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Doppler, Christian Johann

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Biografia

Fisico e matematico austriaco (Salisburgo 1803-Venezia 1853). In un suo scritto, pubblicato nel 1842, previde l'esistenza di un fenomeno particolare nella propagazione delle onde emesse da una sorgente in moto rispetto a un osservatore (effetto Doppler). Tale effetto, confermato sperimentalmente da Buys-Ballot nel 1845 per il caso delle onde sonore, fu successivamente (1848) precisato da H. Fizeau che l'applicò agli spettri stellari (effetto Doppler-Fizeau). Doppler indicò anche un metodo per la determinazione ottica delle distanze e del diametro delle stelle fisse.

Fisica: effetto Doppler

Fenomeno consistente nella variazione di frequenza delle onde emesse da una sorgente e percepita da un osservatore, quando sorgente e osservatore siano in moto l'una rispetto all'altro. Il fenomeno si osserva facilmente nel caso di sorgenti sonore quando si sente un suono più acuto se la sorgente si avvicina all'osservatore e uno più grave se se ne allontana. Gli stessi effetti si verificano quando è l'osservatore che si muove rispetto alla sorgente. Con le onde luminose il fenomeno è osservabile in modo sensibile con sorgenti astronomiche o atomiche che abbiano velocità sufficientemente elevate; nel caso astronomico l'effetto si manifesta come una variazione delle lunghezze d'onda della luce emessa da una certa sostanza su un corpo celeste in movimento, rispetto alle lunghezze d'onda emesse dalla stessa sostanza sulla Terra: se sorgente e osservatore si avvicinano, si ha uno spostamento delle componenti dello spettro luminoso verso il violetto, nel caso opposto lo spostamento è verso il rosso. Nei gas fortemente riscaldati si osserva un allargamento delle righe spettrali emesse: questo allargamento è dovuto al fatto che gli atomi che emettono quelle particolari righe si muovono velocemente in tutte le direzioni rispetto agli strumenti di osservazione, determinando piccole variazioni delle frequenze osservate. Con sorgenti sonore si possono distinguere per semplicità due casi che possono verificarsi anche contemporaneamente: A) la sorgente sonora si allontana dall'osservatore con velocità u; allora la frequenza percepita dall'osservatore è ν´=ν/(1/[1+u/v]) in cui v è la velocità del suono e ν è la frequenza percepita quando la sorgente è in riposo. B) La sorgente è in riposo nel mezzo attraverso il quale si propaga il suono, ma l'osservatore si allontana con velocità u; la frequenza percepita è ν´=ν(1-u/v). Con sorgenti luminose non si possono utilizzare le formule precedenti, perché la luce non ha bisogno di un mezzo materiale per propagarsi e la sua velocità relativa alla sorgente o all'osservatore ha sempre il valore c qualunque sia il moto relativo di questi corpi. La formula dell'effetto Doppler, calcolata in accordo con la teoria della relatività è: ν´=ν(1-u/c)/[1-(u/c)²]½. In tutte le precedenti equazioni sostituendo –u a u si ottengono le relazioni adatte al caso in cui la sorgente e l'osservatore si avvicinino l'una all'altro. Se il rapporto u/c è abbastanza piccolo, le differenze tra le tre equazioni precedenti diventano trascurabili. Quando u è maggiore della velocità di propagazione dell'onda, queste formule perdono significato e si verificano altri fenomeni quali l'effetto Čerenkov, la formazione di onde d'urto, ecc. § L'effetto Doppler ottico è utilizzato in astronomia nello studio di stelle binarie spettroscopiche e nella determinazione della velocità radiale di corpi celesti e di porzioni di materia cosmica, mediante la misurazione dello spostamento verso il rosso (red shift) delle righe dello spettro da questi emesso. In fisica, la verifica sperimentale delle formule dell'effetto Doppler ottico costituisce un'importante riprova della validità della teoria della relatività ristretta. Nel campo delle radioonde, l'effetto trova applicazione in alcuni tipi di radar.

