Effetto Doppler
Profilatore di corrente Doppler acusticoModifica
Un profilatore di corrente Doppler acustico (ADCP) è un misuratore di corrente idroacustico simile a un sonar, utilizzato per misurare le velocità della corrente d’acqua su un intervallo di profondità utilizzando l’effetto Doppler delle onde sonore diffuse indietro dalle particelle all’interno della colonna d’acqua. Il termine ADCP è un termine generico per tutti i profilatori di corrente acustica, anche se l’abbreviazione ha origine da una serie di strumenti introdotta da RD Instruments negli anni ’80. Le frequenze di lavoro degli ADCP vanno da 38 kHz a diversi Megahertz. Il dispositivo utilizzato nell’aria per la profilazione della velocità del vento utilizzando il suono è noto come SODAR e funziona con gli stessi principi di base.
RoboticsEdit
La pianificazione dinamica del percorso in tempo reale nella robotica per aiutare il movimento dei robot in un ambiente sofisticato con ostacoli in movimento spesso prende l’aiuto dell’effetto Doppler. Tali applicazioni sono specialmente usate per la robotica competitiva dove l’ambiente cambia costantemente, come il robosoccer.
SireneEdit
Riproduci media
Una sirena su un veicolo di emergenza di passaggio inizierà più alta del suo passo stazionario, scivolerà verso il basso mentre passa, e continuerà più bassa del suo passo stazionario mentre si allontana dall’osservatore. L’astronomo John Dobson ha spiegato l’effetto in questo modo:
La ragione per cui la sirena scivola è perché non ti colpisce.
In altre parole, se la sirena si avvicinasse direttamente all’osservatore, il passo rimarrebbe costante, a un livello superiore a quello stazionario, finché il veicolo non lo colpisce, per poi saltare immediatamente a un nuovo passo inferiore. Poiché il veicolo passa accanto all’osservatore, la velocità radiale non rimane costante, ma varia in funzione dell’angolo tra la sua linea di vista e la velocità della sirena:
v radiale = v s ⋅ cos θ {displaystyle v_{{text{radial}}=v_{{{text{s}}cdot \cos {\theta }}
dove θ {displaystyle \theta }
è l’angolo tra la velocità in avanti dell’oggetto e la linea di vista dall’oggetto all’osservatore.
AstronomiaEdit
L’effetto Doppler per le onde elettromagnetiche come la luce è di grande utilità in astronomia e risulta in un cosiddetto redshift o blueshift. È stato usato per misurare la velocità con cui le stelle e le galassie si avvicinano o si allontanano da noi, cioè la loro velocità radiale. Questo può essere usato per rilevare se una stella apparentemente singola è, in realtà, una binaria vicina, per misurare la velocità di rotazione di stelle e galassie, o per rilevare esopianeti. Questo redshift e blueshift avviene su una scala molto piccola. Se un oggetto si stesse muovendo verso la terra, non ci sarebbe una differenza notevole nella luce visibile, ad occhio nudo.
Nota che il redshift è anche usato per misurare l’espansione dello spazio, ma questo non è veramente un effetto Doppler. Piuttosto, il redshift dovuto all’espansione dello spazio è noto come redshift cosmologico, che può essere derivato puramente dalla metrica di Robertson-Walker sotto il formalismo della Relatività Generale. Detto questo, succede anche che ci sono effetti Doppler rilevabili su scale cosmologiche, che, se erroneamente interpretati come di origine cosmologica, portano all’osservazione di distorsioni redshift-spazio.
L’uso dell’effetto Doppler per la luce in astronomia dipende dalla nostra conoscenza che gli spettri delle stelle non sono omogenei. Esse mostrano linee di assorbimento a frequenze ben definite che sono correlate con le energie richieste per eccitare gli elettroni di vari elementi da un livello all’altro. L’effetto Doppler è riconoscibile nel fatto che le linee di assorbimento non sono sempre alle frequenze che si ottengono dallo spettro di una sorgente luminosa stazionaria. Dato che la luce blu ha una frequenza più alta della luce rossa, le linee spettrali di una sorgente di luce astronomica che si avvicina presentano un blueshift e quelle di una sorgente di luce astronomica che si allontana presentano un redshift.
Tra le stelle vicine, le maggiori velocità radiali rispetto al Sole sono +308 km/s (BD-15°4041, nota anche come LHS 52, a 81,7 anni luce di distanza) e -260 km/s (Woolley 9722, nota anche come Wolf 1106 e LHS 64, a 78,2 anni luce di distanza). Velocità radiale positiva significa che la stella si sta allontanando dal Sole, negativa che si sta avvicinando.
