Anatra in movimento in acqua.
Andiamo alla scoperta del famoso effetto Doppler, un fenomeno fisico ben noto che ritroviamo tutti i giorni in diverse situazioni familiari. Si tratta di un fenomeno fisico che genera una variazione apparente della frequenza di un’onda emessa da una sorgente in movimento rispetto a un generico osservatore. Una definizione ancora più chiara è fornita dallo scienziato Sheldon Cooper, la mente geniale della serie The Big Bang Theory. Per Sheldon, l’effetto Doppler consiste in un cambiamento apparente della frequenza di un’onda causato dal moto relativo presente tra sorgente dell’onda stessa e osservatore.
Vediamo dove risiede il principio fisico che sta alla base dell’effetto Doppler. Per farlo, immaginiamo una sorgente puntiforme in grado di generare onde. Questa sorgente puntiforme può rappresentare qualsiasi cosa, un’ambulanza che diffonde onde sonore, una stella che emette luce oppure una paperella che genera onde meccaniche sulla superficie di un lago. Come secondo attore, immaginiamo di avere un osservatore stazionario, un ragazzino fermo e buono che osserva lo scenario dall’esterno. Per fare riferimento al fenomeno più frequente della vita quotidiana, scegliamo un’ambulanza come sorgente di onde!
A questo punto immaginiamo di avere un’ambulanza ferma nel bel mezzo della strada a sirene accese, una situazione poco comune a dir la verità. Questa genererà delle onde sonore con frequenza pari a 400 Hz che si propagano secondo fronti d’onda circolari. In assenza di moto relativo, il ragazzino fermo sul ciglio della strada ascolterà esattamente lo stesso suono a 400 Hz. Insomma, lo stesso suono che ascolterebbe una persona seduta all’interno del veicolo (fermo).
Come spoilerato inizialmente, l‘effetto Doppler interviene nel caso di presenza di moto relativo tra sorgente (paperella nel lago, ah no, ambulanza) e osservatore (ragazzino a bordo strada). Immaginiamo ora che l’ambulanza stia correndo veloce verso l’osservatore, per andare a effettuare il suo intervento di pronto soccorso. In questa situazione, a causa del movimento della sorgente, il fronte d’onda si comprime nella direzione di avanzamento e si dilata nella direzione opposta. Per questa ragione il ragazzino a bordo strada ascolterà una sirena a frequenza maggiore di quella originaria (400 Hz). Di fatto, l’osservatore sentirà un suono a frequenza più alta rispetto a ciò che sente il pilota dell’ambulanza, il quale avrà velocità nulla rispetto alla sorgente.
Una volta che l’ambulanza supera l’osservatore la situazione si capovolge. In tal caso il ragazzino si ritrova nella zona in cui i fronti d’onda emessi dalla sirena si dilatano. Quindi, all’improvviso l’osservatore che è stato sorpassato dall’ambulanza che corre ascolterà un suono a frequenza inferiore a 400 Hz. Un salto di frequenza del suono percepito dalla persona, insomma un fenomeno a cui siamo tutti abituati quando vediamo un ambulanza da vicino. Ricordiamoci la regola generale, corpo in avvicinamento significa frequenza maggiore, corpo in allontanamento dà una frequenza minore.
La prima scoperta del fenomeno risale al 1842, quando lo scienziato Christian Doppler organizzò un famoso esperimento sui binari della ferrovia. Si piazzò accanto ai binari e fece in modo di riempire un vagone di musicisti e di lasciarli suonare durante la corsa. Poi, analizzò e confrontò il suono proveniente dal vagone quando questo si avvicinava e quando si allontanava, scoprendo così che il tono delle onde sonore si abbassava significativamente.
