martedì 3 novembre 2015

L'Effetto Doppler

Ciao a tutti amanti della fisica!

 Vi siete mai chiesti com'è possibile stimare la velocità di un oggetto ascoltando solamente il suono che emette? E com'è possibile identificare il moto di una stella osservando solo le variazioni nel suo colore? In entrambi i casi sfruttiamo un effetto davvero interessante: l'Effetto Doppler. Si tratta di un fenomeno molto importante per l'osservazione del moto dei corpi celesti, ma possiamo osservarlo anche nella vita di tutti i giorni. Scopriamo allora di che si tratta...



 In linea di massima, l'Effetto Doppler si verifica ogni volta che abbiamo a che fare con delle onde. Tuttavia, il fenomeno è leggermente diverso a seconda che si considerino onde "standard" (onde sonore, ad esempio) o onde elettromagnetiche.

L'Effetto Doppler sonoro

 Sicuramente avrete già una certa familiarità con quest'effetto. Avete presente quando state camminando per strada e all'improvviso sentite un'ambulanza che si avvicina? Il suono che avvertite è più acuto di quello che avvertireste se l'ambulanza fosse ferma. Poi, non appena il veicolo vi è sfrecciato affianco, la sirena assordante vi sembrerà più grave nel momento in cui il furgone si sta allontanando da voi.

 L'Effetto Doppler è proprio questo: una variazione nella frequenza delle onde percepite, legata alla velocità del moto dell'oggetto che emette queste onde (o anche alla nostra velocità).

 Ma di fatto come funziona?
Dunque, consideriamo innnzitutto il caso più semplice, riprendendo l'esempio di prima. Sia noi che l'ambulanza siamo fermi. Ma fermi rispetto a chi? Ci siamo già imbattuti nell'importanza di scegliere un sistema di riferimento (qui e qui). In questo tipo di Effetto Doppler esiste infatti un sistema di riferimento privilegiato: quello del mezzo in cui si propagano le onde (l'aria nel nostro esempio). Nel seguito quindi ci porremo sempre in questo riferimento.

 Quando sia noi che l'ambulanza siamo fermi, percepiamo le onde sonore emesse da quest'ultima con una certa frequenza. Ma che succede quando l'ambulanza comincia a muoversi? Abbiamo già incontrato questo caso nell'articolo sull'Effetto Cherenkov. Le onde sonore prodotte dall'ambulanza saranno emesse con frequenza maggiore nella direzione del moto e con frequenza minore nella direzione opposta. Di conseguenza, noi percepiremo un suono più acuto di quello prodotto effettivamente dal veicolo se questo si sta avvicinando a noi, un suono più grave se invece si sta allontanando.

 E se invece fossimo noi a correre verso l'ambulanza?
Potrebbe essere utile immaginare che l'onda sonora sia una di quelle macchine che sparano palline da tennis. Supponiamo che sia puntato su di noi e che ci stia bombardando con 1 pallina al secondo.  

 Probabilmente cercheremmo di andare a spegnerla, ma per riuscirci dovremo muoverci verso di essa. Che succede quindi? Non appena ci mettiamo a correre veniamo investiti da un maggior numero di palline. Ad esempio, se prima eravamo picchiati da 60 colpi al minuto, non appena corriamo incontro alla macchina veniamo investiti da 70 palline al minuto! 

 Col suono accade la stessa cosa. Un'onda sonora non è molto diversa da un flusso di palline da tennis. Questa è infatti costituita da una serie di oscillazioni delle molecole d'aria che si spostano a velocità molto elevata. Ne consegue che, se noi corriamo incontro all'onda sonora emessa dall'ambulanza veniamo investiti da un maggior numero di queste oscillazioni *(che chiamiamo "fronti d'onda") ; in tal caso percepiamo un suono più acuto. Se invece ci stiamo allontanando dall'ambulanza verremo investiti da un minor numero di fronti d'onda, e quindi il suono ci sembrerà più grave.

L'Effetto Doppler luminoso

 Come ho scritto sopra, l'Effetto Doppler si verifica con tutti i tipi di onde. Non fanno eccezione quindi le onde elettromagnetiche, anche se in questo caso il fenomeno è leggermente diverso.

