Im Jahr 1875 passierte etwas Seltsames auf der Köln-Mindener Eisenbahn. Immer wieder summte die Lokomotive an einer Gruppe ernsthafter deutscher Bürger vorbei, die auf dem Bahnsteig standen. Unter den Beobachtern dieses Experiments war ein erfahrener Musiker - der Kapellmeister des örtlichen Orchesters, Baron von Kaulbars, der auf seiner Geige die Änderung des Tons des Lokomotivpfiffs am genauesten wiederholte, wenn sich die Lokomotive dem Bahnsteig näherte oder sich von ihm entfernte.
So wurde Physik früher gemacht: Es war ein experimenteller Nachweis eines der interessantesten physikalischen Phänomene - des Doppler-Effekts.
Die Essenz des Effekts ist sehr einfach. Wenn Sie einen Ton hören, hängt seine Frequenz von der Bewegung der Quelle dieses Tons ab. Bewegt sich die Quelle auf den Empfänger zu, nimmt die Frequenz zu, bewegt sie sich weg, nimmt die Frequenz des Schalls ab. Wir alle haben das mehr als einmal gehört, wenn ein summender Zug oder ein Krankenwagen an uns vorbeigesaust ist.
In der Praxis lässt sich mit diesem einfachen Effekt messen, was nicht direkt messbar ist: die Expansionsgeschwindigkeit von Galaxien, ein Düsenflugzeug oder Blut, das durch die dünnsten Blutgefäße fließt. Mit seiner Hilfe ist es möglich, die Temperatur des Plasmas oder die Bewegungsgeschwindigkeit von Atomen zu bestimmen.
Es lohnt sich also, den Doppler-Effekt genauer kennenzulernen. Und gleichzeitig - die Einheit der physischen Welt zu spüren, in der die gleichen Gesetze sowohl Atome als auch Galaxien beherrschen.
Fang das Ausreißergeräusch ein
1842 verkündete der österreichische Physiker Christian Doppler die Entdeckung des später nach ihm benannten Effekts. Die Wirkungsweise des Effekts ist sehr einfach zu erklären.
Stell dir vor, du schießt auf ein Ziel und feuerst Kugeln mit konstanter Geschwindigkeit ab. Sagen wir 60 Kugeln pro Minute. Wenn Sie still stehen, treffen die Kugeln mit der gleichen Häufigkeit auf das Ziel. Wenn Sie sich mit hoher Geschwindigkeit auf das Ziel zubewegen, summiert sich diese Geschwindigkeit zur Geschwindigkeit der Kugeln, und sie erreichen das Ziel schneller und treffen es immer häufiger. Wenn Sie sich vom Ziel entfernen, treffen die Kugeln seltener das Ziel.
Ein ähnlicher Effekt wird beobachtet, wenn die Quelle von „Kugeln“(z. B. Schall) stationär ist und der Empfänger sich ihr nähert oder sich von ihr entfernt. Es ist klar, dass die Frequenzänderung von der Geschwindigkeit der Quelle abhängt. Wenn er sich mit der Geschwindigkeit der „Kugel“auf das „Ziel“zubewegt, verdoppelt sich die Häufigkeit, mit der die „Kugeln“getroffen werden. Und wenn sich die Quelle der "Kugeln" mit der gleichen Geschwindigkeit vom "Ziel" entfernt, erreichen die "Kugeln" sie überhaupt nicht.
Es ist sehr interessant, alte Physiklehrbücher zu lesen, in denen die Autoren versuchen, dem Leser das Gefühl eines wissenschaftlichen Experiments zu vermitteln. Im zweiten Band des „Kurses für Physik“des berühmten Wissenschaftlers Orest Khvolson (das Lehrbuch war vor hundert Jahren sehr beliebt) lesen wir auf Seite 90, dass die ersten Tests des Doppler-Effekts in England gemacht wurden (wie berichtet von die Nachrichten der British Physical Society für 1849). Als die Lokomotive den Beobachter passierte, trompetete der Musiker und hielt einen konstanten Ton, und der Beobachter bemerkte eine Zunahme der Frequenz des Tons, wenn sich der Zug näherte, und eine Abnahme - wenn er entfernt wurde.
