تاثير دوبلر في دراسة الفلك

يمكن تعريف تأثير دوبلر في الفيزياء على أنه “تغير في تردد الموجات الصوتية أو الضوئية عندما يتحرك المصدر والمستقبل 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 تاثير 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 .

قام دوبلر بتأجير مجموعة من الموسيقيين ووضعهم على حافلة قطار، ثم بدأ في تطبيق ما تعلمه عن سلوك الموجات أثناء مرور قاطرة القطار قريباً منه وبجانبه وبعيداً عنه، ليتوصل في النهاية إلى 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 تجريبيا 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 تأثيرا ظاهريا في الصوت (الأمواج الصوتية) والضوء (الموجات الكهرومغناطيسية) .

انواع تأثير دوبلر

متماثل

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

غير متماثل

يشير هذا إلى أن التغيير في التردد يختلف عندما يتحرك مصدر الصوت باتجاه مستقر أو يبتعد عنه، أو عندما يتحرك المتلقي بنفس السرعة باتجاه المصدر الثابت أو يبتعد عنه .

تاثير دوبلر في الفلك

لعب تأثير دوبلر دورا مهما في علم الفلك، حيث ساهم في تفسير العديد من المجريات والظواهر المتعلقة بالمسافات بين النجوم والمجرات، وكذلك في الأمور المتعلقة بالموجات الضوئية الصادرة عنها .

أدى تأثير دوبلر إلى فهم السرعة النسبية للنجوم التي تتحرك باتجاه الشمس أو بعيدا عنها، وتعطي دليلا على حركة الشمس في درب التبانة، وكشف العلماء عن معلومات أخرى حول حركة النجوم والغيوم الغازية في الفضاء، بالإضافة إلى اكتشاف حركات النجوم الثنائية (النجمتان التي تدوران حول وسط ثقل مشترك) من خلال أشكال ضوئهما المختلفة، وتم اكتشاف بعض النجوم الثنائية التي لا يمكن رؤيتها كنجوم منفصلة، ولكن ظهرت طبيعتها الثنائية في أطيافهما المجتمعة .

استخدم إدوين هابل تأثير دوبلر لاكتشاف أن مجراتنا المجاورة تتراجع أو تنزاح عن مجرة درب التبانة، واستنتج من ذلك أن الكون يتسع، فيما يعرف بالاتساع الكوني. وقد جعل هذا الاكتشاف من تأثير دوبلر على علم الكونيات، بينما أدت دراسة أصل وتطور الكون إلى توسيع مدى اكتشاف العلماء للكون بإضافة سرعة إلى معادلة هابل .

تطبيقات تأثير دوبلر في العديد من المجالات

رادار الشرطة

تستخدم أجهزة الرادار المحمولة التي تستخدمها الشرطة لفحص سرعة المركبات تأثير دوبلر .

طريقة عمل تاثير دوبلر في الردار :

• وقف ضابط الشرطة على جانب الطريق .
• يستقم الضابط الرادار على سيارة قادمة، ثم يرسل الجهاز موجة من موجات الراديو بتردد معين .
• تضرب الموجات السيارة وترتد باتجاه الرادار .

سيُقيّم استقبال الرادار تردد الأمواج العائدة، ويزيد تردد الموجة العائدة كلما زادت سرعة السيارة، نظرًا لأن السيارة تتجه نحو الرادار ويكون تردد الأمواج العائدة أعلى من تردد الموجات التي تم إرسالها أولاً.

تستخدم اختلاف التردد بين الإشارة المنبعثة والإشارة المنعكسة من السيارة لتحديد سرعتها، ويقوم الكمبيوتر المدمج في الرادار بحساب السرعة على الفور وعرضها على الضابط.

رادار الارصاد

يستخدم علماء الأرصاد مبدأ مشابه لقراءة أحداث الطقس، حيث يتم وضع الاستشعار الثابت في محطة الطقس ويتم دراسة الكائن المتحرك مثل العاصفة .

طريقة عمل تاثير دوبلر في الاحوال الجوية :

تنبعث موجات الراديو من محطة الأرصاد الجوية عند تردد محدد .

يتم إرسال موجات كبيرة بما يكفي للتفاعل مع السحب والأجسام الجوية الأخرى، وبعد ذلك يتم ضرب هذه الموجات لتصطدم بالأجسام وترتد نحو المحطة .

تتأثر ترددات الأمواج المنعكسة عندما تتحرك السحب أو تهطل الأمطار بعيدًا عن المحطة، حيث يتناقص التردد، وعندما تتجه السحب أو الأمطار نحو المحطة يزداد التردد المنعكس .

تعمل أجهزة الرادار في تحويل بيانات تأثير دوبلر الإلكترونية حول موجات الراديو المنعكسة إلى صور توضح سرعة واتجاه الرياح .

تختلف صور الدوبلر عن الصور الانعكاسية، حيث تعتمد الصور الانعكاسية أيضًا على الرادار ولكنها لا تستند إلى تغيرات في تردد الموجة. وتستخدم هذه البيانات لتوفير صورة عن حالة الطقس وشدتها .

رسم القلب بالدوبلر

يتم استخدام مخطط صدى القلب التقليدي لإنتاج صور للقلب باستخدام موجات صوتية، حيث يستخدم اختصاصي الأشعة محولا لنقل واستقبال الموجات الصوتية، والتي تنعكس عند الحافتين بكثافتين مختلفتين، وبالتالي تظهر حواف القلب في الصورة المولدة من مخطط صدى القلب. ومع ذلك، فإن الصورة التي تولد لا تمكن من قياس سرعة تدفق الدم عبر القلب، ولذلك يجب دمج تقنيات دوبلر لتوفير هذه المعلومات الإضافية .

في المخطط الصوتي لتصوير القلب باستخدام الدوبلر ، تنتقل الموجات الصوتية بتردد محدد إلى القلب، وترتد خلايا الدم هذه الموجات الصوتية وتتحرك عبر القلب والأوعية الدموية. تؤدي حركة هذه الخلايا ، إما نحو الأمام أو بعيدا عن الموجات المرسلة ، إلى تغير في التردد الذي يمكن قياسه، ويساعد ذلك أطباء القلب على تحديد سرعة تدفق الدم واتجاهه في القلب .

تطبيقات اخرى لتاثير دوبلر

• صفارات الإنذار .
• علم الفلك .
• الرادارات .
• التصوير الطبي وتدفق الدم .
• الاتصالات .
• الصوت .
• قياس الاهتزازات .