أمثلة عملية توّضح مفهوم ظاهرة “أثر دوبلر”

498 2 دقائق

2011 تجارب علمية الصوت والسمع

كريس و ودفورد

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

عندما تنطلق عربة الإسعاف مسرعة تجوب شوارع المدينة، يتغير صوت صفارتها عند مرورها من جانبك.

ستكتشف أن درجة صوت صفارة الإنذار ينخفض عند ابتعاد عربة الإسعاف منك. يُطلق على هذه الظاهرة "أثر دوبلر"، وتستطيع أن تتعرف إلى المزيد حول ذلك الأثر في هذا النشاط.

عندما تمر بك سيارة إسعاف أو إطفاء مسرعة سيبدو لك أن درجة صوت صفارتها قد انخفض إلى درجة ملحوظة.

ستشعر كما لو أن سائقها قد ضغط مفتاحاً ما وأخفض درجة صوت صفارة إنذاره. تسمى هذه الظاهرة "أثر دوبلر" (أو انزياح دوبلر)، أما سبب هذا فيكمن في الطريقة التي تؤثر من خلالها سرعة السيارة في الموجات الصوتية المنبعثة من صفارة الإنذار.

تخيّل أنك موجة صوت واقفة على حافة صفارة الإنذار تتأهب للقفز في الهواء. لديك تردد محدد (تتابع موجات الصوت الواحدة تلو الأخرى).

ستنطلق الموجات عبر الهواء بسرعة 1128 قدماً في الثانية (344 متراً في الثانية) وهي سرعة الصوت في الهواء، باتجاه أي إنسان في وضع إصغاء.

ستطلق صفارة الإنذار ثم تصل في نهاية الأمر إلى أذني المستمع، وكلما ارتفع تردد صوت الصفارة بدت درجة الصوت عالية للسامع.

افترض أن شخصاً يستمع إلى عربة الإطفاء من مسافة تبعد قليلاً عن العربة (الشخص A في الرسم). تنطلق الموجات الصوتية للصفارة من العربة بسرعة 1128 قدماً في الثانية (344 م/ث)، لكن العربة تسير أيضاً بسرعة محددة، ولنقل إنها 60 ميلاً في الساعة (100 قدماً في الثانية أو 30 م/ث).

وهذا يعني أن سرعة الموجة الصوتية في الهواء هي سرعة الصوت مضافاً إليها سرعة عربة الإطفاء أو 1128 + 100 = 1228 قدماً في الثانية (375 م/ث).

إذا انتقلت الموجات الصوتية نحو المستمع على نحوٍ أسرع فستبدو أنها تصل بتردد أكبر، أي إن درجة الصوت ستكون أكثر ارتفاعاً. ولصفارة الإنذار عادة تردد ودرجة صوتية محددة.

يقاس التردد بوحدة تسمى هرتز (Hz). لِنَقُل إن تردد صفارة الإنذار هو 1000 هرتز. إذا كانت العربة تسير بسرعة 60 ميلاً في الساعة (30 م/ث)، فإن هذه السرعة الإضافية ستجعل تردد صوت صفارة الإنذار يبدو كما لو كان 1100 هرتز.

وتكون الحالة معكوسة بالنسبة لشخص يقف وراء العربة (العربة تتحرك بعيداً عنه) وهو يستمع إلى صفارتها (الشخص C في الرسم).

إن موجة الصوت المنطلقة باتجاه الخلف نحو المستمع ستنخفض قليلاً بسبب سرعة العربة، وبالتالي فإن السرعة الحقيقية للموجة الصوتية هي سرعة الصوت مطروحاً منها سرعة العربة: 1128 – 100 = 1028 قدماً في الثانية (314 م/ث).

تنتقل الموجات الصوتية بصورة أبطأ نحو المستمع الواقف خلف العربة، لذلك فإن تلك الموجات ستصله بتردد أقل.

وبالتالي بدرجة صوتية أقل. سيصل تردد صفارة الإنذار الذي يبلغ 1000 هرتز إلى أذن المستمع الواقف خلف العربة كما لو كان 920 هرتز.

ولو وُجد شخص ثالث (الشخص B في الرسم) بين الشخصين المستمعين وهو يستمع إلى صوت الصفارة أثناء مرور العربة، سيلاحظ أن تردد صوت الصفارة قد تحوّل بصورة مفاجئة من 1100 هرتز إلى 920 هرتز، وهو هبوط كبير في درجة الصوت.

وبالطبع، يظهر هذا التغير في درجة الصوت الصادر من صفارة الإنذار بسبب المكان الذي يقف فيه المستمعون الثلاثة؛ لكنه لا يتغير في واقع الأمر، لو كنت رجل إطفاء جالساً داخل العربة (الشخص D)، لن تشعر بأي تبدل في درجة الموجة الصوتية التي تصدر عن الصفارة.

كاميرات التقاط السرعة

تُعد أجهزة التصوير التي يُزوّد بها أفراد شرطة المرور أفضل مثال معروف حول أثر دوبلر، فعندما يقوم شرطي المرور الذي يقف إلى جانب الطريق بتوجيه جهاز الرادار المحمول باتجاه إحدى السيارات المسرعة، يستخدم جهاز حاسوبي صغير داخل الجهاز أثر دوبلر لحساب سرعة السيارات المنطلقة.