Eine genauere Studie wurde von deutschen Physikern durchgeführt - wir haben unseren Artikel damit begonnen. An der Stelle, an der die Geigensaite eingespannt war, wurde festgestellt, wie stark sich der Ton der Schwingungen geändert hatte. Wie Sie wissen, beträgt die Schallgeschwindigkeit 330 m/s. Der Zug fuhr mit einer Geschwindigkeit von 20 m/s. So wurde nicht umsonst ein bekannter Musiker mit sehr feinem Gehör zum Experiment eingeladen: Er musste eine Frequenzänderung von nur 12 % aufnehmen. Der Doppler-Effekt hat sich zum Beispiel als absolut unverzichtbares Werkzeug in der Erforschung des Weltraums herausgestellt.
1952 wurden sternähnliche Objekte entdeckt, deren Emissionsspektren nicht dem Emissionsspektrum von Atomen irgendwelcher terrestrischer Substanzen ähnlich waren. Sie wurden Quasare genannt (engl. quasar, kurz für quasistellar radiosource – eine quasi-stellare Quelle von Radioemission).
Der amerikanische Astronom Martin Schmidt vermutete als erster, dass die Spektrallinien von Quasaren die üblichen Strahlungsspektren von Wasserstoff und anderen Elementen sind, nur rotverschoben aufgrund des Doppler-Effekts. Es stellte sich heraus, dass sich Quasare mit Geschwindigkeiten von der Erde entfernen, die zuvor für Himmelskörper unbekannt waren - Zehntausende von km/s. Die Erklärung war, dass, da sich unser Universum gemäß Hubbles Gesetz mit einer zur Entfernung proportionalen Rezessionsrate ausdehnt, klar wurde, dass Quasare die Objekte sind, die am weitesten von unserer Galaxie entfernt sind.
Mit Hilfe des Doppler-Effekts wird heute sogar die Anwesenheit von Planeten um die Sterne bestimmt, die mit keinem modernen Teleskop zu sehen sind. Durch Messung der Emissionsspektren einiger Sterne bemerkten Astronomen, dass sie scheinbar hin und her oszillieren, und kamen zu dem Schluss, dass ein Planet, der ihn umkreist, einen Stern zu einer solchen Bewegung zwingen kann.
Dienst in der Verkehrspolizei, Luftverteidigung und im hydrometeorologischen Zentrum
Mit Hilfe des Doppler-Effekts, auf dem der Betrieb aller Radargeräte beruht, fangen die Inspektoren der Verkehrspolizei heute Verkehrssünder.
Das Funktionsprinzip des Radars (von engl. Radar - Radio Detecting and Ranging - "Ortung und Bestimmung der Entfernung per Funk") ist einfach: Die von ihm ausgesandte elektromagnetische Welle wird von metallischen Gegenständen reflektiert. Bewegt sich ein Objekt auf das Radar zu oder von ihm weg, ändert sich die Frequenz der reflektierten Welle proportional zur Geschwindigkeit. Es bleibt, die Differenz zu messen und die Geschwindigkeit zu berechnen. Und wenn man die Geschwindigkeit kennt, ist es einfach, die weitere Bewegung des Ziels vorherzusagen.
