〰 Ефект Доплера
Симуляція рухомого джерела хвиль і калькулятор зсуву частоти для швидкості джерела та спостерігача.
Швидкість джерела w0.40
Частота випромінювання3.75 Гц
Рух джерела:
Швидко:
Що бачить спостерігач (відносно випромінюваних λ₀ і f₀)
0.40
Число Маха
0.60 λ₀
Довжина хвилі спереду
1.40 λ₀
Довжина хвилі ззаду
1.67 f₀
Частота спереду
0.71 f₀
Частота ззаду
Дозвуковий
Режим руху
Спереду: λ = (1 − v/c)·λ₀,   f = f₀ / (1 − v/c)
Ззаду:  λ = (1 + v/c)·λ₀,   f = f₀ / (1 + v/c)
Конус Маха (v > c): sin α = c / v
  • Режим «Як в оригіналі»: джерело коливається за синусоїдою навколо центра, x = W/2 + 0,35·W·sin(3w·t). Швидкість змінюється від нуля в точках розвороту до максимуму в центрі, тому картки показують миттєве число Маха. Швидкість хвилі фіксована: 150 px/с.
  • Режим «Рівномірний»: джерело летить зі сталою швидкістю v = M·c і відбивається від країв. Це зручно, щоб звіряти картину з формулами f₀ / (1 ∓ M) і конусом Маха.
  • По краях стоять нерухомі спостерігачі: коли до них доходить фронт, спалахує кільце, а підпис показує виміряну частоту. Після розвороту джерела вони міняються місцями «спереду» і «ззаду».
  • Жовті крапки на осі руху — точки, де фронти хвиль перетинають лінію польоту. Спереду вони зближуються, ззаду розходяться. Їх можна вимкнути галочкою.

Введіть частоту джерела, його швидкість і швидкість спостерігача — отримаєте частоту, яку почує спостерігач при наближенні та віддаленні.

Частота джерела f₀, Гц
Швидкість джерела vs, м/с
Швидкість спостерігача v₀, м/с
Швидкість хвилі в середовищі c, м/с
Середовище
Приклади:
—
Частота при наближенні, Гц
—
Частота при віддаленні, Гц
—
Різниця «до» і «після», Гц
—
Число Маха джерела
—
Довжина хвилі λ₀, м
Наближення: f′ = f₀ · (c + v₀) / (c − vs)
Віддалення: f′ = f₀ · (c − v₀) / (c + vs)
Типові швидкості джерела в повітрі (c = 343 м/с)
M = v/cv, м/сf спереду / f₀f ззаду / f₀Приклад
0.1341.110.91≈ 123 км/год — швидкісний потяг
0.31031.430.77≈ 370 км/год — легкий літак
0.51722.000.67≈ 617 км/год — турбогвинтовий літак
0.72403.330.59≈ 864 км/год — пасажирський лайнер
0.930910.000.53≈ 1111 км/год — біля звукового бар’єру
1.0343∞0.50Звуковий бар’єр: хвилі спереду накопичуються в ударну хвилю

Ефект Доплера онлайн: симуляція та калькулятор

Безкоштовний інтерактивний інструмент, що наочно показує, як рух джерела змінює довжину і частоту хвилі. Анімація відображає кругові фронти хвиль від рухомого джерела: спереду вони стискаються, ззаду розтягуються, а за швидкості понад швидкість хвилі утворюється конус Маха. Окремий калькулятор рахує зсув частоти для заданих швидкостей джерела і спостерігача у повітрі, воді чи будь-якому іншому середовищі.

Ключові поняття

Доплерівський зсув
Різниця між частотою, яку випромінює джерело, і частотою, яку сприймає спостерігач, коли вони рухаються одне відносно одного.
700 Гц → 767 Гц при v = 30 м/с
Число Маха
Відношення швидкості джерела до швидкості хвилі в середовищі. При M < 1 рух дозвуковий, при M > 1 — надзвуковий.
M = 1.4 → кут конуса ≈ 45.6°
Червоне й синє зміщення
Для світла від галактик, що віддаляються, спектр зсувається в червоний бік, а від тих, що наближаються, — у синій. Так астрономи вимірюють швидкості зір і розширення Всесвіту.
Радіальна швидкість зорі за зсувом ліній

Де це застосовують

  • Радари та лідари для вимірювання швидкості автомобілів і дронів
  • Доплерівська ультрасонографія: швидкість кровотоку в судинах і серці
  • Метеорологічні радари, що відстежують рух дощових хмар і вітер
  • Астрономія: червоне зміщення, пошук екзопланет за коливанням зорі
  • Навчання фізики хвиль у школі та на першому курсі університету
  • Розуміння, чому змінюється тон сирени, гудка потяга чи двигуна боліда

Як користуватись

  1. У вкладці «Симуляція» рухайте повзунок швидкості — спостерігайте, як стискаються фронти хвиль
  2. Змінюйте частоту, щоб побачити, як змінюється густота хвиль загалом
  3. Спробуйте M = 1 і M = 1.4: побачите ударну хвилю та конус Маха
  4. У вкладці «Калькулятор» введіть частоту, швидкості та середовище
  5. Скопіюйте результат кнопкою внизу

Часті запитання

Що таке ефект Доплера простими словами?
Це зміна сприйнятої частоти хвилі, коли джерело і спостерігач рухаються одне відносно одного. Якщо джерело наближається, хвилі «стискаються» і частота зростає (звук вищий). Коли віддаляється — хвилі «розтягуються», частота падає (звук нижчий). Саме тому сирена швидкої змінює тон, коли проїжджає повз.
Чому спереду джерела хвилі стиснуті, а ззаду розтягнуті?
Джерело випромінює кожен новий гребінь хвилі з іншої точки простору. Спереду воно «доганяє» власні хвилі, тому відстань між гребенями зменшується до (1 − v/c)·λ₀. Ззаду воно «тікає» від хвиль, і відстань збільшується до (1 + v/c)·λ₀.
Що відбувається, коли швидкість джерела дорівнює швидкості хвилі?
Хвилі спереду більше не обганяють джерело — усі гребені накопичуються в одній точці, утворюючи ударну хвилю. Формула частоти спереду розбігається до нескінченності. Для звуку це звуковий бар’єр, а проходження його супроводжується звуковим ударом.
Що таке конус Маха?
Коли джерело рухається швидше за хвилі, кругові фронти вже не охоплюють його, а утворюють конус із вершиною в джерелі. Половина кута при вершині α задається формулою sin α = 1/M, де M — число Маха (відношення швидкості джерела до швидкості хвилі).
Чи враховує калькулятор рух спостерігача?
Так. Окрім швидкості джерела, можна ввести швидкість спостерігача: тоді при наближенні f′ = f·(c + v₀)/(c − v_s), а при віддаленні f′ = f·(c − v₀)/(c + v_s). Усе рахується локально в браузері, дані нікуди не передаються.