Christian Johann Doppler ve Doppler Etkisi Nedir?

Bir dalganın frekansının kaynağın ve gözlemcinin göreceli hızına bağlı olduğunu belirten “Doppler Etkisi” ilkesini bulan Avusturyalı matematikçi ve fizikçi Christian Johann Doppler, taş ustası Johann Evangelist ve ev hanımı Theresia’nın beş çocuğunun üçüncüsü olarak 29 Kasım 1803’te Avusturya’nın Salzburg kentinde dünyaya gelir. Annesi, orta sınıf bir tarak üreticisinin kızıydı, hayatlarını oldukça rahat hale getiren önemli çeyiz getirmişti. Çocukluğundan itibaren zayıf bir bünyeye sahip olan Christian’ın, olağanüstü matematik yeteneğini fark eden Salzburg Lisesi matematik öğretmeni Simon Stampfer’in tavsiyesi ve ilkokuldaki iyi notları nedeniyle 1816 yılında Salzburg Gymnasium’a gönderilir. Ancak 1819’da kendisi için aynı mesleği planlayan babası onu okuldan alır ve Linz’deki normal bir okula gönderir. Simon Stampfer’in yenilenen tavsiyesi üzerine Christian, Viyana’daki Politeknik Enstitüsü’ne gönderilir; 1825’te mezun olur. Doppler’in, Salzburg Spor Salonu kaydında kaydedilen bilgilerden, dinde, Latince ve Yunanca’da iyi not aldığını ve matematik, coğrafya ve tarihte mükemmel olduğunu biliyoruz. Daha sonra bir yıl Salzburg Lisesi’nde felsefe okur. Bunu, Doppler’in 1829’da başarıyla tamamladığı Viyana Üniversitesi’ndeki matematik, mekanik ve astronomi çalışmalar izler. 1829 yılında Viyana Üniversitesi’nden mezun olduktan sonra geçici olarak Viyana Politeknik Enstitüsü’nde yüksek matematik ve mekanik profesörü Adam Burg’a asistan olarak atanır. Asistanlığı sırasında Doppler, ilki “Paralellik teorisine bir katkı” olmak üzere dört matematik makalesi yayımlar. 1833 yılında geçici görevi bittiği için farklı üniversitelere başvurur ancak olumlu cevap almaz. 1833-1835 arasındaki dönem Doppler için zor yıllardır. Bir yıl boyunca Bruck an der Leitha’daki bir pamuk fabrikasında muhasebeci olarak çalışır. Tüm akademik başvurularına aldığı olumsuz cevaplar üzerine Amerika Birleşik Devletleri’ne göç etmeyi planlamaya başlar. 1835 yılında tam gidiş planları, hazırlıkları tamamlanmışken, 2 yıl önce başvurduğu Prag’daki Teknik Okulu’na aritmetik, cebir ve geometri profesörü olarak kabul edilir.

Doppler’in 1843’ten 1847’ye kadar yaşadığı Prag’daki evin üzerindeki levha

Doppler’in, Prag’daki Evi. 1836 yılında altın ve gümüş ustasının kızı olan Mathilde Sturm ile evlenir. Beş çocukları dünyaya gelir, on bir yıl boyunca Prag’da yaşarlar. Christian Johann Doppler, kendi adıyla anılan akustik algılama etkisi olan “Doppler Etkisini ” ilk defa 1842 yılında tanımlar. Doppler etkisi, dalga kaynağı ile gözlemci arasında göreceli bir hareket varlığında, geri dönen dalgaların frekansında izlenen değişiklikler olarak tarif edilir. Doppler etkisini cisimlerin hareketleri sebebiyle yaydıkları ses, ışık v.b. enerjilerin kaynak ile alıcı arasındaki mesafenin değişmesi sebebiyle alıcı tarafından farklı algılanması olayıdır diye de tarif edebiliriz. Doppler etkisi; nesnenin hareketi nedeniyle cisimden yayılan radyasyon dağılımı ve rüzgârlar dâhil atmosferik hareketleri ölçmek için özel olarak tasarlanmış cihazlar ile ölçülebilen bir etkidir. Kaynak hep aynı kaldığı, dolayısıyla hep aynı frekanslı sesi çıkardığı halde, biz frekansın değiştiğini düşünürüz. Bu olay, kaynağın ya da alıcının veya her ikisinin birden birbirine göre hareket halinde olması durumunda görülür. Sabit frekanslı bir ses kaynağı, yaklaştıkça daha tiz (yüksek frekanslı), uzaklaştıkça daha pes (düşük frekanslı) olarak işitilir. Dolayısıyla dalga boyu küçük frekanslar daha tiz, büyük frekanslar ise daha pes algılanır. Ses frekansının harekete bağlı olarak gösterdiği bu değişime doppler kayması (şifti) adı verilir. Bu temele dayanarak, damarlarda akan kanın içindeki şekilli elemanlardan yansıyan frekans değişiklikleri saptanarak, yönü ve hızı gibi özellikleri incelenebilir.

