Efeito Doppler
Em maio de 1842, o físico austríaco Christian Johann Doppler (1803 – 1853) apresentou em um congresso de ciências naturais que ocorreu na cidade de Praga, um artigo onde descrevia seus estudos sobre o efeito que mais tarde ficou conhecido como “efeito Doppler”. Ele verificou que a frequência do som emitido por uma fonte sonora mudava quando havia movimento relativo entre a fonte emissora e um receptor.
Talvez o caso mais simples para se compreender o efeito Doppler seja o exemplo de uma ambulância com a sirene ligada, se aproximando ou se afastando de uma pessoa em repouso em relação ao chão. Quando a ambulância se aproxima ou se afasta da pessoa, ela percebe uma diferença significativa na frequência da sirene, enquanto que para um indivíduo dentro da ambulância não há qualquer alteração da frequência.
Existem quatro possíveis movimentos relativos distintos entre a fonte sonora e o receptor (ou observador):
- A fonte sonora se aproximando do receptor em repouso;
- A fonte sonora se afastando do receptor em repouso;
- O receptor se aproximando da fonte sonora em repouso;
- O receptor se afastando da fonte sonora em repouso.
Nas situações 1. e 3., o receptor percebe um aumento no número das frentes de onda, o que significa que para ele, a frequência aumentou.
Já nas situações 2. e 4., o receptor percebe a diminuição das frentes de onda, portanto ele percebe uma diminuição na frequência.
Figura 1 – As quatro situações possíveis para a percepção do efeito Doppler.
Crédito da figura: adaptado de http://www.astronomynotes.com/light/s10.htm
Embora qualitativamente as situações 1. e 3. são similares, uma análise física cuidadosa mostra que o aumento de frequência não é igual, mesmo se as velocidades relativas sejam a mesma. Isto ocorre porque há um referencial privilegiado, em que o ar está em repouso (o mesmo do chão). O mesmo acontece com as situações 2. e 4.
Numa situação geral, quando tanto a fonte do som como o receptor/observador se deslocam em relação ao chão, a frequência ouvida pelo receptor/observador é dada por
onde o sinal positivo ou negativo na equação acima deve ser escolhido com base nos casos apresentados acima.
Algum tempo mais tarde, os estudos do físico francês Armand Hippolyte Louis Fizeau (1819 - 1896) sobre os corpos celestes na vizinhança do sistema solar demonstraram que as conclusões obtidas por Doppler se aplicavam não apenas ao som, mas também à radiação eletromagnética.
Os estudos de Doppler e Fizeau, permitiram à
comunidade cientifica utilizar a radiação eletromagnética como uma
ferramenta importante de análise e estudos sobre os objetos celestes. Se
um corpo celeste emitindo radiação eletromagnética se afastar do
observador, haverá a diminuição na sua frequência e portanto o aumento
no comprimento de onda, ocorrendo o deslocamento para o vermelho
(comprimentos de onda maiores), ou redshift, em inglês. Para a fonte se aproximando há o aumento na frequência, o que leva ao desvio para o azul, ou blueshift, em inglês.
Figura 2- Interpretação do efeito Doppler para radiação eletromagnética. A linha vermelha representa o redshift e a linha azul o blueshift.
Crédito da figura - Disponível em: http://www.exploratorium.edu/hubble/tools/doppler.html
Figura 1 – Ilustração do efeito Doppler devido ao movimento relativo de uma estrela.
Crédito da Figura: ESO Press Photo 22e/07 (25 April 2007)
Disponível em: https://www.eso.org/public/images/eso0722e/
Embora qualitativanente a mudança no comprimento de onda ou da frequência de uma onda eletromagnética seja similar à da onda sonora, há entre ambas uma diferença crucial. No caso de uma onda sonora, existe um referencial em repouso, que é o referencial em que o meio (por exemplo, o ar) se encontra em repouso. No caso de uma onda eletromagnética, ela pode se propagar no vácuo, sem portanto a necessidade de um meio material. Além disto, como no vácuo se propaga com a velocidade da luz (a luz é uma onda eletromagnética), é preciso tratar a onda eletromagnética através da teoria da relatividade especial de Albert Einstein. Com isto, a equação do efeito Dopper relativístico depende somente da velocidade relativa entre o observador e a fonte, não importando quem esteja se deslocando.