Представьте себе, что вы шофер машины «скорая помощь» и вам приходится на большой скорости ехать по заполненным машинами улицам большого города. Вы включаете сирену, которая начинает свой упрямый ровный рев, и по дороге к больнице проезжаете мимо толпы людей на тротуарах. Теперь представьте себе, что вы один из толпы на тротуаре. Вы стоите у перехода и ждете момента, когда можно будет перейти улицу. Но сначала надо пропустить мчащуюся «скорую».
Рев ее сирены слышен издалека. Но странное дело, чем ближе подъезжает автомобиль с красным крестом, тем выше становится звук сирены. Когда машина начинает удаляться, то же самое повторяется, но наоборот. По мере удаления машины звук сирены становится все ниже и ниже, пока совсем не исчезнет. При этом водитель «скорой» не замечает никаких изменений. Для него качество звука не меняется.
А вот сторонний наблюдатель слышит, как нарастает высота звука и как затем тональность по мере удаления падает. Звуковые волны распространяются в воздухе так же, как морские волны по поверхности воды.
Так что же происходит на самом деле. Кто правильно слышит? Водитель или пешеход? Меняется ли тональность звучания сирены? Правы оба. Точнее, никто не ошибается: и водитель и пешеход слышат именно то, что они и должны слышать. Разница в восприятии происходит из – за эффекта Доплера. То, что мы слышим как звук, это в действительности волны, распространяющиеся в воздухе.
Сирена заставляет колебаться молекулы воздуха. Звуковые волны распространяются в воздухе так же, как морские волны по поверхности воды. Волна — это область разрежения, которая затем становится областью сжатия. Процесс повторяется много раз в одну секунду и распространяется. Это и есть звуковая волна. Чем ближе находятся друг к другу одинаковые участки волн, тем выше звук, то есть тем больше его частота.
В нашем случае при приближении «скорой» волны звука становятся ближе друг к другу для пешехода, потому что скорости перемещения машины и звука складываются. Чем меньше расстояние между звуковыми волнами, тем выше частота и тем выше звуковой тон. При удалении машины расстояние между волнами по мере удаления становится все больше, то есть частота по степенно уменьшается и звук становится ниже. Люди, находящиеся в машине, и источник звука неподвижны относительно друг друга. Поэтому никаких изменений тональности не происходит. Чтобы стали слышны изменения тональности, слушатель и источник звука должны перемещаться относительно друг друга.
Эффект Доплера не только у звуковых волн
Возьмем для примера световые волны. Если бы на машине «скорая помощь» вместо сирены был установлен фонарь желтого цвета, то при сближении с наблюдателем спектр фонаря смещался бы в синюю сторону, а при удалении — в красную. При обычных окружающих нас явлениях скорости смещения относительно невысоки, поэтому мы не замечаем изменений спектра света. Но если бы скорость перемещения машины «скорая помощь» приближалась к скорости света или была бы сопоставима с ней, то мы заметили бы искомые изменения.
Частота — это число гребней волн, прошедших через определенную точку в течение одной секунды. Чем выше частота, тем выше тональность звука или тем более синим, становится свет. Водитель в этом случае видел бы постоянно падающий на дорогу желтый свет. Но движущаяся машина спрессовывала бы волны перед собой и наблюдатели, неподвижные во время приближения к ним источника света, видели бы смещение спектра света в высокочастотную синюю сторону. По мере удаления машины наблюдатель бы отметил возвращение цвета фонаря от синего к желтому. Постепенно этот цвет перешел бы в красный, исчезая за горизонтом.