RadarEdit
L’effetto Doppler è usato in alcuni tipi di radar, per misurare la velocità degli oggetti rilevati. Un fascio radar viene sparato su un bersaglio in movimento – ad esempio un’automobile, dato che la polizia usa il radar per rilevare gli automobilisti in velocità – mentre si avvicina o si allontana dalla sorgente radar. Ogni successiva onda radar deve viaggiare più lontano per raggiungere l’auto, prima di essere riflessa e ri-rilevata vicino alla sorgente. Poiché ogni onda deve andare più lontano, lo spazio tra ogni onda aumenta, aumentando la lunghezza d’onda. In alcune situazioni, il raggio radar viene sparato contro l’auto in movimento mentre si avvicina, nel qual caso ogni onda successiva percorre una distanza minore, diminuendo la lunghezza d’onda. In entrambe le situazioni, i calcoli dell’effetto Doppler determinano accuratamente la velocità dell’auto. Inoltre, la spoletta di prossimità, sviluppata durante la seconda guerra mondiale, si basa sul radar Doppler per far detonare gli esplosivi al momento giusto, all’altezza, alla distanza, ecc.
Perché lo spostamento doppler influisce sull’onda incidente sul bersaglio e sull’onda riflessa al radar, il cambiamento di frequenza osservato da un radar dovuto a un bersaglio che si muove a velocità relativa Δ v {displaystyle \Delta v}
è doppio rispetto a quello dello stesso bersaglio che emette un’onda: Δ f = 2 Δ v c f 0 {displaystyle \Delta f={frac {2\Delta v}{c}f_{0}}
.
MedicalEdit
Un ecocardiogramma può, entro certi limiti, produrre una valutazione accurata della direzione del flusso sanguigno e della velocità del sangue e del tessuto cardiaco in qualsiasi punto arbitrario utilizzando l’effetto Doppler. Una delle limitazioni è che il fascio di ultrasuoni deve essere il più possibile parallelo al flusso sanguigno. Le misurazioni della velocità permettono di valutare le aree e la funzione delle valvole cardiache, le comunicazioni anomale tra il lato destro e sinistro del cuore, le perdite di sangue attraverso le valvole (rigurgito valvolare) e il calcolo della portata cardiaca. Gli ultrasuoni a contrasto che utilizzano mezzi di contrasto riempiti di gas con microbolle possono essere utilizzati per migliorare la velocità o altre misurazioni mediche relative al flusso.
Anche se “Doppler” è diventato sinonimo di “misurazione della velocità” nell’imaging medico, in molti casi non è lo spostamento di frequenza (spostamento Doppler) del segnale ricevuto che viene misurato, ma lo spostamento di fase (quando il segnale ricevuto arriva).
Le misure di velocità del flusso sanguigno sono utilizzate anche in altri campi dell’ecografia medica, come l’ecografia ostetrica e la neurologia. La misurazione della velocità del flusso sanguigno nelle arterie e nelle vene basata sull’effetto Doppler è uno strumento efficace per la diagnosi di problemi vascolari come la stenosi.
Misurazione del flussoModifica
Strumenti come il velocimetro Doppler laser (LDV), e il velocimetro Doppler acustico (ADV) sono stati sviluppati per misurare le velocità in un flusso fluido. L’LDV emette un fascio di luce e l’ADV emette una raffica acustica ultrasonica, e misura lo spostamento Doppler nelle lunghezze d’onda delle riflessioni delle particelle che si muovono con il flusso. Il flusso effettivo viene calcolato in funzione della velocità e della fase dell’acqua. Questa tecnica permette misure di flusso non intrusive, ad alta precisione e ad alta frequenza.
Misura del profilo di velocitàModifica
Sviluppato originariamente per misure di velocità in applicazioni mediche (flusso sanguigno), la Velocimetria Doppler a ultrasuoni (UDV) può misurare in tempo reale il profilo di velocità completo in quasi tutti i liquidi contenenti particelle in sospensione come polvere, bolle di gas, emulsioni. I flussi possono essere pulsanti, oscillanti, laminari o turbolenti, stazionari o transitori. Questa tecnica è completamente non invasiva.