Medicina: esame Doppler

In medicina, esame che consente lo studio della velocità di scorrimento del sangue sfruttando l'effetto Doppler. Allo scopo viene utilizzata una sonda emittente-ricevente che invia onde elettromagnetiche a frequenza nota; tali onde, urtando contro i globuli rossi, che scorrono nel sistema cardiocircolatorio, vengono riflesse e tornano alla sonda con una frequenza che è tanto più bassa quanto più veloce è il flusso sanguigno. L'onda di ritorno viene quindi rappresentata graficamente. L'effetto Doppler viene sfruttato in medicina per lo studio non invasivo dei vasi sanguigni (Doppler arterioso e venoso), del cuore (ecocardiografia Doppler), in oftalmologia (per lo studio del flusso attraverso l'arteria retinica), in alcuni settori della medicina interna come complemento all'ecografia bidimensionale (per esempio, per lo studio dei flussi attraverso l'arteria epatica e la vena porta nella diagnostica della patologia del fegato) e in ginecologia per la valutazione dello stato del feto attraverso l'analisi del flusso sanguigno nei vasi del funicolo ombelicale e attraverso lo studio dell'integrità dell'apparato cardiovascolare del feto stesso. Senza dubbio le applicazioni più frequenti dell'effetto Doppler in medicina sono quelle in campo vascolare e cardiologico. In campo vascolare l'analisi del tracciato ottenuto con il Doppler permette di rilevare con facilità anomalie del calibro o della parete dei vasi sanguigni esaminati, soprattutto di quelli più superficiali, ed è quindi particolarmente utilizzato nella diagnosi della patologia arteriosclerotica e delle sue complicazioni. In campo cardiologico l'esame consente la determinazione e la misurazione non invasiva della velocità del flusso del sangue attraverso i vari apparati valvolari o eventuali difetti dei setti cardiaci e, grazie a una semplice formula matematica, consente di ottenere un valore molto preciso del gradiente di pressione transvalvolare. L'ecocardiografiaDoppler contiene informazioni complementari a quelle che si ottengono per mezzo dell'ecocardiografia mono- e bidimensionale, grazie ai due sistemi di applicazione: Doppler continuo e Doppler pulsato. Mentre il Doppler continuo consente la misurazione dei flussi anche di elevata velocità (come, per esempio, quelli che si verificano in presenza di una stenosi valvolare o di un difetto dei setti cardiaci), il Doppler pulsato consente una localizzazione spaziale precisa di un deteminato flusso nel punto desiderato (utile soprattutto per la diagnosi di insufficienza valvolare). Negli ultimi anni del sec. XX il Doppler pulsato si è arricchito della visualizzazione a colori (color-D). Quest'ultima metodica consente di esaminare contemporaneamente molti punti diversi del flusso sanguigno all'interno del cuore, segnalando in colore rosso i flussi che si muovono in direzione della sonda e in blu quelli che si dirigono in senso opposto. L'ecocardiografia Doppler risulta pertanto estremamente utile per la diagnosi e la valutazione evolutiva delle cardiopatie congenite e acquisite (in particolare le valvulopatie), delle anomalie delle valvole cardiache, delle coronaropatie, delle cardiomiopatie, delle malattie pericardiche e dell'aorta. L'ecocardiografia Doppler spettrale utilizza gli ultrasuoni per rilevare la velocità, la direzione e il tipo di flusso nel sistema cardiovascolare. L'ultrasonografia duplex Doppler è una procedura non invasiva che permette di valutare la dissecazione, la stenosi, l'occlusione e l'ulcerazione della biforcazione carotidea e di seguire nel tempo le anomalie soprattutto nei pazienti con attacchi ischemici transitori (TIA). È una procedura diagnostica utilizzata in neurologia.

Trasporti: navigazione Doppler

Metodo di navigazione stimata che consente di conoscere esattamente la velocità rispetto al suolo e la direzione effettiva del moto di un aeroplano. Tale metodo è stato concepito, infatti, per calcolare con precisione la componente longitudinale del vento lungo la traiettoria (da cui si ottiene la velocità rispetto al suolo per somma o differenza con la velocità vera rispetto all'aria) e la componente trasversale del vento, da cui si deduce l'angolo di deriva. Il sistema su cui si basa è autonomo, cioè indipendente da apparati di radioassistenza al suolo, e consta di un'emissione da bordo dell'aereo, verso il basso, di quattro fasci di radioonde a coppie opposte (una anteriore e una posteriore), con l'asse mediano coincidente con quello longitudinale del velivolo. Le radioonde raggiungono il suolo con concordanza di fase e, secondo l'effetto Doppler (da cui il nome dato al metodo), si riflettono con una variazione di frequenza che è in relazione diretta con la velocità dell'aereo. L'apparato ricevitore traduce le variazioni di frequenza fra ciascuna onda trasmessa e la corrispondente, riflessa in forza elettromotrice che aziona il dispositivo di comando di un motore elettrico collegato a un meccanismo elettromagnetico che muove l'antenna attorno a un asse verticale. La forza elettromotrice agisce fino a quando sussiste la differenza di frequenza fra onda emessa e onda ricevuta; questa si annulla quando l'asse dell'antenna è parallelo alla direzione del moto. Perciò l'angolo di cui ruota l'antenna è uguale all'angolo compreso fra la direzione della prua dell'aereo e la direzione del moto, vale a dire l'angolo di deriva. Un elaboratore calcola continuamente le velocità rispetto al suolo. Il sistema è completamente automatico e i valori di angolo di deriva e velocità rispetto al suolo, oltre ad apparire istantaneamente sul quadrante di uno strumento indicatore (cinederivometro), possono essere introdotti nel calcolatore dell'autopilota, che mantiene in tal modo l'aereo accuratamente sulla rotta prefissata. Il sistema Doppler è molto usato nella navigazione aerea a lungo raggio su regioni poco assistite come, per esempio, gli oceani, l'Africa, l'America Meridionale, l'Asia sudoccidentale e l'Oceania.