ЭФФЕКТ ДОПЛЕРА И КАКОЙ ВКЛАД ВНЕС РУССКИЙ АСТРОФИЗИК А. А. БЕЛОПОЛЬСКИЙ

​АННОТАЦИЯ

В тексте объясняется физическая суть эффекта Доплера, его классические и релятивистские проявления, а также практическое применение в науке. Рассмотрены продольный и поперечный эффекты, их различия и экспериментальные подтверждения. Описаны исторические вехи открытия и подтверждения эффекта, а также его значение для астрофизики и теории относительности.

Эффект Доплера — это изменение частоты и длины волн, регистрируемых приёмником, вследствие движения источника и/или приёмника. Наиболее наглядно эффект проявляется при проезде машины с сиреной: при приближении тон становится выше, при удалении — ниже. Для звуковых волн учитывают движение относительно среды, для света — только относительное движение источника и приёмника. Эффект впервые описан Кристианом Доплером в 1842 году.

Релятивистский эффект Доплера объясняется как классическим изменением частоты, так и замедлением времени. При малых скоростях релятивистская формула совпадает с классической. Продольный эффект Доплера (движение вдоль линии наблюдения) используется в астрофизике для анализа движения космических тел по смещению спектральных линий. Продольный эффект Доплера был впервые обнаружен в 1900 г. в лабораторных условиях русским астрофизиком А. А. Белопольским (1854 — 1934) и повторен в 1907 г. Русским физиком Б.Б. Голицыным (1862-1919). Поперечный эффект Доплера (движение перпендикулярно линии наблюдения) — чисто релятивистское явление, подтверждённое экспериментами Айвса и Стилуэлла в 1938 году, что стало доказательством замедления времени в движущихся системах отсчёта.

Ключевые слова: эффект Доплера, релятивистский эффект, продольный эффект Доплера, Доплеровский измеритель скорости и угла сноса (ДИСС).

Одно из наиболее широко известных применений – определение скорости движения объектов при помощи датчиков скорости. Радиосигналы, посылаемые радаром, отражаются от машин и возвращаются обратно. При этом, смещение частоты, с которой сигналы возвращаются, имеет непосредственную связь со скоростью машины. Сопоставляя скорость и изменение частоты, можно вычислять скорость.

Эффект Доплера широко применяется в медицине. На нем основано действие приборов ультразвуковой диагностики. Существует отдельная методика в УЗИ, называемая доплерографией.

Эффект Доплера также используют в оптике, акустике, радиоэлектронике, астрономии, радиолокации.

Открытие эффекта Доплера сыграло важную роль в ходе становления современной физики. Одно из подтверждений теории Большого взрыва основывается на этом эффекте. Как связаны эффект Доплера и Большой взрыв? Согласно теории Большого взрыва, Вселенная расширяется.

При наблюдении удаленных галактик наблюдается красное смещение – сдвиг спектральных линий в красную сторону спектра. Объясняя красное смещение при помощи эффекта Доплера, можно сделать вывод, согласующийся с теорией: галактики удаляются друг от друга, Вселенная расширяется.

При решении ряда основных навигационных задач широко применяются радионавигационные устройства, основанные на использовании эффекта Доплера. Эти РНУ получили название доплеровских и предназначены для определения составляющих вектора скорости ЛА относительно отражающей электромагнитные колебания поверхности и относятся к классу автономных РНУ, т.к. не требуют для образования канала измерения дополнительного наземного оборудования.

Вектор полной скорости летательного аппарата представляет собой сумму векторов воздушной скорости летательного аппарата  и скорости ветра   

Вектор характеризует скорость перемещения воздушного судна относительно земной поверхности. В дальнейшем при описании ДИСС будем пользоваться прямоугольной системой координат, у которой ось Ox совпадает с продольной осью воздушного судна, ось Oz ей перпендикулярна, плоскость Oxz горизонтальна, а ось Oy перпендикулярна плоскости Oxz (рис. 5.1).

В общем случае все три вектора в этой системе координат могут иметь как горизонтальные, так и вертикальные составляющие. Обозначим буквами W, V_г, U_г соответственно проекции векторов полной скорости, воздушной скорости и скорости ветра на горизонтальную плоскость. Эти проекции в свою очередь образуют навигационный треугольник скоростей, для которого справедливо соотношение (рис. 5.1)

Горизонтальная составляющая вектора полной скорости воздушного судна получила название вектора путевой скорости, ибо именно эта составляющая учитывается при счислении пути, пройденного воздушным судном вдоль земной поверхности. В дальнейшем модуль вектора будем называть путевой скоростью.

