1.

Introduzione

Effetto Doppler Fenomeno fisico che consiste in un’apparente variazione della lunghezza, o della frequenza, di un'onda percepita da un osservatore che si trovi in moto relativo rispetto alla sorgente emittente. Il fenomeno interessa qualunque tipo di onda, e in particolare le onde sonore, per le quali è più facilmente rilevabile. L'effetto, che prende il nome dal fisico austriaco Christian Johann Doppler, è dovuto al fatto che le onde percepite dall'osservatore si susseguono con frequenza maggiore se la sorgente è in avvicinamento (o l’osservatore è in allontanamento) e con frequenza minore nel caso contrario. Così, se una sorgente sonora che emette un suono di altezza (frequenza) costante si muove verso l'osservatore, questi percepisce un suono più acuto, mentre se essa si allontana egli ne percepisce uno più grave. Il fenomeno si osserva, ad esempio, quando si ode il fischio di un treno dalla banchina di una stazione o da un altro treno.

2.

Sorgente ferma e osservatore in moto

Nel caso di una sorgente ferma che emette un suono di frequenza f e velocità v, e di un osservatore in moto che si allontana dalla sorgente a velocità u, la frequenza f’ percepita dall’osservatore è più bassa di quella propria (il suono è più grave), e pari a f’ = f (1 – u/v). Se invece l’osservatore si avvicina alla sorgente, la frequenza del suono percepito è più alta, e pari a f’ = f (1 + u/v).

3.

Sorgente in moto e osservatore fermo

Diverso è il caso della sorgente in moto con l’osservatore fermo. Detta w la velocità della sorgente rispetto all’osservatore, se si tratta di un avvicinamento la frequenza f’ percepita è più alta, e pari a f’ = f v/(v-w). In caso di allontanamento la frequenza è più bassa, e data da f’ = f v/(v+w).

4.

L’effetto Doppler relativistico

L’effetto Doppler riguarda tutti i tipi di onde, comprese quelle elettromagnetiche, e in particolare quelle luminose. In questo caso, tuttavia, sebbene il principio del fenomeno rimanga lo stesso, ha formule diverse, che tengono conto del fatto che le velocità in gioco per le onde elettromagnetiche sono molto alte, dell’ordine del limite relativistico (la velocità della luce nel vuoto, c). In questo caso, quindi, si parla più propriamente di effetto Doppler relativistico.

Un tipico caso di effetto Doppler relativistico si osserva sullo spettro di un corpo luminoso, ad esempio di una stella: le righe spettrali risultano spostate verso il violetto se il corpo si sta avvicinando alla Terra, e verso il rosso se se ne sta allontanando. Un avvicinamento della sorgente luminosa, infatti, produce un aumento della frequenza percepita, e quindi uno spostamento delle righe spettrali verso la zona violetta (il violetto è il colore a cui corrisponde la frequenza maggiore nello spettro luminoso); al contrario, un allontanamento della sorgente luminosa produce una diminuzione della frequenza percepita e quindi uno spostamento della riga spettrale verso la regione rossa (il colore a cui corrisponde la frequenza minore). Misurando questo spostamento è possibile risalire alle caratteristiche del moto relativo della stella rispetto al nostro pianeta (vedi Spostamento verso il rosso).

In generale, l'analisi degli spettri della radiazione proveniente da corpi celesti ha portato a risultati estremamente importanti in astrofisica, quali ad esempio la scoperta di stelle doppie non distinguibili neanche mediante strumenti ad alta risoluzione. L'effetto Doppler costituisce inoltre la base della teoria dell'espansione dell'universo.