Anda mungkin telah memperhatikan bahwa nada gelombang suara berubah jika dihasilkan oleh sumber yang bergerak, apakah mendekati Anda atau menjauh dari Anda.
Misalnya, bayangkan berdiri di trotoar dan mendengar sirene dari kendaraan darurat mendekat dan melewatinya. Frekuensi, atau nada sirene saat kendaraan mendekat, lebih tinggi hingga bergerak melewati Anda, di mana ia menjadi lebih rendah. Alasan untuk ini adalah sesuatu yang disebut efek Doppler.
Apa itu Efek Doppler?
Efek Doppler, dinamai untuk matematikawan Austria Christian Doppler, adalah perubahan frekuensi suara (atau frekuensi gelombang apa pun, untuk hal itu) disebabkan karena sumber yang memancarkan suara (atau pengamat) bergerak dalam waktu antara pancaran setiap gelombang yang berurutan. depan.
Hal ini mengakibatkan peningkatan jarak puncak gelombang jika bergerak menjauh, atau penurunan jarak puncak gelombang jika sumber suara bergerak menuju pengamat.
Perhatikan bahwa kecepatan suara di udara TIDAK berubah sebagai akibat dari gerakan ini. Hanya panjang gelombang, dan karenanya frekuensi, yang melakukannya. (Ingat bahwa panjang gelombang
λ, frekuensifdan kecepatan gelombangvterkait melaluiv = f.)Sumber Suara Mendekati
Bayangkan sebuah sumber memancarkan suara frekuensifsumberbergerak menuju pengamat yang diam dengan kecepatanvsumber. Jika panjang gelombang awal bunyi adalahλsumber, panjang gelombang yang terdeteksi oleh pengamat haruslah panjang gelombang aslinyaλsumberdikurangi seberapa jauh sumber bergerak selama waktu yang diperlukan untuk memancarkan satu panjang gelombang penuh, atau seberapa jauh ia bergerak dalam satu periode, atau 1/fsumberdetik:
\lambda_{pengamat} = \lambda_{sumber} - \frac{v_{sumber}}{f_{sumber}}
Menulis ulangλsumberdalam hal kecepatan suara,vsuaradanfsumberAnda mendapatkan:
\lambda_{pengamat} = \frac{v_{suara}}{f_{sumber}} - \frac{v_{sumber}}{f_{sumber}}=\frac{v_{suara} - v_{sumber}}{ f_{sumber}}
Menggunakan fakta bahwa kecepatan gelombang adalah produk dari panjang gelombang dan frekuensi, Anda dapat menentukan frekuensi apa yang dideteksi oleh pengamat,fpengamat, dalam hal kecepatan suaravsuara, kecepatan sumber, dan frekuensi yang dipancarkan oleh sumber.
f_{pengamat} = \frac{v_{suara}}{\lambda_{sumber}} = \frac{v_{suara}}{v_{suara} - v_{sumber}}f_{sumber}
Ini menjelaskan mengapa suara tampaknya memiliki nada lebih tinggi (frekuensi lebih tinggi) ketika sebuah objek mendekati Anda.
Sumber Suara surut
Bayangkan sebuah sumber memancarkan suara frekuensifsumberbergerak menjauhi pengamat dengan kecepatanvsumber. Jika panjang gelombang awal bunyi adalahλsumber, panjang gelombang yang terdeteksi oleh pengamat haruslah panjang gelombang aslinyaλsumberditambah seberapa jauh sumber bergerak selama waktu yang diperlukan untuk memancarkan satu panjang gelombang penuh, atau seberapa jauh ia bergerak dalam satu periode, atau 1/fsumberdetik:
\lambda_{pengamat} = \lambda_{sumber} + \frac{v_{sumber}}{f_{sumber}}
Menulis ulangλsumberdalam hal kecepatan suara,vsuaradanfsumberAnda mendapatkan:
\lambda_{pengamat} = \frac{v_{suara}}{f_{sumber}} + \frac{v_{sumber}}{f_{sumber}} = \frac{v_{suara} + v_{sumber}}{ f_{sumber}}
Menggunakan fakta bahwa kecepatan gelombang adalah produk dari panjang gelombang dan frekuensi, Anda dapat menentukan frekuensi apa yang dideteksi oleh pengamat,fpengamat, dalam hal kecepatan suaravsuara, kecepatan sumber, dan frekuensi yang dipancarkan oleh sumber.
f_{pengamat} = \frac{v_{suara}}{\lambda_{sumber}} = \frac{v_{suara}}{v_{suara} + v_{sumber}}f_{sumber}
Ini menjelaskan mengapa suara tampaknya memiliki nada yang lebih rendah (frekuensi lebih rendah) ketika objek bergerak sedang surut.
