المناهج

تأثير دوبلر في دراسة الفلك

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) .

أنواع 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 الرادار :

  • 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 الأرصاد

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 الأحوال 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 .

رادار الأرصاد

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 أخرى لتأثير دوبلر

  • صفارات الإنذار .
  • علم الفلك .
  • الرادارات .
  • التصوير الطبي وتدفق الدم .
  • الاتصالات .
  • الصوت .
  • قياس الاهتزازات .
السابق
انكار نظرية الجراثيم
التالي
نظرية الهوية الثقافية