Leistungsstarke Radarstationen (RLS) "Redut", die vor dem Großen Vaterländischen Krieg in der sowjetischen Armee auftauchten, entdeckten feindliche Flugzeuge in einer Entfernung von bis zu 100 km. Erfahrene Betreiber könnten sogar den Flugzeugtyp bestimmen. Die Truppen standen jedoch vor dem Problem, Informationen von der Radarkonsole zum Flugplatz zu übertragen, auf dem Abfangflugzeuge stationiert waren. Als der Bediener das Ziel auf dem Bildschirm bemerkte, verschlüsselte er die Daten und übermittelte sie an das Hauptquartier der Luftverteidigung. Dort wurden sie entschlüsselt und mit den Daten anderer Ortungsgeräte verglichen. Und erst danach ging die Nachricht über die Annäherung feindlicher Flugzeuge an die Jagdstaffeln. Während dieser Zeit konnten feindliche Flugzeuge mehrere Kilometer zurücklegen.
Die eigentliche Methode, die Entfernung zu Flugzeugen mit Hilfe von Funkwellen zu bestimmen, stammt ursprünglich aus England. Die Installation wurde Radar genannt, und der Begriff "Radar" wurde in den Vereinigten Staaten geboren. Laut der offiziellen amerikanischen Geschichte des Radars herrschte jedoch Anfang der 1930er Jahre, als die Experimente in der Sowjetunion bereits in vollem Gange waren, im Westen Stille, obwohl zu diesem Zeitpunkt mehr als 30 Jahre seit der Entdeckung des Radios vergangen waren Wellenreflexionseffekt.
Entdeckt wurde es 1897 von dem russischen Wissenschaftler Alexander Popov, als er in Kronstadt Experimente zur drahtlosen Kommunikation durchführte. Dann befand sich der Kreuzerleutnant Ilyin zwischen den Schiffen "Afrika" und "Europe", die in Kontakt standen, und der Funkverkehr wurde unterbrochen. Popov erkannte, dass hochfrequente Funkwellen von Hindernissen abprallen können. Dieser Effekt bildete die Grundlage für Radar und Peilung.
Um dieses Phänomen zu bestätigen, wurden mehrere Jahre lang spezielle Experimente des deutschen Ingenieurs Hüls-Meyer durchgeführt, der 1904 ein Patent für "ein Verfahren zur Signalisierung von entfernten Objekten unter Verwendung elektromagnetischer Wellen" erhielt. Die Nutzung der Ergebnisse der Studie wurde dadurch erschwert, dass nur ein kleiner Teil der Wellen – teilweise absorbiert, teilweise gestreut – das Ortungsobjekt traf und weniger als ein Milliardstel der Funkwellen beim Empfänger ankam.
Das Problem wurde von sowjetischen Spezialisten unter der Leitung des Akademikers Abram Yoffe gelöst, der die am wenigsten effektiven Dezimeter- und Zentimeterwellen zurückwies und feststellte, dass Millimeterwellen am besten für die Funkortung von Flugzeugen bei Nacht, bei schlechter Sicht und in der Nacht geeignet sind hohe Höhen. Sie berichteten 1934 auf einer Sondersitzung der Akademie der Wissenschaften der UdSSR über die Ergebnisse der Studie, und dieses Jahr gilt als Geburtsstunde des russischen Radars. Heute werden mit Hilfe spezieller Radargeräte nicht nur die Geschwindigkeiten von Flugzeugen, sondern auch Meeresströmungen und Winde über der Erdoberfläche bestimmt.
Die „Pistole“der Verkehrspolizisten, mit deren Hilfe sie heute vor allem „Strafen“an Liebhaber des schnellen Fahrens fällen, heißt „Barrier“, zeigt aber nur die Geschwindigkeit des Autos an. Ein moderneres Modell ist die "Owl", ein völlig neues Gerät, teuer und komplex. Ein Personal Computer verlässt sich darauf, und Sie können mit der Eule nicht streiten: Das Bild des Autos friert auf seinem Monitor ein, seine Nummer, Uhrzeit, Datum und Geschwindigkeit sind sichtbar. Es gibt auch exotischere Geräte wie das LISD-Laserradar, das wie ein gewöhnliches Fernglas aussieht. Um die Geschwindigkeit des Autos zu messen, richten Sie einfach das Fadenkreuz des Geräts darauf. Der Laserstrahl ist schmal und es ist unmöglich, einen Fehler zu machen. Auf wen er zeigte - er maß es. Aber man kann mit LISD argumentieren, denn wenn mehrere Autos unterwegs sind, ist es schwierig zu beweisen, welches unter der Waffe war: Ein Fernglas kann seine Nummer nicht aufzeichnen.
