Efeito Doppler

Efeito Doppler é um efeito de aparente mudança da frequência das ondas quando a fonte que o emite está se movendo em relação a um observador.

Podemos observar o efeito Doppler quando nos aproximamos ou afastamos de uma fonte que emite um som.

O efeito Doppler é um fenômeno físico ondulatório caracterizado pela alteração do comprimento de onda e da frequência de onda quando a fonte que as emite está se movendo em relação a um observador. Se a fonte e o observador estão se afastando, o comprimento de onda aumenta e a frequência do som diminui, tornando o som mais grave; mas, se a fonte e o observador estão se aproximando, o comprimento de onda diminui e a frequência do som aumenta, tornando o som mais agudo.

Resumo sobre o efeito Doppler

O efeito Doppler descreve como as ondas são modificadas pelo movimento.
O barulho pode ser grave ou agudo, dependendo da frequência do som.
O efeito Doppler é aplicado nas áreas de medicina, astronomia e nos radares.
No efeito Doppler da luz identifica que corpos celestes que estão se aproximando apresentam um desvio azulado, enquanto os corpos celestes que estão se afastando apresentam um desvio avermelhado.
O efeito Doppler foi desenvolvido pelo físico Johann Doppler (1803-1853) e comprovado experimentalmente pelo químico Christoph Buys-Ballot.
Ele pode ser cobrado no Enem em relação à sua teoria e fórmula.

O que é efeito Doppler?

O efeito Doppler é um fenômeno ondulatório que se manifesta quando há diferenças de velocidade entre um observador e uma fonte emissora de ondas, sejam elas mecânicas (que só se propagam em meios, como o som), sejam elas eletromagnéticas (que não precisam de um meio para se propagarem, como a luz).

Ele ocorre em razão da velocidade de propagação de uma onda depender do meio ao qual ela se propaga, não sendo alterada mesmo que a fonte emissora das ondas e/ou o observador se movam. Então, para que a velocidade de propagação da onda se mantenha constante, é necessário que ocorram variações na frequência da onda e no comprimento da onda.

Podemos observar o efeito Doppler quando ouvimos a altura do som (chamado erroneamente de volume) de uma sirene de uma ambulância em movimento, como na imagem abaixo:

Representação da modificação dos comprimentos de onda do som de uma ambulância em movimento, ocasionando o efeito Doppler.

Quando a fonte emissora de ondas (nesse caso, a sirene) está se afastando do observador, ocorrem o aumento do comprimento de onda e, consequentemente, a diminuição da frequência da onda, com isso, o “volume” do som diminui, tornando o barulho mais grave.

Já se a fonte emissora de ondas estiver se aproximando do observador, ocorrerão a diminuição do comprimento de onda e, consequentemente, o aumento da frequência da onda, com isso, o “volume” do som aumenta, tornando o barulho mais agudo.

É necessário ter em mente que, para que o efeito Doppler aconteça, é necessário que a velocidade da fonte emissora das ondas seja menor que a velocidade de propagação do som, já que se, por exemplo, a velocidade da fonte for igual ou maior que a velocidade do som no ar (de 1224 km/h ou 340 m/s), ocorrerá o fenômeno da quebra de barreira do som.

Aplicações do efeito Doppler

O efeito Doppler é aplicado em diversas áreas, como na medicina, na astronomia e nos radares.

Efeito Doppler na medicina

Na medicina, o efeito Doppler é aplicado em vários exames de imagem, como o exame de ecodopplercardiograma, que detecta anormalidades no coração, e o exame de ultrassom com Doppler, que detecta anormalidades nos fluxos sanguíneos, órgaos e tecidos do corpo.

Nesses exames, ondas sonoras de alta frequência são emitidas no corpo e refletidas sempre que chocam com alguma barreira, como as hemácias. Essa reflexão da onda ocasiona um eco que é transformado por um sistema em imagens em tempo real do movimento do órgão analisado.

Esses exames são usados em pacientes com predisposição ao desenvolvimento de doenças, como grávidas e idosos, já que apresenta menor risco do que o raio X ou a tomografia, e também é usado para orientar os médicos em procedimentos pouco invasivos.

Efeito Doppler na astronomia

Na astronomia, o efeito Doppler é aplicado na medição da velocidade relativa dos corpos celestes, como estrelas e galáxias, em relação à Terra, por meio do efeito Doppler da luz.

O efeito Doppler da luz funciona de maneira similar ao efeito Doppler do som, em que ocorre alteração da frequência, só que, enquanto no som se altera a sua altura (grave ou agudo), na luz se altera a cor (vermelha ou azul).

Então, se a luz proveniente de uma galáxia chegar até nós com elevados comprimentos de onda (ou seja, mais esticadas), a sua frequência será menor e ela terá uma coloração desviada para o vermelho (em inglês, red-shift), significando que a galáxia está se afastando da Terra.

Comprimentos de onda das cores do espectro de luz visível.

Já se a luz proveniente dessa galáxia chegar até nós com baixos comprimentos de onda (ou seja, mais comprimida), a sua frequência será maior e ela terá uma coloração desviada para o azul (em inglês, blue-shift), significando que a galáxia está se aproximando da Terra.