В зависимости от количества составляющих вектора полной скорости летательного аппарата, измерение которых возможно в данном устройстве, различают доплеровские измерители вектора полной скорости и доплеровские измерители путевой скорости и угла сноса.

Доплеровские измерители вектора полной скорости применяют для управления полётом в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Они применяются в основном на вертолетах. Некоторые типы таких измерителей обеспечивают также измерение истинной высоты полёта ВС.

Доплеровские измерители путевой скорости и угла сноса (ДИСС) обеспечивают измерение вектора горизонтальной скорости ВС или продольной  и поперечной  составляющих этого вектора. Они находят наибольшее применение на самолётах, где используются в качестве основного датчика автономной навигационной системы счисления пути.

Доплеровские измерители работают в режиме излучения непрерывных или импульсных колебаний. Наибольшее распространение получил режим излучения непрерывных немодулированных или частотно-модулированных колебаний.

Рисунок 1. Составляющие вектора скорости воздушного судна.

 ,  ,  – составляющие вектора полной скорости в горизонтальной системе координат; - вектор путевой скорости;  ,  - горизонтальные составляющие вектора воздушной скорости ВС и вектора скорости ветра; b_с – угол сноса; b_ск – угол скольжения; b_в – угол сноса ветром

В большинстве случаев ДИСС используются для решения навигационных задач в комплексе с аналоговым или цифровым навигационным вычислителем. При этом, в вычислитель дополнительно вводятся данные о воздушной скорости от датчика воздушной скорости и о курсе ВС от курсовой системы. Подобные комплексы аппаратуры (рис. 5.2) называются автономными доплеровскими навигационными системами.

В навигационный вычислитель заблаговременно вводят координаты контрольных пунктов маршрута (в том числе начального и конечного пунктов маршрута), значения заданных путевых углов и другие данные. На основе этих исходных данных, выходных данных доплеровского измерителя и других датчиков комплекса навигационный вычислитель решает следующие задачи: определяет курс следования на выбранный пункт маршрута; определяет текущие координаты ВС (географические или ортодромические); вычисляет поправки в курс; оставшееся расстояние и время полёта до выбранного пункта и т.п. Эта информация отображается на соответствующих указателях. При необходимости навигационный вычислитель может вырабатывать сигналы управления, подаваемые в автопилот для автоматического выдерживания ВС на линии заданного пути. В простейшем случае навигационный вычислитель выдает на соответствующие индикаторы значения путевой скорости и угла сноса.

Заключение

В ходе проведенного исследования был всесторонне рассмотрен эффект Доплера. Теоретическая часть работы позволила установить, что эффект Доплера является универсальным явлением, характерным для всех видов волн и потоков частиц. Первооткрыватель эффекта, австрийский физик Кристиан Доплер, впервые описал его при изучении звуковых волн, что впоследствии получило подтверждение и в других областях физики.

Практическая значимость исследования подтверждается широким спектром применения эффекта Доплера в современной науке и технике:

• В радиотехнике и системах связи для определения скорости движущихся объектов
• В медицинской диагностике, особенно в ультразвуковой допплерографии
• В астрономии для изучения движения звезд и галактик
• В системах безопасности и контроля скорости

Также внимание в работе было уделено практическому применению эффекта в медицине. В астрономии эффект Доплера стал одним из ключевых инструментов изучения движения небесных тел и подтверждением теории Большого взрыва.

Перспективы дальнейших исследований связаны с расширением возможностей применения эффекта Доплера в новых областях, включая квантовые технологии и космические исследования. Постоянное развитие технологий открывает новые горизонты для практического использования этого фундаментального физического явления.

Таким образом, эффект Доплера представляет собой не только важное физическое явление, но и мощный инструмент научного познания, играющий ключевую роль в развитии современной науки и техники.

Список литературы:

1. Б.М. Яворский, А.А. Пинский, "Основы физики. Том 2. Колебания и волны. Квантовая физика", Наука, 1981
2. М.М. Архангельский, "Курс физики. Механика", Москва, Просвещение, 1975
3. Горохов А.В. Релятивистский эффект Доплера.
4. Ландау Л.Д, Лифшиц Е.М. Теория поля -- Издание 7-е, исправленное.--М.: Наука, 1988. -- С.158-159. -- («Теоретическая физика», том II).