Radarspezialitäten
Das Radar wird aber nicht nur von Verkehrskontrolleuren, sondern auch von Autofahrern genutzt. Insbesondere um beim Rückwärtsfahren nicht mit kleinen Kindern oder Haustieren zusammenzustoßen, bringen sie eine spezielle Vorrichtung am Nummernschild oder an der Stoßstange ihres Autos an. Damit kann der Fahrer Stellen im toten Bereich hinter dem Auto „sehen“.
Beim Rückwärtsfahren sendet der Doppler-betriebene Guardian Alert Daten an die Lenksäulen-Fernbedienung, und wenn sich in wenigen Metern Entfernung ein Hindernis im Weg des Autos befindet, gibt die Fernbedienung einen scharfen Ton ab und sch altet sich ein eine blinkende farbige Lampe. Bewegt sich der Fahrer weiter, wird das Tonsignal verstärkt und die ursprüngliche grüne Farbe der Glühlampe ändert sich in rot. Bei einer Entfernung von einem Meter hört die Lampe auf zu blinken und bleibt an, und der Ton verwandelt sich in einen Alarm. Das Radar reagiert auf beliebige Objekte, Menschen und Tiere. Laut den Herstellern der Neuheit, Sense Technologies, hat das Radar keine Angst vor Regen, Schlamm, Schnee und niedrigen Temperaturen.
Der Doppler-Effekt hilft auch Ärzten, die wissen müssen, wie schnell das Blut durch die Venen des Patienten fließt. Beispielsweise kann der Fötus während der Schwangerschaft unter einer unzureichenden Blutversorgung leiden. Wie kann man verstehen, dass das ungeborene Kind nicht genug Blut hat? Senden Sie dazu ein Ultraschallsignal an den Ort der Anhaftung des Fötus an die Mutter. Der Ultraschall prallt von den Blutkörperchen ab, kehrt zum Empfänger zurück und „sagt“den Ärzten, wie schnell das Blut fließt.
Mit Hilfe der Dopplerometrie ist es möglich, den Blutfluss in verschiedenen Gefäßen zu messen. Zur Untersuchung von Gefäßen in einer Tiefe von 0,5 bis 2,5 cm wird eine Strahlungsfrequenz von 8 MHz verwendet. Zur Untersuchung von Gefäßen in einer Tiefe von 1,0 bis 4,5 cm - Frequenz 4 MHz. Um intrakranielle Gefäße in einer Tiefe von 1,5 bis 10 cm zu untersuchen, wird eine Frequenz von 2 MHz benötigt.
Das gleiche Prinzip ermöglicht die Messung des Wasserdurchflusses in K alt- und Warmwasserversorgungsnetzen sowie in der Kanalisation mit dem Ultraschall-Durchflussmesser Dnepr-7.
Aufklemm-Ultraschallwandler, die außen an einem Rohr montiert sind, geben ein hochfrequentes Schallsignal ab, das durch die Rohrwand in den Flüssigkeitsstrom geleitet wird. Schallimpulse werden von Gasblasen und festen Mikropartikeln in der Flüssigkeit reflektiert, und da sich die Flüssigkeit bewegt, ändert sich die Frequenz des reflektierten Signals. Durch die ständige Messung der Frequenzverschiebung bestimmt der Durchflussmesser genau die Durchflussrate, und die bekannte Fläche des Rohrleitungsabschnitts bestimmt den Volumenstrom und die Flüssigkeitsmenge. Dieser Durchflussmesser ist tragbar und kann an Rohrleitungen mit verschiedenen Durchmessern verwendet werden.