 Il problema con le radiazioni elettromagnetiche è che la loro velocità è uguale per tutti i sistemi di riferimento. Diversamente dal caso delle onde sonore - e di qualunque altro tipo di onda - per la radiazione elettromagnetica non esiste un sistema di riferimento privilegiato (come lo era l'aria nel caso che abbiamo analizzato prima). In effetti, come potrebbe esistere se la velocità della luce è costante per tutti gli osservatori?

 Immaginiamo allora di "correre incontro" a un raggio di luce. A differenza di quanto accadeva quando andavamo incontro all'onda sonora, la luce che ci investe per noi avrà sempre la stessa velocità. Ne consegue che non potremo mai essere investiti da più fronti d'onda di quelli emessi dalla sorgente di onde luminose **(perché ciò accada la luce dovrebbe viaggiare per noi a velocità maggiore di c, ma questo non è possibile) . L'Effetto Doppler quindi non può verificarsi secondo le stesse modalità con cui si manifesta per tutte le altre onde.

 Quello che succede però è che la frequenza dell'onda che rileviamo sarà maggiore o minore di quella emessa dalla sorgente, ma la velocità dell'onda rimarrà invariata. L'effetto complessivo quindi non è diverso da quello che si verifica nelle onde sonore, ma ora non è più dovuto a una variazione della velocità dell'onda nel nostro sistema di riferimento. A voler essere precisi, quest'effetto è causato dalla dilatazione dei tempi (se l'oggetto che emette luce è in moto rispetto a noi, la frequenza della radiazione osservata - inversamente proporzionale al periodo di un'oscillazione dell'onda elettromagnetica - sarà diversa da quella emessa).

 Quest'effetto è molto utilizzato in astronomia per ricavare la velocità degli altri corpi celesti rispetto a noi. Per far questo si sfrutta il fatto che gli elementi della Tavola Periodica sono distinguibili l'uno dall'altro mediante il loro spettro elettromagnetico. Questo significa che un oggetto caldo, composto in prevalenza da un elemento chimico, emetterà radiazione in prevalenza nelle frequenze caratteristiche dell'elemento che lo costituisce.

 Osservando le frequenze caratteristiche di emissione di una stella, ad esempio, siamo in grado di risalire alla sua composizione chimica. Il fatto è che le frequenze che rileviamo sono diverse da quelle emesse in origine dalla stella che stiamo osservando: sono tutte spostate di un certo valore. Tale scostamento è legato proprio all'Effetto Doppler, ed è quindi proporzionale alla velocità della stella in esame. Se il corpo celeste si sta avvicinando, riveleremo delle frequenze di emissione maggiori di quella originale, se invece si sta allontanando le frequenze rilevate saranno inferiori di quelle emesse.

 Parliamo quindi di scostamento verso il blu se lo spettro di emissione di una stella è spostato verso frequenze maggiori (oggetto in avvicinamento) e di scostamento verso il rosso se invece è spostato verso frequenze inferiori (oggetto in allontanamento). Questa procedura ci permette quindi di stimare la velocità rispetto a noi dell'oggetto che stiamo osservando.

Conclusioni

 Veniamo a contatto con l'Effetto Doppler quotidianamente, ogni volta che ascoltiamo qualcosa in movimento. Tuttavia, benché sia un fenomeno davvero molto semplice, può rivelarsi davvero utile nell'ambito della ricerca - che si tratti di fisica, astronomia, medicina o qualunque altra scienza. In futuro lo incontreremo spesso, per cui ho pensato che meritasse un articolo tutto per sè.
Spero che abbiate trovato l'articolo scorrevole e comprensibile,

Grazie per aver letto fin qui,

Giulio



Immagini tratte da:
www.blogdicultura.it
http://www.museoscienza.org/cimeli/galleria_mostre/carta_forbici/prod_art_suono/sito_prod_art_suono/doppler.htm
www.ilpiccoloslam.it
www.airliners.de

Nessun commento:

Posta un commento