Hetki, jolloin ambulanssin sireenin ääni muuttuu! Älypuhelimella koettava hämmästyttävä tiedekoe (Doppler-ilmiö)
Tervehdys! Olen Ken Kuwako, tiedevalmentajasi. Minulle jokainen päivä on uusi koe.
”Pii-paa, pii-paa!” Lähestyvä ambulanssi kiitää ohi, ja juuri hurahtaessaan kohdaltasi ääni muuttuu yllättäen matalammaksi ja venyväksi ”piii-pooo…” -ääneksi. Oletko koskaan miettinyt, miksi näin käy?
Vaikuttaa melkein siltä kuin ambulanssi menettäisi puhtinsa ohitushetkellä, mutta kyseessä on todellisuudessa äänen perusolemukseen eli aaltoliikkeeseen liittyvä dynaaminen fysiikan ilmiö. Tässä artikkelissa sukellamme Doppler-ilmiön kiehtovaan maailmaan ja opimme, miten voit testata tätä arkipäivän ihmettä kotona pelkän älypuhelimen avulla!
Tutki äänen ihmeitä: Kotikokeilijan opas Doppler-ilmiöön
Doppler-ilmiö tarkoittaa sitä, että äänenkorkeus muuttuu, kun äänen lähde liikkuu suhteessa kuulijaan.
Äni on ilman värähtelyä eli aaltoja. Kun äänilähde lähestyy sinua, peräkkäiset ääniaallot pakkautuvat tiiviimmin toisiaan vasten, jolloin aallonpituus lyhenee. Kun taas äänilähde loitonee, aallot ikään kuin jäävät jälkeen ja venyvät pidemmiksi.
Meidän korvamme tulkitsevat tiheät aallot korkeana äänenä ja harvat aallot matalana äänenä. Ambulanssin sireenin muutos ei siis johdu itse laitteesta, vaan siitä, miten ääniaallot ”puristuvat” ja ”venyvät” matkalla korviisi.
Kuunnellaanpa ensin ero tästä videosta. Huomaa, miten tasoristeyksen ääni muuttuu junan sisällä ja ulkopuolella.
Tässä on vielä esimerkki siitä, miltä oikea ambulanssi kuulostaa ohitushetkellä.
Huomasitko? Sireenin sävelkorkeus laskee selvästi juuri kun auto menee ohi.
Animointi auttaa ymmärtämään: Näin aallot pakkautuvat
Miksi liikkuva kohde saa aallot puristumaan? Visualisoin tämän Scratch-ohjelmointialustalla tehdyn oppimateriaalin avulla. Voit nähdä, miten ambulanssi luo ääniaaltoja liikkuessaan. Kokeile itse muuttaa äänilähteen liikettä ja seuraa ”aaltotiheyden” muutosta alla olevasta linkistä tai ikkunasta. Voit kokeilla sitä täältä.
https://youtu.be/ops5QOlARcA
Kun äänilähde on paikallaan, aaltorenkaat leviävät tasaisesti kaikkiin suuntiin.
Mutta kun äänilähde liikkuu vasemmalle, uudet aallot syntyvät lähemmäs edellisiä, jolloin välimatka lyhenee.
Vastaavasti oikealla puolella aallot jäävät jälkeen ja niiden väli kasvaa merkittävästi.
Tämä visuaalinen oivallus on ensimmäinen askel fysiikan hauskaan oppimiseen. Nyt on aika siirtyä käytäntöön älypuhelimen kanssa!
Tieteen resepti: Koe Doppler-ilmiö omalla puhelimellasi!
Kouluissa käytetään usein kalliita äänirautoja Doppler-ilmiön havainnollistamiseen, mutta sinun ei tarvitse huolehtia hinnasta. Taskussasi on jo huippuluokan tutkimusväline: älypuhelimesi.
Salaisuus ilmiön havaitsemiseen on riittävän korkean äänen käyttäminen. Käytämme apuna sovellusta, jolla voi tuottaa puhtaita taajuuksia.
Tarvikkeet
- Älypuhelin (esim. iPhone)
- Tone Generator -sovellus (mikä tahansa, jolla saa n. 2000 Hz äänen)
Ohjeet
- Avaa sovellus ja aseta taajuudeksi 1000 Hz. Kuulet korkean vinkaisun.
- Pidä puhelinta kädessäsi ja pyydä kaveria seisomaan edessäsi.
- Liikuta puhelinta nopeasti edestakaisin kaveria kohti ja poispäin.
Katso tästä videosta, miltä testi näyttää käytännössä.
Huomasitko? Ääni tuntuu aaltoilevan, vaikka sovellus soittaa koko ajan samaa ääntä. Kyse ei ole äänenvoimakkuudesta, vaan nimenomaan äänenkorkeuden (taajuuden) vaihtelusta.
Jos kotoasi löytyy pyörivä alusta (kuten tv-taso tai pyörivä tarjoilualusta), voit asettaa puhelimen sen päälle ja pyörittää sitä. Näin saat aikaan jatkuvan ja selkeän ”vouvou”-äänen.
Yhteenveto ja vinkkejä
Tämän kokeen hienous on siinä, että voit luoda itse ilmiön, jonka yleensä vain kuulemme sivusta. Kun puhelin lähestyy, ääni nousee – kun se loitonee, ääni laskee. Tiesitkö, että tätä samaa periaatetta käytetään jopa avaruuden tutkimuksessa selvittämään, miten kaukaiset galaksit liikkuvat meistä poispäin? Muista kokeillessasi pitää puhelimesta tukevasti kiinni, ettet kolhi itseäsi tai muita!
Tämä ja monta muuta koetta löytyvät teoksestani ”High School Physics Review Notebook”. Tutustu myös erikoissivustoomme.
Ota yhteyttä
Tiede on parasta jaettuna! Teen tieteestä ymmärrettävää ja hauskaa kokeiden kautta. ・Lisätietoja minusta (Ken Kuwako) löydät täältä ・Yhteistyöpyynnöt (luennot, työpajat, TV-esiintymiset jne.) tämän linkin kautta ・Seuraa uusimpia päivityksiä X-palvelussa (ent. Twitter)!
Science Lab -kanavalla runsaasti lisää koevideoita!
