Còi xe cứu thương nghe cao lên khi xe tiến lại gần và trầm xuống khi xe đi xa, vì chiếc xe đang đuổi theo chính những đợt sóng âm nó phát ra. Lúc tới gần, mỗi đợt sóng được phát ra ở vị trí gần bạn hơn đợt trước, các đợt dồn sát nhau, tai bạn nhận nhiều đợt hơn mỗi giây nên nghe tiếng cao hơn. Lúc xe đi xa, các đợt sóng bị kéo giãn ra, tiếng trầm xuống.
Chào bạn, đây là Nhà Vật Lý. Tiếng còi đổi giọng khi xe vụt qua là âm thanh quen thuộc của mọi thành phố. Nó có tên là hiệu ứng Doppler, và từ cái đổi giọng nhỏ ấy, con người đã làm ra súng bắn tốc độ, máy đo dòng máu và cả cách đo chuyển động của những thiên hà xa xôi.
Hình dung sóng âm như những vòng tròn trên mặt ao
Thả một hòn sỏi xuống mặt ao yên tĩnh, những vòng tròn đồng tâm lan ra đều mọi phía. Giờ hình dung bạn cầm một que, cứ đều tay chấm xuống mặt nước, mỗi giây một lần. Nếu bạn đứng yên, các vòng tròn vẫn đồng tâm, khoảng cách giữa chúng đều nhau.
Bây giờ vừa chấm vừa bước đi chậm về phía trước. Mỗi vòng mới có tâm ở phía trước tâm vòng cũ một chút. Phía trước mặt bạn, các vòng tròn chen sát vào nhau. Phía sau lưng, chúng giãn thưa ra.
Sóng âm từ chiếc còi cũng y như vậy, chỉ là chúng lan ra trong không khí theo mọi hướng. Xe chạy về phía bạn thì bạn ở phía trước, nơi các đợt sóng chen sát nhau. Xe đã vượt qua thì bạn ở phía sau, nơi chúng giãn ra.
Khoảng cách giữa các đợt sóng ngắn thì tai nhận nhiều đợt mỗi giây, tần số cao, tiếng bổng. Khoảng cách dài thì tần số thấp, tiếng trầm. Bản thân chiếc còi lúc nào cũng kêu cùng một kiểu.
Doppler và những người thổi kèn trên tàu hoả
Hiệu ứng này mang tên Christian Doppler, nhà vật lý người Áo, người đã đề xuất ý tưởng vào giữa thế kỷ mười chín. Thú vị là ông nêu ý tưởng để giải thích màu sắc của các ngôi sao đôi, trước khi nó được kiểm chứng rõ nhất với âm thanh.
Không lâu sau, nhà khoa học Hà Lan Buys Ballot đã làm một thí nghiệm rất đáng yêu: cho các nhạc công thổi một nốt nhạc cố định trên một toa tàu đang chạy, còn những người có thính giác tốt đứng bên đường ray ghi lại cao độ họ nghe được. Nốt nhạc nghe cao lên khi tàu tới và thấp đi khi tàu rời xa, đúng như dự đoán.
Một điểm hay bị hiểu nhầm: tiếng còi to lên khi xe tới gần và nhỏ đi khi xe đi xa là chuyện khác. Đó là độ to, do khoảng cách. Hiệu ứng Doppler nói về cao độ, tức tiếng bổng hay trầm.
Mức thay đổi cao độ phụ thuộc vào tốc độ của xe so với tốc độ âm thanh. Xe chạy càng nhanh, tiếng đổi giọng càng rõ. Đứng bên đường đua mô tô, tiếng động cơ vút qua nghe như một đường trượt từ cao xuống thấp rất gắt.
Súng bắn tốc độ của cảnh sát giao thông
Thiết bị đo tốc độ trên đường dùng sóng điện từ, là sóng vô tuyến hoặc tia laser, chứ không dùng âm thanh, nhưng nguyên lý vẫn là Doppler. Máy phát ra sóng có tần số biết trước, sóng chạm vào chiếc xe đang chạy và dội về.
Xe chạy về phía máy làm sóng dội về có tần số cao hơn một chút, xe chạy ra xa làm tần số thấp hơn. Máy so tần số sóng dội về với sóng đã phát, từ độ lệch tính ngay ra tốc độ của xe.
Độ lệch tần số này rất nhỏ so với tần số gốc, nhưng thiết bị điện tử đo được với độ chính xác cao. Toàn bộ phép đo chỉ mất một phần nhỏ của giây.
