Efeito Doppler

 O efeito Doppler é um fenômeno físico que ocorre em ondas mecânicas ou eletromagnéticas, manifestando-se quando existem diferenças de velocidade entre a fonte emissora das ondas e o observador externo a ela, alterando o comprimento e a frequência da onda.

Leia também: Acústica — área da Física que estuda os fenômenos relacionados ao som

Resumo sobre efeito Doppler

• Para que ocorra o efeito Doppler é necessário que a velocidade da fonte emissora das ondas sonoras seja menor que a velocidade de propagação do som.

• O efeito Doppler é frequentemente usado na medicina, astronomia e nos radares.

• No efeito Doppler das ondas eletromagnéticas é possível verificar quais corpos celestes estão se aproximando ou se distanciando da Terra de acordo com o desvio de cor apresentado.

• Corpos celestes que estão se aproximando apresentam desvio para o azul, e corpos celestes que estão se distanciando apresentam desvio para o vermelho.

• A teoria do efeito Doppler foi formulada por Johann Doppler (1803–1853) e constatada experimentalmente por Christoph Buys-Ballot.

• No Enem, podemos ter questões teóricas ou práticas a respeito do efeito Doppler.

Videoaula sobre efeito Doppler

O que é efeito Doppler?

O efeito Doppler é um fenômeno ondulatório que é perceptível quando há variações de velocidade entre a fonte que emite as ondas sonoras e um observador externo. Como a velocidade de propagação de uma onda varia apenas com o meio em que ela se transporta, é imprescindível que aconteçam modificações no comprimento da onda e na frequência da onda, a fim de que a velocidade da onda continue constante.

Esse efeito só ocorre se a velocidade da fonte emissora das ondas sonoras for menor que a velocidade de propagação do som. Caso contrário, podemos ter, por exemplo, o fenômeno da quebra de barreira do som, em que a velocidade da fonte emissora das ondas sonoras no ar possui velocidade maior ou igual à velocidade do som no ar (que vale 340 m/s).

O efeito Doppler é observado quando escutamos a altura do som (conhecida equivocamente como volume) de sirenes, buzinas ou até o som emitido por pessoas em movimento.

Quando a fonte emissora de ondas sonoras (nesse caso, a sirene) está se distanciando do observador, temos a elevação do comprimento de onda sonora e, consequentemente, a diminuição da frequência da onda sonora, o que abaixa a altura do som, ocasionando um som mais grave.

Já quando a fonte emissora de ondas sonoras está se aproximando do observador, temos a diminuição do comprimento de onda sonora e, consequentemente, a elevação da frequência da onda sonora, o que aumenta a altura do som, ocasionando um som mais agudo.

Veja também: Como funciona um sonar?

Aplicações do efeito Doppler

O efeito Dopler é empregado em várias áreas, como na medicina, na astronomia e até nos radares.

• Efeito Doppler na medicina

O efeito Doppler pode ser empregado na medicina em alguns exames de imagem, como o ecodopplercardiograma, que identifica anormalidades no coração, e o exame de ultrassom com Doppler, que identifica anormalidades nos fluxos sanguíneos, órgaos e tecidos do corpo.

Esses exames emitem no corpo ondas sonoras com altas frequências que, ao encontrarem uma barreira, como as hemácias, são refletidas e ocasionam um eco. Depois, são transformadas em imagens em tempo real dos órgãos analisados.

• Efeito Doppler em radares

O efeito Doppler também pode ser empregado nos radares, conhecidos como radares Doppler, que emitem ondas de rádio capazes de distinguir corpos em repouso de corpos em movimento. Eles são usados na medição da velocidade dos automóveis e aeronaves, localização de corpos submersos, reconhecimento de fenômenos metereológicos e outros.

Efeito Doppler da luz

O efeito Doppler das ondas eletromagnéticas é usado na astronomia para medir a velocidade relativa de corpos celestes, como galáxias e estrelas, em relação à Terra. Ele ocorre de forma similar ao efeito Doppler das ondas sonoras, em que a análise da velocidade relativa é alterada de acordo com a frequência. Mas, diferente do efeito Doppler sonoro, em que temos a modificação da altura do som (grave ou agudo), no efeito Doppler luminoso temos a modificação da cor da luz, sendo vermelha ou azul.

Quando a luz de um corpo celeste atinge a Terra com grandes comprimentos de onda (ondas mais esticadas), ela apresenta baixas frequências de oscilação, então a cor é desviada para o vermelho (em inglês, red-shift), o que quer dizer que esse corpo celeste está se afastando da Terra.

Já se a luz do corpo celeste que atinge a Terra possui baixos comprimentos de onda (ondas mais comprimidas), ela apresenta altas frequências de oscilaçao, então a cor é desviada para o azul (em inglês, blue-shift), o que quer dizer que esse corpo celeste está se aproximando da Terra.

Qual a fórmula do efeito Doppler?

\(f_o=f\cdot \frac{v_{som}±v_o}{v_{som}±v_{fonte}}\)

\(\mathbf f_o\) é a frequência observada, ou frequência Doppler, medida em Hertz [Hz ].

f é a frequência emitida, medida em Hertz [Hz ].

