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In der Mitte der runden Pfütze sitzt ein glücklicher Käfer. Von Zeit zu Zeit schüttelt er seine Füße, was eine Erschütterung erzeugt, die sich im Wasser ausbreitet. Wenn Erschütterungen von einem Punkt ausgehen, breiten sie sich von diesem Punkt aus in alle Richtungen aus. Da sich die Erschütterungen im gleichen Medium bewegen, bewegen sie sich auch mit der gleichen Geschwindigkeit. Im heutigen Artikel werden wir uns den Dopplereffekt genauer ansehen – ein Phänomen, das zwar leicht zu sehen, aber etwas schwieriger zu erklären ist.
Was ist der Doppler-Effekt?
1842 beobachtete der österreichische Physiker und Mathematiker Christian Doppler, dass sich die Farbe eines leuchtenden Körpers, d. h. die Frequenz der ausgesandten Strahlung, mit der relativen Bewegung des Beobachters oder der Quelle ändert. Das Doppler-Phänomen tritt immer dann auf, wenn sich die Quelle der Wellen relativ zum Beobachter bewegt. Es kann als ein Effekt beschrieben werden, der durch eine sich bewegende Quelle dieser Wellen verursacht wird, wobei es sowohl zu einer scheinbaren Frequenzverschiebung für Beobachter kommt, die sich der Quelle nähern, als auch zu einer scheinbaren Frequenzverschiebung für Beobachter, die sich von ihr entfernen. Der Haken an der Sache ist, dass dieser Effekt nicht auf eine tatsächliche Änderung der Frequenz der Quelle zurückzuführen ist, sondern nur auf unsere Erfahrung bzw. Wahrnehmung.
Das Muster, das durch das Schütteln der Beine des Helden aus der Einleitung des Artikels entsteht, würde eine Reihe von konzentrischen Kreisen darstellen. Diese Kreise würden die Ränder der Pfütze mit der gleichen Frequenz erreichen, d.h. Beobachter A, der links steht, wird die “Erschütterung”, die auf den Rand der Pfütze trifft, mit der gleichen Frequenz bemerken, die Beobachter B auf der anderen Seite beobachten kann. Die Frequenz, mit der die Erschütterung den Rand der Pfütze erreicht, ist also in Wirklichkeit die gleiche wie die Frequenz, mit der die Erschütterung erzeugt wird. Wenn das Klopfen der Füße des Käfers Interferenzen mit einer Frequenz von zwei pro Sekunde erzeugt, dann wird jeder Beobachter die Annäherung mit einer Frequenz von zwei pro Sekunde wahrnehmen.
Dopplereffekt und Bewegung - Beispiel
Nehmen wir an, dass unser Käfer eine Reise gemacht hat. Er bewegt sich direkt an der Pfütze entlang und erzeugt Erschütterungen mit der gleichen Frequenz von zwei pro Sekunde. Wenn er sich nach rechts bewegt, kommt jede nachfolgende Erschütterung von einer Position, die näher an Beobachter B (rechts) und weiter von Beobachter A (links) entfernt ist. Folglich muss jede nachfolgende Erschütterung eine kürzere Strecke zurücklegen, bevor sie Beobachter B erreicht, so dass die Erschütterung weniger Zeit benötigt, um Beobachter B zu erreichen.
Andererseits muss jede nachfolgende Erschütterung eine größere Strecke zurücklegen, bevor sie Beobachter A erreicht. Aus diesem Grund beobachtet Beobachter A eine Frequenz des Auftretens der Erschütterung, die geringer ist als die Frequenz, mit der die Erschütterung erzeugt wird.
Die Bewegung des Käfers (Wellenquelle) bewirkt, dass der Beobachter, auf den sich der Käfer zubewegt, eine Frequenz von mehr als zwei Erschütterungen pro Sekunde wahrnimmt, während der Beobachter, der sich von dem Käfer entfernt, eine Frequenz von weniger als zwei Erschütterungen pro Sekunde wahrnimmt.
Lassen wir den Käfer mal einfach in Ruhe. Um den Dopplereffekt am Beispiel einer Wasserwelle zu veranschaulichen, stellen wir uns vor, dass wir mit einem Motorboot auf dem Meer fahren. Die Wellen rollen in gleichmäßigem Tempo auf das Ufer zu. Wenn das Boot im Leerlauf treibt, werden die Wellen in diesem Tempo an uns vorbeiziehen. Richten wir es jedoch auf das offene Meer, auf die Quelle der Wellen, dann werden die Wellen mit größerer Häufigkeit an uns vorbeiziehen. Mit anderen Worten: Aus unserer Sicht wird die Wellenlänge kürzer erscheinen. Stellen Sie sich nun vor, Sie steuern das Boot zurück ans Ufer – in diesem Fall von der Wellenquelle weg, wobei jede Welle das Boot langsamer passiert. Aus unserer Perspektive erscheinen die Wellen jetzt länger! Wie auch immer wir unser Motorboot steuern, die Meereswellen haben sich nicht verändert, wohl aber unsere Wahrnehmung.
- Sirenen in Einsatzfahrzeugen. Wir alle kennen nicht nur die “wechselnde” Tonlage eines vorbeifahrenden Autos mit seiner Sirene, sondern auch dieses vielleicht am häufigsten zitierte Beispiel für den Dopplereffekt.