Gerakan relatif
Jika sumber dan pengamat bergerak, maka frekuensi yang diamati bergantung pada kecepatan relatif antara sumber dan pengamat. Persamaan untuk frekuensi yang diamati kemudian menjadi:
f_{pengamat} = \frac{v_{suara} ± v_{pengamat}}{v_{suara} v_{sumber}}f_{sumber}
Rambu atas digunakan untuk bergerak menuju, dan rambu bawah digunakan untuk bergerak menjauh.
Dentuman sonik
Saat jet berkecepatan tinggi mendekati kecepatan suara, gelombang suara di depannya mulai "menumpuk" saat puncak gelombangnya menjadi semakin dekat. Ini menciptakan resistensi yang sangat besar saat pesawat berusaha mencapai dan melampaui kecepatan suara.
Begitu pesawat menembus dan melampaui kecepatan suara, gelombang kejut tercipta dan ledakan sonik yang sangat keras terjadi.
Saat jet terus terbang lebih cepat dari kecepatan suara, semua suara yang terkait dengan penerbangannya tertinggal di belakangnya saat melonjak.
Pergeseran Doppler untuk Gelombang Elektromagnetik
Pergeseran Doppler untuk gelombang cahaya bekerja dengan cara yang hampir sama. Objek yang mendekat dikatakan menunjukkan pergeseran biru karena cahayanya akan bergeser ke arah ujung biru spektrum em, dan objek yang mundur dikatakan menunjukkan pergeseran merah.
Anda dapat menentukan hal-hal seperti kecepatan benda-benda di ruang angkasa dan bahkan perluasan alam semesta dari efek ini.
Contoh untuk Dipelajari
Contoh 1:Sebuah mobil polisi mendekati Anda dengan sirene meraung dengan kecepatan 70 mph. Bagaimana frekuensi sirene yang sebenarnya dibandingkan dengan frekuensi yang Anda rasakan? (Asumsikan kecepatan suara di udara adalah 343 m/s)
Pertama, ubah 70 mph menjadi m/s dan dapatkan 31,3 m/s.
Frekuensi yang dialami pengamat adalah:
f_{pengamat} = \frac{343\text{ m/s}}{343\text{ m/s} - 31.3\text{ m/s}}f_{sumber} = 1.1f_{sumber}
Karenanya Anda mendengar frekuensi yang 1,1 kali lebih besar (atau 10 persen lebih tinggi) daripada frekuensi sumber.
Contoh 2:Cahaya kuning 570 nm dari sebuah benda di luar angkasa digeser merah sejauh 3 nm. Seberapa cepat benda ini surut?
Di sini Anda dapat menggunakan persamaan pergeseran Doppler yang sama, tetapi sebagai gantivsuara, Anda akan menggunakanc, kecepatan cahaya. Menulis ulang persamaan panjang gelombang yang diamati untuk cahaya, Anda mendapatkan:
\lambda_{pengamat} = \frac{c + v_{sumber}}{f_{sumber}}
Menggunakan fakta bahwafsumber = c/sumber, dan kemudian menyelesaikan untukvsumber, Anda mendapatkan:
\begin{aligned} &\lambda_{pengamat} = \frac{c + v_{sumber}}{c}\lambda_{sumber}\\ &\implies v_{sumber} = \frac{\lambda_{pengamat} - \ lambda_{source}}{\lambda_{source}}c \end{selaras}
Akhirnya, memasukkan nilai, Anda mendapatkan jawabannya:
v_{sumber} = \frac{3}{570}3\times 10^8\text{ m/s} = 1,58\times 10^6\text{ m/s}
Perhatikan bahwa ini sangat cepat (sekitar 3,5 juta mil per jam) dan meskipun pergeseran Doppler disebut pergeseran "merah", cahaya yang bergeser ini akan tetap tampak kuning di mata Anda. Istilah "pergeseran merah" dan "perubahan biru" tidak berarti cahaya telah menjadi merah atau biru, tetapi hanya bergeser ke ujung spektrum itu.
Aplikasi lain dari Efek Doppler
Efek Doppler digunakan dalam banyak aplikasi dunia nyata yang berbeda oleh para ilmuwan, dokter, militer, dan banyak orang lainnya. Tidak hanya itu, beberapa hewan diketahui menggunakan efek ini untuk "melihat" dengan memantulkan gelombang suara dari objek yang bergerak dan mendengarkan perubahan nada gema.
Dalam astronomi, efek Doppler digunakan untuk menentukan laju rotasi galaksi spiral dan kecepatan penyusutan galaksi.
Polisi memanfaatkan efek Doppler dengan senjata radar pendeteksi kecepatan. Ahli meteorologi menggunakannya untuk melacak badai. Ekokardiogram Doppler yang digunakan oleh dokter menggunakan gelombang suara untuk menghasilkan gambar jantung dan menentukan aliran darah. Militer bahkan menggunakan efek Doppler untuk menentukan kecepatan kapal selam.