Nel 1845 il chimico e metereologo Buys Ballot diede conferma sperimentale del fenomeno facendo alcuni esperimenti con le onde sonore. Mentre, tre anni dopo, il fisico francese Hippolyte Fizeau ottenne gli stessi risultati replicando i test sulle onde elettromagnetiche. Infatti, in Francia il fenomeno è noto come effetto Doppler-Fizeau. Una ulteriore conferma arrivò lo stesso anno dagli esperimenti condotti da Jhon Scott Russell, ingegnere civile e costruttore di navi scozzese, il quale provò le teorie di Doppler.
L’effetto Doppler, come visto, è un fenomeno fisico semplice e di facile comprensione. Tuttavia, se giudicassimo la natura del fenomeno guardando alle applicazioni che ha quest’ultimo, avremmo sicuramente qualche dubbio in merito. Infatti, il principio alla base dell’effetto Doppler è sfruttato in numerosi campi al giorno d’oggi.
L’effetto Doppler sta alla base del funzionamento di alcune tipologie di radar, strumentazioni elettromagnetiche in grado di rilevare e misurare la velocità di corpi lontani. E’ un principio sfruttato anche nelle applicazioni robotiche, ad esempio per realizzare le funzioni di pianificazione del percorso dei robot. Ancora, il principio è sfruttato durante l’esame dell’ecocardiogramma per studiare il moto del flusso sanguineo in direzione e velocità.
Ma non finisce assolutamente qui. L’applicazione più interessante dell’effetto Doppler trova la sua espressione nel campo dell’astronomia. Gli astronomi possono studiare il moto di stelle e pianeti e calcolare le loro velocità grazie a questi principio. Infatti, anche la luce risponde fedelmente alle leggi Doppler. Ciò significa che le onde luminose, provenienti da qualsiasi zona dello spettro elettromagnetico, possono aumentare o ridurre la propria frequenza apparente a seconda del moto relativo rispetto all’osservatore.
Di conseguenza, quando un corpo celeste ha moto relativo rispetto a un osservatore può essere studiato in termini di frequenza. Ad esempio, se una stella si sta allontanando da noi, sarà percepita con una frequenza minore (ricorda la regola generale) e quindi vedremo un colore tendente al rosso. Questa è la spiegazione del fenomeno del redshift, una delle storie più affascinanti della fisica dell’Universo. Il principio del redshift costituisce peraltro una delle osservazioni che hanno portato alla teoria circa l’espansione dell’Universo. Al contrario, un corpo celeste in avvicinamento a noi avrà frequenza maggiore e sarà osservato come una luce tendente al blu, blueshift.
Paradossalmente, se aveste una vettura abbastanza veloce (roba di migliaia di kilometri orari) potreste dire addio a tutti i problemi di traffico. Infatti, grazie all’effetto Doppler, ogni semaforo rosso incontrato apparirà all’osservatore alla guida come una luce verde!
Abbiamo fatto l’esempio dell’ambulanza rappresentando le onde circolari del suono emesso dalla sirena. L’ambulanza va veloce, ma non abbastanza da superare la velocità del suono. Dunque ricade nel caso di sinistra dell’immagine seguente, ovvero per numero di Mach minore dell’unità. Ma cosa accade se la sorgente sonora supera la velocità del suono? Il caso centrale rappresenta la situazione limite, ovvero quando il veicolo (parliamo ormai di aeroplani) vola a Mach pari a 1. Raggiunta la velocità del suono, i fronti d’onda circolari generati dal velivolo si schiacciano completamente, generando una sorta di barriera del suono.
Accelerando ancora di più, l’aeroplano supera la velocità del suono entrando in regime supersonico. L’aeroplano rompe le onde di pressione che costituivano la cosiddetta barriera e vola a Mach maggiore di uno. In questo caso la rappresentazione dei fronti d’onda è caratterizzata dai famosi coni di Mach, visibili nel caso a destra. Questi sono dovuti al fatto che la sorgente si muove più velocemente delle onde sonore stesse, di conseguenza la composizione delle onde circolari genera dei coni!