Efeito Doppler nos radares

Nos radares, o efeito Doppler é aplicado na medição da velocidade dos automóveis e aviões, detecção de objetos e identificação de fenômenos metereológicos. Esses radares, chamados de radares Doppler, emitem constantes ondas de rádio, capazes de diferenciar corpos parados dos corpos em movimento.

Fórmulas do efeito Doppler

é a frequência observada, ou frequência Doppler, medida em Hertz .
f é a frequência emitida, medida em Hertz .
é a velocidade do som (ou da onda), medida em .
é a velocidade do observador, medida em .
é a velocidade da fonte emissora das ondas, medida em .

Observação: Para empregar corretamente a fórmula, é necessário identificar se a fonte emissora das ondas e o observador estão se aproximando ou afastando.

Na aproximação do observador, teremos o sinal positivo no numerador.
No afastamento do observador, teremos o sinal negativo no numerador.
Na aproximação da fonte emissora, teremos o sinal negativo no denominador.
No afastamento da fonte emissora, teremos o sinal positivo no denominador.

Descoberta do efeito Doppler

O efeito Doppler foi formulado em 1842 pelo físico Johann Doppler (1803-1853) e comprovado em 1845 pelo químico e metereologista Christoph Buys-Ballot (1817-1890) por meio de um experimento no qual uma banda tocava notas musicais em cima de um vagão de um trem em movimento, enquanto alguns observadores anotavam as notas ouvidas a partir da aproximação e do afastamento dessa locomotiva.

Efeito Doppler no Enem

O efeito Doppler é um dos menos cobrados no Enem, mas pode vir a ser cobrado de forma teórica ou prática. Na primeira forma, podemos ter questões relacionadas à teoria do efeito Doppler, havendo ou não a necessidade de cálculos. Já na segunda forma, podemos ter questões abordando situações do cotidiano por meio de charges ou histórias fictícias.

Exemplo de questão do Enem sobre o efeito Doppler

(Enem) Uma ambulância A em movimento retilíneo e uniforme aproxima-se de um observador O, em repouso. A sirene emite um som de frequência constante . O desenho ilustra as frentes de onda do som emitido pela ambulância. O observador possui um detector que consegue registrar, no esboço de um gráfico, a frequência da onda sonora detectada em função do tempo , antes e depois da passagem da ambulância por ele.

Qual esboço gráfico representa a frequência detectada pelo observador?

Resolução: Alternativa D. Na aproximação da ambulância, acontece o aumento da frequência observada, tornando-a maior do que a frequência emitida pela ambulância; já no afastamento, acontece a diminuição da frequência observada, tornando-a menor do que a frequência emitida pela ambulância.

Exercícios resolvidos sobre efeito Doppler

Questão 1 (ITA) Considere a velocidade máxima permitida nas estradas como sendo exatamente 80 km/h. A sirene de um posto rodoviário soa com uma frequência de 700 Hz, enquanto um veículo de passeio e um policial rodoviário se aproximam emparelhados. O policial dispõe de um medidor de frequências sonoras.

Dada a velocidade do som, de 350 m/s, ele deverá multar o motorista do carro quando seu aparelho medir uma frequência sonora de, no mínimo:

a) 656 Hz.

b) 745 Hz.

c) 655 Hz.

d) 740 Hz.

e) 860 Hz.

Resolução: letra B

Primeiramente, converteremos a velocidade máxima da estrada de km/h para m/s:

Depois, calcularemos a frequência observada por meio da fórmula do efeito Doppler:

Como o veículo de passeio e o policial rodoviário estão se aproximando da sirene, a fórmula é alterada para:

Então, quando o observador estiver a uma velocidade de 80 km/h, ele ouvirá uma frequência de, no mínimo, 745 Hz.

Questão 2 (Urca) Um observador em repouso, munido de um detector de frequências sonoras, detecta uma frequência igual a f₁ quando uma fonte sonora se aproxima e uma frequência igual a f₂ quando essa mesma fonte sonora se afasta. O fenômeno relacionado à alteração da frequência detectada por um observador e uma fonte sonora devido ao movimento relativo entre eles é chamado efeito Doppler. Seja a velocidade de propagação do som no ar, podemos afirmar que a velocidade da fonte sonora é igual a:

Resolução: letra D

Encontraremos a fórmula da velocidade da fonte sonora por meio da fórmula do efeito Doppler:

Pelo enunciado conseguimos identificar que o observador está em repouso, então a velocidade dele é nula, e também que a frequência 1 está se aproximando do observador, então teremos sinal negativo no denominador e sinal positivo no numerador, alterando a fórmula para:

Além disso, no enunciado é mencionado que a frequência 2 está se afastando do observador, então teremos sinal negativo no numerador e sinal positivo no denominador, alterando a fórmula para:

Como a frequência sonora é igual em ambos os casos, faremos a igualdade das equações:

Fazendo a distributiva, temos:

Publicado por Pâmella Raphaella Melo