Quando uma ambulância passa com sua sirene tocando, você ouve o tom da sirene mudar: conforme ela se aproxima, o tom da sirene soa mais alto do que quando está se afastando de você. Essa mudança é uma demonstração física comum do efeito Doppler.

Crédito da imagem: GARY HINCKS / Science Photo Library / Getty Images

Leia também:

• Quais são as leis do movimento de Newton?
• O que é singularidade?
• Cinturões de Van Allen: fatos e descobertas
• Como Copérnico moveu o Sol
• Big Crunch: O que esse modelo cíclico do universo significa para o Big Bang?

O efeito Doppler descreve a mudança na frequência observada de uma onda quando há movimento relativo entre a fonte da onda e o observador. Foi proposto pela primeira vez em 1842 pelo matemático e físico austríaco Christian Johann Doppler. Enquanto observava estrelas distantes, Doppler descreveu como a cor da luz das estrelas mudava com o movimento da estrela.

Para explicar por que ocorre o efeito Doppler, precisamos começar com alguns recursos básicos do movimento das ondas . As ondas vêm em uma variedade de formas: ondulações na superfície de um lago, sons (como a sirene acima), luz e tremores de terremoto, todos exibem movimentos de ondas periódicos.

Duas das características comuns usadas para descrever todos os tipos de movimento de onda são comprimento de onda e [frequência] (onda + movimento). Se você considera que a onda tem altos e baixos, o comprimento de onda é a distância entre picos consecutivos e a frequência é a contagem do número de picos que passam por um ponto de referência em um determinado período de tempo.

Instantâneo de uma onda em movimento mostrando o comprimento de onda. Crédito da imagem: Gillian Isoardi

Quando precisamos pensar sobre como as ondas viajam no espaço bidimensional ou tridimensional, usamos o termo frente de onda para descrever a ligação de todos os pontos comuns da onda.

Portanto, a ligação de todos os picos de onda que vêm do ponto onde uma pedra é jogada em uma lagoa criaria uma série de frentes de ondas circulares (ondulações) quando vistas de cima.

Frentes de onda emergindo de uma fonte central. Crédito da imagem: Gillian Isoardi

Considere uma fonte estacionária que emite ondas em todas as direções com uma frequência constante. A forma das frentes de onda provenientes da fonte é descrita por uma série de “conchas” concêntricas com espaçamento uniforme. Qualquer pessoa parada perto da fonte encontrará cada frente de onda com a mesma frequência com a qual foi emitida.

Frentes de onda em torno de uma fonte estacionária. Crédito da imagem: Gillian Isoardi

Mas se a fonte de onda se mover, o padrão das frentes de onda parecerá diferente. No tempo entre a emissão de um pico de onda e o próximo, a fonte terá se movido de forma que as camadas não serão mais concêntricas. As frentes de onda irão se agrupar (ficar mais próximas) na frente da fonte conforme ela se desloca e serão espaçadas (mais afastadas) atrás dela.

Agora, uma pessoa parada em frente à fonte em movimento observará uma frequência mais alta do que antes, conforme a fonte viaja em sua direção. Por outro lado, alguém atrás da fonte observará uma frequência mais baixa de picos de onda conforme a fonte se afasta dela.

Frentes de onda em torno de uma fonte móvel. Crédito da imagem: Gillian Isoardi

Isso mostra como o movimento de uma fonte afeta a frequência experimentada por um observador estacionário. Uma mudança semelhante na frequência observada ocorre se a fonte está parada e o observador está se movendo em direção a ela ou se afastando dela.

Na verdade, qualquer movimento relativo entre os dois causará uma mudança/efeito Doppler na frequência observada.

Então, por que ouvimos uma mudança no tom das sirenes que passam? O tom que ouvimos depende da frequência da onda sonora. Uma alta frequência corresponde a um tom alto. Assim, enquanto a sirene produz ondas de frequência constante, à medida que se aproxima de nós, a frequência observada aumenta e nosso ouvido ouve um tom mais alto.

Depois que ela passou por nós e está se afastando, a frequência observada e o tom diminuem. O tom verdadeiro da sirene está em algum lugar entre o tom que ouvimos quando ela se aproxima de nós e o tom que ouvimos quando ela se afasta.

Crédito da imagem: Wikimedia.

Para ondas de luz, a frequência determina a cor que vemos. As frequências mais altas de luz estão na extremidade azul do espectro visível; as frequências mais baixas aparecem na extremidade vermelha deste espectro.

Se estrelas e galáxias estão viajando para longe de nós, a frequência aparente da luz que elas emitem diminui e sua cor que se move em direção à extremidade vermelha do espectro. Isso é conhecido como desvio para o vermelho.

Uma estrela viajando em nossa direção aparecerá deslocada para o azul(maior frequência). Este fenômeno foi o que primeiro levou Christian Doppler a documentar seu efeito homônimo e, finalmente, permitiu que Edwin Hubble em 1929 propor que o universo estaria se expandindo quando ele observou que todas as galáxias pareciam estar deslocadas para o vermelho (ou seja, afastando-se de nós e também umas das outras).

O efeito Doppler tem muitas outras aplicações interessantes além de efeitos sonoros e astronomia. O Radar Doppler usa micro-ondas refletidas para determinar a velocidade de objetos distantes em movimento. Ele faz isso enviando ondas com uma determinada frequência e, em seguida, analisando a onda refletida em busca de mudanças de frequência.

É aplicado na observação do tempo para caracterizar o movimento das nuvens e padrões climáticos, e tem outras aplicações na aviação e radiologia. É até usado em detectores de velocidade da polícia, que são essencialmente pequenas unidades de radar Doppler.

A imagem médica também faz uso do efeito Doppler para monitorar o fluxo sanguíneo através dos vasos do corpo. O ultrassom Doppler usa ondas sonoras de alta frequência e nos permite medir a velocidade e a direção do fluxo sanguíneo para fornecer informações sobre coágulos sanguíneos, artérias bloqueadas e função cardíaca em adultos e fetos em desenvolvimento.

Nossa compreensão do efeito Doppler nos permitiu aprender mais sobre o universo do qual fazemos parte, medir o mundo ao nosso redor e olhar dentro de nossos próprios corpos. O desenvolvimento futuro desse conhecimento - incluindo como reverter o efeito Doppler - pode levar à tecnologia que só se lê em romances de ficção científica, como capas de invisibilidade.

Todos os artigos baseados em tópicos são determinados por verificadores de fatos como corretos e relevantes no momento da publicação. Texto e imagens podem ser alterados, removidos ou adicionados como uma decisão editorial para manter as informações atualizadas.

Junte-se aos nossos Canais Espaciais para continuar falando sobre o espaço nas últimas missões, céu noturno e muito mais! Siga-nos no facebook e no twitter. E se você tiver uma dica, correção ou comentário, informe-nos aqui ou pelo e-mail: gaiaciencia@gaiaciencia.com.br

Referência:

ISOARDI, Gillian. Explainer: the Doppler effect. The Conversation, 02, jul. 2021. Disponível em: <https://theconversation.com/explainer-the-doppler-effect-7475>. Acesso em: 31, ago. 2021.