\(\mathbf{v_{som}}\) é a velocidade do som (ou da onda), medida em [m/s] .

\(\mathbf{f_o}\) é a velocidade do observador, medida em [m/s] .

\(\mathbf{v_f}\) é a velocidade da fonte emissora das ondas, medida em [m/s] .

Observação: Os sinais no numerador e denominador variam de acordo com a aproximação ou afastamento do observador e da fonte.

• Observador se aproxima da fonte emissora: sinal positivo no numerador.

• Observador se afasta da fonte emissora: sinal negativo no numerador.

• Fonte emissora se aproxima do observador: sinal negativo no denominador.

• Fonte emissora se afasta do observador: sinal positivo no denominador.

Descoberta do efeito Doppler

Em 1842, a teoria do efeito Doppler foi desenvolvida pelo físico Johann Doppler (1803–1853). Mas somente em 1845 ela foi confirmada, pelo físico-químico e metereologista Christoph Buys-Ballot (1817–1890), através de um experimento que consistia no registro das notas musicais ouvidas por alguns observadores quando uma banda de trompetistas tocava notas musicais sobre um vagão de trem em movimento.

Pouco tempo depois, o físico Hippolyte Fizeau (1819–1896) descobriu o efeito Doppler nas ondas eletromagnéticas, chamado de efeito Doppler relativístico.

Saiba mais: Cinco fatos importantes sobre o som

Efeito Doppler no Enem

O Efeito Doppler é um dos assuntos de Física menos cobrados no Enem. Mas caso apareça, podemos ter questões sobre a sua teoria, que envolvem questões conceituais com ou sem a necessidade de realização de cálculos (sendo essa a forma menos cobrada), ou questões a respeito da sua prática, envolvendo charges ou histórias fictícias do cotidiano a fim de que o estudante realize uma breve análise baseando-se nos seus conhecimentos sobre o efeito Doppler.

→ Exemplo de efeito Doppler em questão do Enem

(Enem) Um tipo de radar utilizado para medir a velocidade de um carro baseia-se no efeito Doppler. Nesse caso, as ondas eletromagnéticas são enviadas pelo radar e refletem no veículo em movimento e, posteriormente, são detectadas de volta pelo radar. Um carro movendo-se em direção ao radar reflete ondas com:

a) intensidade maior.

b) velocidade maior.

c) amplitude menor.

d) altura menor.

e) frequência maior.

Resolução:

Alternativa E. Como o carro está se movendo em direção ao radar, há uma aproximação entre eles, então a frequência da onda sonora aumenta, ou seja, ouve-se um som mais agudo.

Exercícios resolvidos sobre efeito Doppler

1. (PUCCamp-SP) Um professor lê o seu jornal sentado no banco de uma praça e, atento às ondas sonoras, analisa três eventos:

I – O alarme de um carro dispara quando o proprietário abre a tampa do porta-malas.

II – Uma ambulância se aproxima da praça com a sirene ligada.

III – Um mau motorista, impaciente, após passar pela praça, afasta-se com a buzina permanentemente ligada.

O professor percebe o efeito Doppler apenas:

a) no evento I, com frequência sonora invariável.

b) nos eventos I e II, com diminuição da frequência.

c) nos eventos I e III, com aumento da frequência.

d) nos eventos II e III, com diminuição da frequência em II e aumento em III.

e) nos eventos II e III, com aumento da frequência em II e diminuição em III.

Resolução:

Alternativa E. O professor percebe o efeito Doppler nos eventos em que o automóvel está se movimentando e emitindo ondas sonoras ao mesmo tempo. No evento II temos aumento da frequência, já que o motorista está se aproximando da praça, e no evento III temos diminuição da frequência, já que o motorista está se afastando da praça.

2. (FGV) Um carro trafega a 20 m/s em uma estrada reta. O carro se aproxima de uma pessoa, parada no acostamento, querendo atravessar a estrada. O motorista do carro, para alertá-la, toca a buzina, cujo som, por ele ouvido, tem 640 Hz. A frequência do som da buzina percebida pela pessoa parada é, aproximadamente,

Considere: a velocidade do som no ar é igual a 340 m/s e não há vento.

a) 760 Hz

b) 720 Hz

c) 640 Hz

d) 600 Hz

e) 680 Hz

Resolução:

Alternativa E. Calcularemos a frequência do som percebida pelo observador através da fórmula do efeito Doppler:

\(f_o=f\cdot \frac{v_{som}±v_o}{v_{som}±v_{fonte}}\)

Como o observador e a fonte emissora estão se aproximando, temos o sinal positivo no numerador e o sinal negativo no denominador.

\(f_o=f\cdot \frac{v_{som}+v_o}{v_{som}-\ v_{fonte}}\)

\(f_o=640\cdot \frac{340+0}{340-20}\)

\(f_o=640\cdot \frac{340}{320}\)

\(f_o=680\ Hz\)

Fontes

HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos da Física: Gravitação, Ondas e Termodinâmica (vol. 2) 8. ed. Rio de Janeiro, RJ: LTC, 2009.

NUSSENZVEIG, Herch Moysés. Curso de física básica: Fluidos, Oscilações e Ondas, Calor (vol. 2). 5 ed. São Paulo: Editora Blucher, 2015.