SatellitesEdit
 Possibili spostamenti Doppler in funzione dell’angolo di elevazione (LEO: altitudine dell’orbita h {displaystyle h}
 = 750 km). Stazione di terra fissa. |
 Geometria per effetti Doppler. Variabili: v m o b {\displaystyle v_{mob}}
 è la velocità della stazione mobile, v S a t {displaystyle v_{Sat}  è la velocità del satellite, v r e l , s a t {displaystyle v_{rel,sat}}  è la velocità relativa del satellite, ϕ {displaystyle \\phi }  è l’angolo di elevazione del satellite e θ {displaystyle \theta } è la direzione di guida rispetto al satellite. |
 Effetto Doppler sul canale mobile. Variabili: f c = c λ c {displaystyle f_{c}={frac {c}{lambda _{rm {c}}}}}
 è la frequenza portante, f D , m a x = v m o b λ c {displaystyle f_{rm {D,max}={frac {v_{rm {mob}}}{lambda _c}}}}}  è lo spostamento Doppler massimo dovuto allo spostamento della stazione mobile (vedi Doppler Spread) e f D , S a t {displaystyle f_{rm {D,Sat}}}  è lo spostamento Doppler addizionale dovuto allo spostamento del satellite. |
Navigazione satellitareModifica
Lo spostamento Doppler può essere sfruttato per la navigazione satellitare come in Transit e DORIS.
Comunicazione satellitareModifica
Il Doppler deve essere compensato anche nella comunicazione satellitare. I satelliti in rapido movimento possono avere uno spostamento Doppler di decine di kilohertz rispetto a una stazione di terra. La velocità, quindi la grandezza dell’effetto Doppler, cambia a causa della curvatura della terra. La compensazione Doppler dinamica, dove la frequenza di un segnale viene cambiata progressivamente durante la trasmissione, viene utilizzata in modo che il satellite riceva un segnale a frequenza costante. Dopo essersi resi conto che lo spostamento Doppler non era stato considerato prima del lancio della sonda Huygens della missione Cassini-Huygens del 2005, la traiettoria della sonda è stata modificata per avvicinarsi a Titano in modo tale che le sue trasmissioni viaggiassero perpendicolarmente alla sua direzione di movimento rispetto a Cassini, riducendo notevolmente lo spostamento Doppler.
Lo spostamento Doppler del percorso diretto può essere stimato dalla seguente formula:
f D , d i r = v m o b λ c cos ϕ cos θ {displaystyle f_{rm {D,dir}}={frac {v_{rm {mob}}}{lambda _{rm {c}}}}\cos \phi \cos \theta }
dove v m o b {displaystyle v_{mob}}
è la velocità della stazione mobile, λ c {displaystyle \lambda _{rm {c}}}
è la lunghezza d’onda del vettore, ϕ {displaystyle \phi }
è l’angolo di elevazione del satellite e θ {displaystyle \theta }
è la direzione di guida rispetto al satellite.
Lo spostamento Doppler aggiuntivo dovuto allo spostamento del satellite può essere descritto come:
f D , s a t = v r e l , s a t λ c {displaystyle f_{{rm {D,sat}}={frac {v_{rm {rel,sat}}{{lambda _{rm {c}}}}}
dove v r e l , s a t {\displaystyle v_{\rm {rel,sat}}}
è la velocità relativa del satellite.
AudioEdit
L’altoparlante Leslie, più comunemente associato e utilizzato prevalentemente con il famoso organo Hammond, sfrutta l’effetto Doppler utilizzando un motore elettrico per far ruotare una tromba acustica intorno ad un altoparlante, inviando il suo suono in un cerchio. Questo si traduce all’orecchio dell’ascoltatore in frequenze rapidamente fluttuanti di una nota della tastiera.
Misura delle vibrazioniModifica
Un vibrometro laser Doppler (LDV) è uno strumento senza contatto per misurare le vibrazioni. Il raggio laser del LDV è diretto alla superficie di interesse, e l’ampiezza e la frequenza della vibrazione sono estratte dallo spostamento Doppler della frequenza del raggio laser dovuto al movimento della superficie.
Biologia dello sviluppoModifica
Durante la segmentazione degli embrioni di vertebrati, onde di espressione genica attraversano il mesoderma presomitico, il tessuto dal quale si formano i precursori delle vertebre (somiti). Un nuovo somite si forma all’arrivo di un’onda all’estremità anteriore del mesoderma presomitico. Nel pesce zebra, è stato dimostrato che l’accorciamento del mesoderma presomitico durante la segmentazione porta ad un effetto Doppler quando l’estremità anteriore del tessuto si muove nelle onde. Questo effetto Doppler contribuisce al periodo di segmentazione.