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O que é efeito Doppler?

O que é Física?

Conhecemos como efeito Doppler o fenômeno relativístico que ocorre quando existem velocidades relativas entre fontes emissoras de ondas e seus observadores.
O efeito Doppler é um fenômeno ondulatório que surge quando há velocidade relativa entre uma fonte de ondas e seu observador.
O efeito Doppler é um fenômeno ondulatório que surge quando há velocidade relativa entre uma fonte de ondas e seu observador.
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Efeito Doppler é um fenômeno ondulatório caracterizado pela mudança do comprimento de onda ou da frequência de uma onda emitida por uma fonte que se movimenta em relação a um observador.

O que é efeito Doppler?

Efeito Doppler é um fenômeno físico ondulatório que ocorre quando existe aproximação ou afastamento relativo entre uma fonte de ondas e um observador. Esse fenômeno acontece pelo fato de que a velocidade de propagação de uma onda, seja ela qual for, depende exclusivamente do meio pelo qual essa onda propaga-se. Assim, mesmo que a fonte das ondas ou o observador mova-se, a velocidade de propagação da onda não será alterada. No entanto, ocorrerá uma variação no comprimento de onda e na frequência da onda captada pelo observador.

A velocidade de propagação de uma onda qualquer, seja uma onda mecânica (sonora), seja uma onda eletromagnética (luz), guarda uma relação de proporcionalidade com seu comprimento de onda e com sua frequência de oscilação. Observe:

Velocidade de propagação

v – velocidade de propagação da onda (m/s)
λ – comprimento de onda (m)
f – frequência de oscilação (Hz ou s-1)

Imagine a seguinte situação: uma ambulância com sua sirene ligada desloca-se em uma rua afastando-se de um observador e aproximando-se de um outro observador. Observe a imagem abaixo:

Ambulância e efeito Doppler

Como a velocidade de propagação das ondas sonoras depende apenas do meio (nesse caso, o ar), a velocidade relativa entre as ondas sonoras e ambos observadores será igual, tanto em relação ao observador que se afasta quanto em relação ao observador que se aproxima da fonte das ondas. Dessa forma, para que a velocidade permaneça constante para ambos os observadores, ocorrem mudanças no comprimento de onda (espaço necessário para a onda completar uma oscilação) e na sua frequência. Como essas grandezas são inversamente proporcionais, pode-se dizer que:

  • O observador que vê a ambulância afastando-se ouvirá um som com maior comprimento de onda e menor frequência, portanto, mais grave;

  • O observador que vê a ambulância aproximando-se ouvirá um som de maior frequência e menor comprimento de onda, portanto, mais agudo.

Veja também: Ondas sonoras

A imagem acima mostra uma fonte de ondas sonoras deslocando-se e a deformação sofrida pelas frentes de onda do som emitido.
A imagem acima mostra uma fonte de ondas sonoras deslocando-se e a deformação sofrida pelas frentes de onda do som emitido.

Quem descobriu o efeito Doppler?

O efeito Doppler foi completamente descrito pelo físico austríaco Johann Christian Doppler, em 1842. A comprovação experimental desse efeito foi feita três anos mais tarde por Buys Ballot. Para isso, Ballot realizou um curioso experimento no qual uma banda emitia diversas notas musicais em cima de uma locomotiva em movimento. Enquanto isso, um conjunto de observadores registravam as notas ouvidas de acordo com as diferentes velocidades de aproximação e de afastamento do trem.

Fórmula do efeito Doppler

A fórmula geral utilizada para calcular a mudança de frequência no efeito Doppler é mostrada abaixo:

Fórmula geral do efeito Doppler

f' – frequência observada (Hz)
f0 – frequência emitida (Hz)
v – velocidade da onda no meio (m/s)
v0 – velocidade do observador (m/s)
vF – velocidade da fonte emissora das ondas (m/s)

Para utilizarmos a fórmula mostrada acima, é necessário sabermos se há afastamento entre a fonte emissora das ondas e o observador. Para isso:

  • Usamos o sinal de cima tanto no numerador (+) quanto no denominador (-) se houver aproximação entre a fonte e o observador;

  • Usamos o sinal de baixo tanto no numerador (-) quanto no numerador (+) se houver afastamento entre a fonte e o observador.

