21. Dopplerův jev
Představte si, že jednosměrnou ulicí jezdí v pravidelných intervalech autobusy. Člověk zevlující na zastávce zjistí, že si to každé tři minuty přifrčí autobus. Něco jiného bude ale vnímat cyklista projíždějící ulicí. Pokud pojede proti autobusům, a autobusy ho nezajedou, bude je potkávat častěji ‒ dejme tomu každé dvě minuty A když pojede ve směru pohybu autobusů, budou ho míjet v delších časových intervalech, dejme tomu jednou za 4 minuty. Pozorovaná frekvence závisí na pohybu pozorovatele a tento princip platí pro jakýkoli periodický děj. To, že jsme si pro vysvětlení vybrali pohybující se autobusy, není podstatné. Pokud se pozorovatel a zdroj jakéhokoli periodického děje vzájemně přibližují, frekvence se zvyšuje. Pokud se vzdalují, frekvence se snižuje.
Tento jev poprvé popsal rakouský matematik a fyzik Christian Andreas Doppler v roce 1842. Doppler v té době působil na Královském českém stavovském učilišti technickém v Praze, což je předchůdce dnešního Českého vysokého učení technického. A právě za svého desetiletého pražského pobytu objevil princip, který se stal nepostradatelným pomocníkem vědců, astrofyziků, inženýrů a k našemu častému zděšení i dopravních policistů. Dopplerovo jméno je umístěno pod okny Národního muzea v Praze a je po něm pojmenováno pražské Gymnázium Christiana Dopplera.
Obyvatel města se s Dopplerovým jevem setká nejčastěji při průjezdu automobilu. Přijíždějící auto vydává zvuky s vyšší frekvencí než odjíždějící. Samozřejmě se to týká všech dopravních prostředků. Zaposlouchejte se do zvuku projíždějícího vlaku, změna frekvence je také velmi dobře patrná. A do třetice. Já bydlím v Praze blízko vojenské nemocnice, kde nám nad domem často přelétají helikoptéry s nemocnými pacienty.
V civilních aplikacích se s Dopplerovým jevem nejčastěji setkáme u radarů. Radar využívá elektromagnetických vln v mikrovlnném a radiovém oboru. Kvalitní radar zjišťuje z doby příchodu odraženého signálu vzdálenost objektu, ze změny frekvence přijatého paprsku rychlost objektu a ze změny polarizace paprsku vlastnosti povrchu objektu. Připomeňme si meteorologické radary, které s jistotou lokalizují polohu oblaků s deštěm. Navíc z Dopplerova jevu zjistí jejich rychlost a ze změny polarizace určí, zda jsou v oblaku přítomny dešťové kapky, kroupy nebo jen vodní pára. Jiné typy radarů se využívají k řízení letového provozu, k mapování povrchu Země nebo dalších planet. Bez radarů bychom těžko spatřili povrch planety Venuše, která je zahalena hustou atmosférou a ve viditelném spektru na povrch nevidíme. K nejkvalitnějším radarům patří vojenské radary, které jsou schopné ze změny polarizace paprsku detekovat i druh povrchu letadla či střely a určit, zda jde o objekt nepřátelský či nikoli. Naopak k těm nejjednodušším radarům patří ne zcela oblíbené policejní radary pro měření rychlosti projíždějícího automobilu.
A víte, kdy první radar vůbec vzniknul? Bylo to už před více než sto lety, v roce 1904, kdy německý inženýr Christian Hülsmeyer provedl první skutečný test radaru. Monitoroval lodní provoz za špatné viditelnosti. Přístroj nazval telemobiloskop a patentoval ho v Německu, Francii a Velké Británii. K rozsáhlejšímu využití a vývoji radarů došlo až za druhé světové války, zejména v Anglii, Spojených státech, Japonsku, Německu, Francii a Rusku.
Dopplerův jev je velmi dobrou pomůckou pro astronomy. Z posunu spektrálních čar ve spektru hvězdy nebo galaxie můžeme určit její rychlost vzhledem k nám. Pokud hvězda rotuje, část jejího povrchu se od nás vzdaluje a opačná část přibližuje. Dopplerův jev způsobí charakteristické rozšíření spektrálních čar, ze kterého můžeme určit rychlost rotace hvězdy. V poslední době se velmi rychle rozvíjí asteroseismologie. Na povrchu hvězdy se z Dopplerova jevu naleznou přibližující a vzdalující se oblasti způsobené zvukovými vlnami, které se šíří nitrem hvězdy. Z jejich analýzy je možné dokonce určovat vlastnosti nitra hvězd! U Slunce tuto techniku nazýváme helioseismologie a hovořili jsme o ní v jednom z prvních dílů této rubriky.
Dopplerův jev se stal základním pilířem celé řady technologií. Vraťme se ale v posledním příkladu zpět k těm nejobyčejnějším přírodním úkazům, jako je déšť. Nejde sice o periodický děj v pravém slova smyslu, ale dopady kapek přece jen jakous takous průměrnou periodicitu mají. A tady je má závěrečná otázka: Proč více zmoknete, když budete běžet proti padajícím kapkám, než když zůstanete stát? Pokud jste dnes pozorně poslouchali, tak už odpověď znáte.