Efeito Doppler

Sheldon vestido de Efeito Doppler

Efeito Doppler é uma característica observada nas ondas quando emitidas ou refletidas por um objeto que está em movimento com relação ao observador. Foi-lhe atribuído este nome em homenagem a Johann Christian Andreas Doppler, que o descreveu teoricamente pela primeira vez em1842. A primeira comprovaçao foi obtida pelo cientista alemão Christoph B. Ballot, em 1845, numa experiência com ondas sonoras.

Em ondas eletromagnéticas, este mesmo fenômeno foi descoberto de maneira independente, em 1848, pelo francês Hippolyte Fizeau. Por este motivo, o efeito Doppler também é chamado efeito Doppler-Fizeau.

Características

Ondas emitidas por objetos estáticos se propagam em todas as direções de maneira uniforme. Seu comprimento de onda é λ=2π/β, sendo β uma constante que define o meio pelo qual a onda de propaga, chamada constante de fase. A velocidade de fase da onda é dada por Vf = λf, logo \lambda = \frac{V_f}{f}. Quando um objeto está em movimento, as ondas emitidas estão em pontos diferentes ao longo da trajetória. Isto implica que cada onda emitida está mais próxima da onda anteriormente emitida, logo seu comprimento de onda tem um valor diferente, dependendo do ponto onde se observe a onda. O comprimento de onda observado é maior ou menor conforme sua fonte se afaste ou se aproxime do observador. Se o comprimento de onda variar, a sua frequência varia também.

No caso de aproximação, a frequência aparente da onda recebida pelo observador fica maior que a frequência emitida. Ao contrário, no caso de afastamento, a frequência aparente diminui.

Um exemplo: ao atirar uma pedra em um lago, se olharmos por cima veremos que as ondas estão igualmente espaçadas. Quando uma pedra é atirada de modo a quicar na superfície da água, observamos que à frente da pedra a distância entre as ondas é menor. Se o comprimento de onda diminui, a frequência aumenta. Quando o objeto se afasta, a distância entre as ondas é maior, o que implica que a frequência é menor.

Outro exemplo típico é o caso de uma ambulância com sirene ligada que passe por um observador. Ao se aproximar, o som é mais agudo e ao se afastar, o som é mais grave. De modo análogo, ao trafegar em uma estrada, o ruído do motor de um automóvel que vem em sentido contrário apresenta-se mais agudo enquanto ele se aproxima e mais grave a partir do momento em que se afasta (após cruzar com o observador).

Para a luz, este fenómeno é observável quando a fonte e o observador se afastam ou se aproximam com grande velocidade relativa. Neste caso, o espectro da luz recebida apresenta desvio para o vermelho (quando se afastam) e desvio para o violeta (quando se aproximam).

Medida de velocidades

O efeito Doppler permite medir a velocidade de objectos através da reflexão de ondas emitidas pelo próprio equipamento de medida, que podem ser radares, baseados emradiofrequência, ou lasers, que utilizam frequências luminosas. É muito utilizado para medir a velocidade de automóveis, aviões, bolas de tênis e qualquer outro objeto que cause reflexão, como, na Mecânica dos fluidos e na Hidráulica, partículas sólidas dentro de um fluido em escoamento.

Basicamente um radar detecta a posição e velocidade de um objeto transmitindo uma onda e observando o eco. Um radar de pulso emite uma rajada (Burst) curta de energia. Depois o receptor é ligado para “escutar” o eco. O transmissor do radar pode operar melhor se uma onda for emitida continuamente, desde que haja a possibilidade de separar o sinal transmitido do eco no receptor. A potencia do eco é da ordem de 10 − 18 vezes menor que o sinal transmitido, ou até menor. O desvio de frequência resultante de objetos em movimento é conhecido como “Frequência de desvio Doppler” (FD). Se há uma distância X entre o objeto e o radar, o número total de comprimentos de onda existentes entre o sinal do radar e do objeto é dado por 2R/ λ. Já que uma onda corresponde a 2π radianos, a excursão angular entre o caminho de ida e volta do objeto é \frac{4 \pi R}{\lambda} = \phi. Para objetos em movimento a distância muda sempre, o que implica que Φ também varia. Uma mudança de Φ no tempo implica mudança de frequência. A frequência de desvio Doppler é a diferença entre a frequência da onda transmitida (Ft) e a frequência recebida no receptor (Fr): Ft = |Ft-Fr| ω = 2πFd

Algumas Aplicações
  • Em astronomia, permite a medida da velocidade relativa das estrelas e outros objetos celestes luminosos em relação à Terra. Estas medidas permitiram aos astrónomos concluir que o universo está em expansão, pois quanto maior a distância desses objetos, maior o desvio para o vermelho observado. O Efeito Doppler para ondas eletromagnéticas tem sido de grande uso em astronomia e resulta em desvio para o vermelho ou azul.
  • Na medicina, um ecocardiograma utiliza este efeito para medir a direção e velocidade do fluxo sanguíneo ou do tecido cardíaco. O ultra-som Doppler é uma forma especial do ultra-som, útil na avaliação do fluxo sanguíneo do útero e vasos fetais. Pode ser mostrado de várias formas: com som audível, com espectro de cores dentro do vaso ou na forma de gráficos que permitem a mensuração na velocidade sanguínea nos tecidos normais.
  • O efeito Doppler é de extrema importância em comunicações a partir de objetos em rápido movimento, como no caso dos satélites.
  • A Fórmula do efeito Doppler é dada por: F_o = F_f  \frac{V \pm V_o}{ V \mp V_f}
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por hansclamp Postado em Física

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