Efeito Doppler na medicina

O efeito Doppler é utilizado na medicina em diversos exames de imagem, como no ecocardiograma. Nesse exame, estudam-se as propriedades anatômicas do coração em busca de anomalias em seu funcionamento. Para isso, utiliza-se uma fonte emissora de ultrassons (sons com frequência superior a 20 000 Hz). Esses sons são absorvidos, refratados e refletidos pelos diferentes tecidos e pelo fluxo de sangue, os quais se comportam como uma fonte secundária de ondas refletidas em movimento. Dessa forma, é possível mapear o bombeamento de sangue, observar o refluxo sanguíneo, etc.

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No ecocardiograma com Doppler, captam-se as ondas sonoras refletidas pelo sangue, que se afasta ou se aproxima da fonte de ultrassom.
No ecocardiograma com Doppler, captam-se as ondas sonoras refletidas pelo sangue, que se afasta ou se aproxima da fonte de ultrassom.

Veja também: Diagnósticos por efeito Doppler

Efeito Doppler da luz

O efeito Doppler também é observado nas ondas eletromagnéticas, como a luz. Assim como no caso do som, a velocidade da luz não depende de seu observador, somente do meio no qual ela propaga-se. Portanto:

  • Quando há aproximação entre a fonte de ondas eletromagnéticas e um observador, este perceberá um aumento nas frequências observadas e uma diminuição do comprimento de onda;

  • Quando há afastamento entre a fonte de ondas eletromagnéticas e um observador, este perceberá uma diminuição nas frequências observadas e um aumento do comprimento de onda.

Veja também: A cor e a frequência da luz

O efeito Doppler da luz é um fenômeno largamente observado na Astronomia. A luz visível emitida pelas estrelas distribui-se em uma estreita faixa de frequência chamada espectro visível. Quando vemos a luz emitida por estrelas de galáxias distantes, observamos frequentemente aumentos na frequência da luz, chamados pelos astrônomos de blue-shift, já que a luz visível tende a aproximar-se da frequência da cor azul. Nos casos em que as estrelas afastam-se da Terra, o fenômeno é chamado de red-shift.

Quando uma estrela aproxima-se do observador em alta velocidade, seu brilho aparenta tornar-se azulado; ao afastar-se, seu brilho fica avermelhado.
Quando uma estrela aproxima-se do observador em alta velocidade, seu brilho aparenta tornar-se azulado; ao afastar-se, seu brilho fica avermelhado.

Efeito Doppler no radar de trânsito

Uma das aplicações do efeito Doppler é nos radares semafóricos, utilizados para medir a velocidade dos veículos automotivos. Nesses radares, emite-se um feixe de luz cuja frequência encontra-se na faixa do infravermelho. Então, mede-se o tempo necessário para o feixe retornar à fonte. Como a velocidade da luz é constante, é possível medir a velocidade que a fonte secundária refletora da luz (veículo) desloca-se a cada instante, mesmo a grandes distâncias.

Os radares de infravermelho são usados para medir a velocidade instantânea dos veículos.
Os radares de infravermelho são usados para medir a velocidade instantânea dos veículos.

Veja também: Expansão do Universo

Resumo sobre efeito Doppler

  • O efeito Doppler surge sempre que há aproximação ou afastamento entre uma fonte de ondas mecânicas ou eletromagnéticas e um observador.

  • No caso de aproximação, a frequência observada é maior que a frequência emitida pela fonte.

  • No caso de afastamento, a frequência observada é menor que a frequência emitida pela fonte.

Efeito Doppler – exercícios

Um homem que se encontra parado em relação à margem de uma faixa de pedestres observa uma ambulância aproximando-se com velocidade de 20 m/s. Considerando que a ambulância emita sons de frequência igual a 2500 Hz, determine qual será a frequência ouvida pelo homem.

Adote:

vSOM = 340 m/s

Resolução

De acordo com o exercício, a ambulância está aproximando-se do homem, que se encontra em repouso. Usaremos, portanto, apenas os sinais de cima da fórmula do efeito Doppler, tanto no denominador quanto no numerador. Observe:

Efeito Doppler – exercício

Nesse exercício, como a velocidade do observador é nula, usaremos v0 = 0. Logo, substituindo as demais variáveis, temos que:

Cálculo da frequência – exercício

Portanto, durante a aproximação da ambulância, o observador ouvirá um som mais agudo de frequência próxima aos 2656 Hz.

Veja também: Mais exercícios sobre o efeito Doppler

Por Me. Rafael Helerbrock 

Gostaria de fazer a referência deste texto em um trabalho escolar ou acadêmico? Veja:

HELERBROCK, Rafael. "O que é efeito Doppler?"; Brasil Escola. Disponível em: https://brasilescola.uol.com.br/o-que-e/fisica/o-que-e-efeito-doppler.htm. Acesso em 22 de julho de 2019.

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