Fenomeno per cui un osservatore in moto relativo rispetto ad una orgente di onde sonore od elettromagnetiche misura una frequenza diversa da quella con la quale le onde vengono emesse. Fu scoperto nel 1842 da C. Doppler per le vibrazioni sonore e successivamente fu esteso a qualsiasi forma di onde. ● Acust. - L'e.D. si manifesta ogni qualvolta si ha un moto relativo fra la sorgente di onde sonore ed un osservatore (che percepisce tale suono) lungo la congiungente sorgente-osservatore. Se il moto relativo di uno rispetto all'altro avviene in una direzione diversa, valgono le stesse considerazioni che saranno svolte, purché la velocità relativa sia intesa come componente (della velocità relativa effettiva) lungo la congiungente detta. Si può allora vedere che allorché l'osservatore si muove avvicinandosi alla sorgente (o viceversa) il suono assume un tono più acuto; se il moto avviene nel senso opposto il suono assume un tono più grave. Intuitivamente il fenomeno si può spiegare così. Sia V la velocità di suono nel mezzo considerato (ad es. aria), e si considerino le onde sonore che si propagano dalla sorgente S lungo la retta che la congiunge con l'osservatore O. Se f è la frequenza (supposta costante) del suono emesso, le sue vibrazioni hanno una lunghezza d'onda λ data da λ = V/f che è espressa in metri se V è in m/secondo ed f in cicli/secondo. Supponiamo V = 340 m/secondo ed f = 100. Se l'osservatore è fermo, in 1 secondo percepisce tutte le vibrazioni contenute in uno spazio lungo V, cioè 340 m. La lunghezza d'onda del suono che gli giunge è di λ = 340/100 = 3,4 m. Supponiamo ora l'osservatore O in moto lungo la S-O verso S con la velocità di 68 m/secondo. Egli percepirà non solo tutte le vibrazioni che gli sarebbero pervenute in 1 secondo, ma anche tutte quelle che si trovano sullo spazio da lui percorso. In totale riceverà quindi 100 + (68/3,4) = 120 vibrazioni. Per lui quindi il suono ha una frequenza apparente di 120 Hz anziché di 100 Hz. Lo stesso discorso vale se l'osservatore si allontana da S, con l'avvertenza che esso riceve tutte le onde distribuite su V metri, meno quelle che sono presenti su uno spazio lungo U, se U è la sua velocità di allontanamento (in m/sec). Passando ad una formulazione matematica, mantenendo i simboli usati si può scrivere che la frequenza percepita da O nel caso che questo si avvicini ad S (considerata ferma) con un moto relativo di velocità U è data da:

Se invece O si allontana da S sempre con velocità U, la frequenza da lui percepita è data da:

Come si può vedere si ha che f'>f mentre f"<f, come si era già detto. Naturalmente se S ed O si muovono entrambi, si considera sempre la sorgente (o l'osservatore) fissa e valgono le stesse considerazioni. Ad esempio se la sorgente si avvicina all'osservatore con velocità U' e questo si avvicina ad S con velocità U si ha che la frequenza percepita vale:

formula che si può facilmente ricavare da quelle precedenti. Per comodità si usa spesso distinguere due casi: a) sorgente che si avvicina con velocità U all'osservatore immobile; b) osservatore che si avvicina alla sorgente (immobile) con velocità U. I casi in cui vi sia allontanamento rientrano in questi, pur di cambiare segno alle velocità (che sono assunte positive se si ha avvicinamento). In tali due casi le formule diventano: caso a):

caso b) dell'osservatore mobile:

Queste due formule riassumono tutti i casi e si prestano ad essere sviluppate. Ad es. la prima può essere sviluppata nella serie:

Trascurando i termini di ordine superiore al primo (cosa lecita per U abbastanza minore di V) si ha che:

Questo risultato mostra che - per U molto minore di V - gli effetti del moto dell'osservatore o della sorgente sono gli stessi (a pari velocità). è quindi giustificato parlare solo di velocità relativa fra S ed O, come si è fatto all'inizio della voce, senza distinguere se si muove l'uno o l'altro o entrambi. Nel caso in cui anche il mezzo in cui si propaga il suono si muova, la sua velocità va sommata o sottratta ai vari termini. Una semplice osservazione dell'e.D. acustico è nota a tutti. Ognuno avrà infatti osservato che il fischio di un treno che si avvicina è molto più acuto di quello percepito quando esso si allontana. Basta ascoltare il passaggio di un treno per avvertire nettamente il cambio di tono (che diventa più grave) che avviene durante il transito in prossimità dell'osservatore. Lo stesso fenomeno può essere notato assistendo al passaggio di un'auto molto veloce. Se questa corre a 180 km/h cioè a 50 m/sec la sua velocità è infatti confrontabile con quella del suono nell'aria (340m/sec ca.). ● Ott. - L'e.D. ottico, cioè quello che si manifesta su onde elettromagnetiche, ha una grandissima importanza sia teorica sia pratica. Dal punto di vista teorico esso è stato previsto dalla relatività ristretta; la verifica della validità della trasformazione di Lorentz (e quindi della Teoria della Relatività ristretta che si basa su questa) venne infatti condotta sperimentalmente in base all'e.D. ottico. Secondo questo l'osservazione di una stella può permettere di riconoscerne il moto relativo alla Terra. Se la stella si avvicina la frequenza delle vibrazioni elettromagnetiche che essa emette sarà più alta, e quindi il suo colore tenderà verso il violetto; se invece essa si allontana la frequenza apparirà più bassa e quindi il suo colore tenderà verso il rosso. Appunto sullo spostamento verso il rosso dello spettro ottico delle galassie si basa il riconoscimento della continua espansione dell'Universo scoperta negli ultimi decenni. Trascurando le formule che sono un po' più complesse che per l'e.D. acustico, si può dire che dallo spostamento delle bande delle stelle verso il rosso o verso il violetto è possibile stabilire il moto di allontanamento o avvicinamento di una stella alla Terra. Non è possibile invece riconoscere un moto di tipo trasversale, cioè che avviene senza variazione di distanza fra la Terra e la stella in quanto l'e.D. non si manifesta. La stessa osservazione è applicabile anche alle masse gassose presenti nello spazio interstellare. Oltre a queste osservazioni, in astronomia se ne sono fatte altre pure importanti. Ad esempio vi sono delle stelle doppie non risolvibili al telescopio in quanto i due elementi che le compongono sono visti sotto un angolo tanto piccolo da non essere distinguibili. Per mezzo dello studio del loro spettro allo spettroscopio in particolari condizioni si può invece osservare uno spostamento (o allargamento o distorsione) delle loro bande di emissione che permette di risolverle come stelle doppie e addirittura di calcolare il periodo della rotazione relativa. Oltre allo spostamento verso il rosso - o red shift - dello spettro ottico delle galassie, l'e.D. causa anche uno spostamento delle frequenze radio per effetto del moto relativo fra sorgente e osservatore. Questo fatto è sfruttato nella radioastronomia in modo analogo a quanto detto per il red-shift. Tale spostamento in effetti è sfruttato anche in applicazioni diverse, per esempio in certi tipi di radar che sono detti radiotachimetri. Essi infatti sono in grado di misurare non solo la distanza di un oggetto (dalla misura del tempo impiegato da un treno d'onde a coprire la distanza antenna-oggetto-antenna) ma anche la sua velocità se questa è abbastanza elevata (ad es. come quella di un aereo). La velocità dell'oggetto infatti causa per e.D. una piccola variazione di frequenza del fascio di onde radar che esso riflette; il ricevitore è in grado di apprezzare questa variazione e di tradurla in termini di velocità. Simili dispositivi vengono usati per misurare la velocità di bersagli mobili (aerei, navi, ecc.) ovvero per distinguere questi da altri oggetti riflettenti le onde (come il suolo, montagne, superficie del mare, ecc.). Fra le applicazioni pacifiche di questo tipo di radar vi sono dei perfezionati misuratori di velocità per gli aerei, montati a bordo degli aerei stessi e collegati al pilota automatico ed i misuratori di velocità per automobili usati per rilevare infrazioni per eccesso di velocità in molte nazioni.

Schematizzazione dell'effetto Doppler

Doppler, Effetto.