Các trạm ra đa thời tiết cũng dùng hiệu ứng Doppler để đo các hạt mưa trong cơn bão đang chuyển động về phía nào và nhanh cỡ nào, từ đó nhận ra vùng gió xoáy nguy hiểm.
Siêu âm Doppler: nghe tiếng dòng máu chảy
Trong bệnh viện, máy siêu âm Doppler phát sóng siêu âm vào cơ thể. Sóng dội lại từ các tế bào máu đang chảy trong mạch. Máu chảy về phía đầu dò làm tần số sóng dội về tăng, chảy ra xa thì giảm.
Máy chuyển độ lệch đó thành hình ảnh màu trên màn hình, thường là hai màu cho hai chiều dòng chảy, hoặc thành âm thanh vù vù theo nhịp tim. Từ đó bác sĩ đánh giá được dòng máu chảy tốt hay bị hẹp, tắc ở đâu.
Máy nghe tim thai cầm tay mà bác sĩ sản khoa áp lên bụng mẹ cũng dùng nguyên lý này. Tiếng thình thịch nhanh bạn nghe được là kết quả của sóng dội lại từ trái tim nhỏ đang đập.
Đọc kết quả siêu âm là việc của bác sĩ. Phần của vật lý chỉ là giải thích vì sao một cái máy có thể nghe được chuyển động mà mắt không nhìn thấy.
Từ còi xe tới các thiên hà xa xôi
Ánh sáng cũng là sóng, và cũng chịu hiệu ứng Doppler. Một nguồn sáng đi ra xa thì ánh sáng của nó bị kéo giãn về phía màu đỏ, đi lại gần thì bị dồn về phía màu xanh lam. Với tốc độ thường ngày, độ lệch nhỏ tới mức mắt không thấy, nhưng máy đo quang phổ thì đo được.
Các nhà thiên văn dùng độ lệch đó để biết một ngôi sao đang tiến lại hay lùi ra xa, quay quanh một ngôi sao khác với tốc độ bao nhiêu. Nhiều hành tinh quanh những ngôi sao khác đã được phát hiện nhờ ngôi sao mẹ bị chúng kéo lắc lư qua lại, làm ánh sáng của nó lệch đỏ rồi lệch xanh đều đặn.
Tất cả bắt đầu từ cùng một ý: khi nguồn sóng chuyển động, những đợt sóng phía trước chen sát, phía sau giãn ra.
Câu hỏi để bạn nghĩ tiếp: nếu chiếc máy bay bay nhanh bằng đúng tốc độ âm thanh, các đợt sóng âm phía trước nó sẽ chen sát tới mức nào, và chuyện gì xảy ra với chúng?
Câu hỏi thường gặp
Người lái xe cứu thương có nghe tiếng còi đổi giọng không?
Không. Người lái chuyển động cùng chiếc còi nên khoảng cách giữa họ và còi không đổi, họ nghe tiếng còi luôn ở một cao độ. Chỉ người đứng yên bên đường hoặc người đi ngược chiều mới nghe tiếng đổi giọng.
Nếu mình chạy về phía chiếc còi đứng yên thì có nghe tiếng cao hơn không?
Có. Khi người nghe tiến về phía nguồn âm, tai gặp các đợt sóng thường xuyên hơn nên nghe tần số cao hơn. Hiệu ứng Doppler xảy ra khi có chuyển động tương đối giữa nguồn và người nghe.
Hiệu ứng Doppler có làm thay đổi độ to của tiếng không?
Độ to chủ yếu thay đổi do khoảng cách. Hiệu ứng Doppler là sự thay đổi cao độ, tức tiếng bổng hay trầm, dù trong thực tế cả hai thay đổi xảy ra cùng lúc khi xe chạy qua.
Tiếng nổ khi máy bay vượt tốc độ âm thanh là gì?
Khi máy bay bay nhanh hơn âm thanh, các đợt sóng âm chồng lên nhau thành một mặt sóng nén mạnh hình nón kéo theo sau máy bay. Khi mặt sóng này quét qua chỗ bạn đứng, bạn nghe một tiếng nổ lớn gọi là tiếng nổ siêu thanh.
Dơi có dùng hiệu ứng Doppler không?
Một số loài dơi được cho là dùng cả độ lệch tần số của tiếng vang để nhận biết côn trùng đang bay về phía nào và đập cánh thế nào. Cách dùng cụ thể khác nhau giữa các loài.
