن تأثير دوبلر يتساوى عندما يتحرك مصدر الضوء باتجاه / بعيد عن متلقي ثابت أو يتحرك المتلقي بنفس السرعة باتجاه / بعيد عن المصدر الثابت .

غير متماثل

يشير هذا إلى أن التغير الظاهر في التردد يختلف عندما يتحرك مصدر الصوت باتجاه / بعيد عن متلقي ثابت أو عندما يتحرك المتلقي بنفس السرعة باتجاه / بعيد عن المصدر الثابت.

تأثير دوبلر في الفلك

كان لتأثير دوبلر دورا مهاما في علم الفلك وتفسير العديد من المجريات والظواهر ، سواء حول المسافات بين النجوم أو المجرات أو عن الموجات الضوئية الصادرة منها .

فقد أعطى تأثير دوبلر مفهوما حول السرعة النسبية للنجوم التي تتحرك باتجاه الشمس أو بعيدًا عنها ، والتي بحركتها تعطي دليلا لحركة الشمس من خلال مجرة ​​ درب التبانة، بالإضافة إلى معلومات أخرى حول حركة النجوم وغيوم الغاز في الفضاء ، كما تمكن العلماء من اكتشاف الحركات النسبية للنجوم الثنائية (النجمتان اللتان تدوران حول مركز ثقل مشترك) في أشكال مختلفة من ضوءهما ، وفي الواقع تم اكتشاف بعض النجوم الثنائية التي لا يمكن رؤيتها كنجوم منفصلة ، ولكن طبيعتها الثنائية ظهرت في أطيافها المجتمعة .

وقد تمكن إدوين هابل من استخدام تأثير دوبلر لاكتشاف أن مجراتنا المجاورة تتراجع أو تنزاح عن مجرة درب التبانة ، ومن خلالها استنتج أن الكون يتسع ، فيما يسمى بالاتساع الكوني ، مما جعل لدوبلر آثاره على علم الكونيات ؛ كما أن دراسة أصل وتطور الكون جعلت العلماء يذهبون لأبعد من ذلك في اكتشاف المزيد من الكون عندما أدركوا أنه يمكنهم إضافة سرعة إلى معادلة هابل.

تطبيقات تأثير دوبلر في العديد من المجالات

رادار الشرطة

تعتمد أجهزة الرادار المحمولة التي تستخدمها الشرطة للتحقق من سرعة المركبات على تأثير دوبلر .

طريقة عمل تأثير دوبلر في الردار :

  • يتخذ ضابط الشرطة موقفا على جانب الطريق .
  • يصوب الضابط الرادار على مركبة تقترب ، ثم يرسل الجهاز موجة من موجات الراديو على تردد معين .
  • تضرب الموجات السيارة وترتد باتجاه الرادار .

استقبال الرادار سيقيس تردد الأمواج العائدة ، ونظرًا لأن السيارة تتجه نحو الرادار ، فإن تردد الأمواج العائدة سيكون أعلى من وتيرة الموجات التي تم إرسالها أولاً ، وكلما كانت سرعة السيارة أسرع ، كلما زاد تردد الموجة العائدة.

يتم استخدام الفرق بين التردد المنبعث والتردد المنعكس لتحديد سرعة السيارة ، ويقوم الكمبيوتر الموجود داخل الرادار بإجراء عملية الحساب فورًا ويعرض السرعة على الضابط.

رادار الارصاد

يستخدم علماء الأرصاد مبدأً مشابهاً لقراءة أحداث الطقس ، في هذه الحالة يقع المرسل الثابت في محطة الطقس ويكون الجسم المتحرك قيد الدراسة مثل العاصفة .

طريقة عمل تأثير دوبلر في الاحوال الجوية :

تنبعث موجات الراديو من محطة الطقس على تردد معين .

تكون الموجات المرسلة كبيرة بما يكفي للتفاعل مع السحب والأجسام الجوية الأخرى ، ومن ثم تضرب هذه الأمواج الأجسام وترتد نحو المحطة .

إذا كانت السحب أو هطول الأمطار تتحرك بعيدًا عن المحطة ، فإن تردد الأمواج المنعكسة يتناقص ، فإذا كانت السحب أو الأمطار تتجه نحو المحطة ، فإن تردد الأمواج المنعكس يزداد .

تقوم أجهزة الكمبيوتر في الرادار بتحويل بيانات تأثير دوبلر إلكترونيًا حول موجات الراديو المنعكسة إلى صور توضح سرعات الرياح واتجاهها .

صور دوبلر ليست هي نفس الصور الانعكاسية ، حيث تعتمد صور الانعكاسية أيضًا على الرادار ولكنها لا تستند إلى تغييرات في تردد الموجة ، وتُستخدم هذه البيانات لتكوين تصورا عن حالة الطقس وشدته .

رسم القلب بالدوبلر

يستخدم مخطط صدى القلب التقليدي موجات صوتية لإنتاج صور للقلب ، في هذا الإجراء يستخدم اختصاصي الأشعة محولاً لنقل واستقبال الموجات فوق الصوتية ، والتي تنعكس عندما تصل إلى حافتين بكثافتين مختلفتين ، حيث تُظهر الصورة الصادرة عن مخطط صدى القلب حواف القلب ، لكن الصورة الناتجة لا تستطيع قياس سرعة تدفق الدم عبر القلب ، لذا يجب دمج تقنيات دوبلر لتوفير هذه المعلومات الإضافية .

ففي مخطط رسم القلب Doppler ، تنتقل الموجات الصوتية بتردد معين إلى القلب ، هذه الموجات الصوتية ترتد خلايا الدم وتتحرك من خلال القلب والأوعية الدموية. تؤدي حركة هذه الخلايا ، إما باتجاه أو بعيدا عن الموجات المرسلة ، إلى تحول في التردد يمكن قياسه ، وهذا يساعد أطباء القلب على تحديد سرعة واتجاه تدفق الدم في القلب.

تطبيقات اخرى لتأثير دوبلر

  • صفارات الإنذار .
  • علم الفلك .
  • الرادارات .
  • التصوير الطبي وتدفق الدم .
  • الاتصالات .
  • الصوت .
  • قياس الاهتزازات.
السابق
إنكار نظرية الجراثيم
التالي
حل رياضيات 3 الفصل الثاني المصفوفات مقررات