- Polizeiradar. Diese kleine “Pistole” sendet ein Radiowellensignal aus und empfängt das gleiche Signal, das vom Zielobjekt reflektiert wird. Wenn sich ein Objekt dem Radar nähert, ist die Frequenz der zurückkommenden Wellen höher als die der gesendeten Wellen, und wenn sich das Objekt entfernt, ist die Frequenz niedriger. Bei der Bestimmung dieser Differenz kann das Gerät die Geschwindigkeit des Objekts, von dem die Wellen reflektiert wurden, berechnen und anzeigen.
- Funkzünder (Näherungszünder). Der Annäherungszünder war ein Durchbruch in der Militärtechnologie während des Zweiten Weltkriegs, der zur Niederlage der deutschen Armee in den Ardennen beitrug. Es handelt sich um einen Funksender und -empfänger, der den Weg eines Objekts mithilfe des Dopplereffekts ermittelt. Wenn das Objekt nahe genug war, wurde der Zünder ausgelöst und die Ladung zerstörte das Ziel.
- Musik. Schall ist eine winzige Schwankung des Luftdrucks. Die früheste bekannte Anwendung des Doppler-Effekts im Bereich der Musik war der Leslie-Lautsprecher, der mit der Hammond-Orgel verbunden war. Die Orgel selbst, die immer noch gerne verwendet wird, stammt aus dem Jahr 1935, und in der digitalen Musik wird der Doppler-Effekt zur Verbesserung der Klangqualität eingesetzt – viele Plug-ins und Effekte basieren auf ihm.
- Echokardiogramm. Ein medizinisches Gerät, mit dem die Richtung und Geschwindigkeit des Blutflusses bestimmt werden kann. Hier wird der Doppler-Effekt bei Ultraschallwellen angewendet, um die Geschwindigkeit und Richtung des fließenden Blutes zu bestimmen. So wie die Geschwindigkeit eines sich bewegenden Fahrzeugs mit Hilfe von einem Radar bestimmt wird, kann ein Echokardiogramm zur Bestimmung der Geschwindigkeit einer Flüssigkeit verwendet werden, indem die Größe der Frequenzverschiebung zwischen dem gesendeten und dem empfangenen Signal gemessen wird. Darüber hinaus wird die Bewegungsrichtung bestimmt, je nachdem, ob die Dopplerverschiebung positiv oder negativ ist.
- Doppler-Durchflussmesser – ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler). Das Gerät ähnelt einem Sonar, das zur Messung der Wassergeschwindigkeit in verschiedenen Tiefen eingesetzt wird, indem es den Dopplereffekt für Schallwellen nutzt, die von Partikeln in der Wassersäule gestreut werden.
- Bewegungssensoren in der Elektronik. Kleine Doppler-Radare ermöglichen präzise Entfernungsmessungen und Bewegungserkennung. Diese Geräte nutzen den Dopplereffekt, indem sie die Frequenzen der von den RX- und TX-Antennen erzeugten und empfangenen Wellen analysieren – ähnlich wie bei den vorangegangenen Beispielen, nur die Anwendungen sind andere.
Dopplereffekt in der Astronomie
Das Verständnis des Doppler-Phänomens ist in vielen verschiedenen Bereichen der Wissenschaft nützlich – auch in der Wissenschaft von Planeten und anderen Himmelskörpern. Astronomen machen sich den Dopplereffekt zunutze, um Exoplaneten aufzuspüren, also solche außerhalb unseres Sonnensystems. Bislang wurden 442 von 473 bekannten Exoplaneten mit Hilfe des Dopplereffekts präzise entdeckt, und von dort aus ist es nur noch ein Schritt, um genauere Informationen über diese Welten zu erhalten.
Die Quelle der untersuchten Welle kann auch ein Stern sein, der elektromagnetische Wellen aussendet. Aus unserer Sicht treten Doppler-Verschiebungen auf, wenn ein Stern um seinen eigenen Massenschwerpunkt kreist und sich auf die Erde zu oder von ihr weg bewegt. Diese Wellenlängenverschiebungen sind als subtile Veränderungen in seinem Spektrum, dem “Regenbogen der Farben”, zu erkennen, der im Licht ausgestrahlt wird. Wenn sich der Stern auf uns zubewegt, werden seine Wellen komprimiert und sein Spektrum wird etwas blauer. Wenn sich der Stern von uns entfernt, wird sein Spektrum etwas röter.
Der Doppler-Effekt half sogar Der Doppler-Effekt half sogar bei der Entdeckung eines Planeten in einem System mit zwei Sonnen – Die Entdeckung erregte im Februar 2022 großes Aufsehen, ebenso wie der Planet selbst, Kepler 16-bwurde mit dem Planeten Tatooine verglichen, der die Heimat von Luke Skywalker aus dem Star Wars Universum ist. Er befindet sich etwa 245 Lichtjahre von der Erde entfernt, ist ein Gasriese und hat ungefähr die Größe Saturns.
Hätte sich Christian Doppler Mitte des 19. Jahrhunderts träumen lassen, dass seine Arbeit einen so bedeutenden Beitrag zur Erforschung des Weltraums leisten würde? In diesem Fall reichte der Flügelschlag des Schmetterlings über die Jahrhunderte bis in die astronomischen Labors und verursachte weniger einen Tornado als einen echten wissenschaftlichen Durchbruch.