Doppler Etkisinin Prensipleri:

1. Doppler etkisi kaynak ile alıcı arasındaki mesafenin değişmesine bağlı olarak gözlemlenebilmektedir. Kaynak ile alıcı arasındaki mesafeyi 3 şekilde değiştirebilmektedir. Alıcı sabitken kaynağın hareket etmesi; kaynak sabitken alıcının hareket etmesi; kaynak ve alıcının hareket etmesi (aynı yönde ve aynı hızda olmamak şartıyla). 2. Kaynak ile alıcı arasındaki uzaklığın değişme hızı da önemlidir. Bu hız değişirse; kaynak ile alıcı arasında yakınlaşma ya da uzaklaşma olacağından frekans farkı da değişir. Dolayısıyla kaynağın frekansıyla olan fark da değişir. Hız artarsa KV ile GV arasındaki frekans farkı artmakta ve hız azalırsa KV ile GV arasındaki frekans farkı azalmaktadır. 3. Kaynak ile alıcı arasındaki uzaklık sabitken kaynaktan çıkan sesler alıcıya t saniyelik düzgün aralıklarla ulaşmaktadır. Ancak uzaklık azaldıkça seslerin alıcıya ulaşma süresi azalmakta ve dolayısıyla periyot ve dalga boyu küçülmektedir; uzaklık arttıkça seslerin alıcıya ulaşma süresi artmakta ve dolayısıyla periyot ve dalga boyu büyümektedir. 4. Frekans ile periyot ters orantılı olduğu için kaynak ile gözlemci arasındaki uzaklık azaldıkça frekans artmakta yani ses tiz duyulmakta; uzaklık azaldıkça frekans azalmakta yani ses pes (kalın) duyulmaktadır. 1846’da Prag Politeknik’teki görevine döner; ancak bazı sorunlar nedeniyle yeni bir iş aramaya başlar. 1842 yılında yaptığı Doppler etkisi çalışmasıyla tanınır biri olmuştur, bu yüzden uzun süre beklemez. 1847 tarihinde Macaristan’da Selmecbánya Maden ve Ormanlar Akademisi’ne matematik, fizik ve mekanik profesörü olarak katılır. Ancak görev süresi 1848 yılında patlak veren devrim nedeniyle yarım kalır. Doppler 1849’da Viyana’ya kaçar ve 17 Ocak 1850’de, imparatorluk kararıyla Viyana Üniversitesi’ne Deneysel Fizik Enstitüsü Müdürü olarak atanır. Bu kez de hastalık nedeniyle görevi yarım kalır; bir daha dönmemek üzere  hastalık iznine ayrılır. Doppler’in sağlık durumu 1849 yılında kötüleşmeye başlar. Kasım 1852’de daha sıcak iklimin iyileşmesine yardımcı olacağını umarak Venedik’e gider. 1853 Mart’ında durumu daha da kötüleşir; 17 Mart 1853’te 49 yaşında akciğer hastalığından Venedik’te vefat eder, oraya defnedilir. Doppler Etkisinin Dalga Hareketlerine Göre Kullanım Alanları: ABD’li astronom Edwin Hubble, evrenin Doppler etkisinin bir sonucu olarak genişlediğini keşfeder. Doppler etkisi astronomi ve uzay teknolojisi alanlarında önemli uygulamalara sahiptir: Sirenler, astronomi, radarlar, tıbbi görüntüleme ve kan akışı yönetimi, akış yönetimi, hız profili yönetimi, uydu iletişimi, ses, titreşim ölçümü. 1. Sirenler: Bir ambulans bir gözlemciye yaklaştığında, siren dalga boyları küçüldükçe yüksek perdeli ses algılanır, çünkü ambulans ve kulağınız arasındaki mesafe ve ses dalgalarının boyu azalmıştır. Ambulans gözlemciden uzaklaştığında, dalga boyları ve mesafe artacağı için daha düşük perdeli bir ses algılanır. 2. Astronomi: Christian Doppler’in ölümünden sonra 1920’li yıllarda evrende sadece güneş sisteminin veya Samanyolu Galaksisi’sinin var olduğu sanılırken; daha büyük güneş sistemleri ve galaksilerin olduğunun ispat edilmesiyle bilim adamları kocaman bir bilinmezlikler yığını ile karşı karşıya kalmışlardır. Bilim adamları dış galaksilerdeki yıldızlardan gelen ışıkların gittikçe daha kırmızı olduğu ve bunun neden böyle olduğu merak edilirken yapılan hesaplamalar sonucunda dünyadan uzaklaşan cisimlerin renginin kırmızıya döndüğü tespit edilmiştir. Galaksilerde ve yıldızlarda kütlesel çekim alanından faydalanılarak ışığın doğrultusu, dalga boyu ve dolayısıyla frekansı tespit edilebilmektedir. Kütle çekim alanında cisme doğru gelen ışık demetinin dalga boyu azalır ve frekansı artarsa ışık mavi görünür yani yakındadır; cisimden uzaklaşan ışık demetinin ise dalga boyu artar ve frekansı da küçülürse ışık kırmızı görünür yani uzaktadır. Birçok galaksini hızı bu şekilde ölçülmüş ve gittikçe renklerin gittikçe kırmızıya dönüştüğü tespit edilmiştir. Buradan da anlıyoruz ki galaksiler bizden uzaklaşmakta yani evren genişlemektedir. 3. Radarlar: Karayollarındaki radar sistemlerinde radar aracına yaklaşan arabanın hızı tespit edilebiliyor. Radar aracı hedef araca belirli frekansta ve dalga boyunda sinyaller gönderiyor ve bu sinyallerin hedeften geri yansımasıyla hedefin yaklaşma veya uzaklaşma hızı bulunuyor. 4. Tıbbi Görüntüleme ve Kan Akışı Yönetimi: Karın içi organlar, gebelik, tiroid bezi, eklemler, yüzeyel dokular, damarlar ve anevrizmalar ile ilgili vücut içinde oluşan ve oluşabilecek hastalıkların teşhisi ve tedavisi için  doppler cihazları kullanılmaktadır. Hamile kadınların bebeklerinin cinsiyetlerini öğrenmelerini sağlayan, kalp krizine sebep olabilecek damar tıkanıklıklarının erken tespit edilmesini ve tedavi edilmesini sağlayan doppler cihazları sağlık alanında insanlara hizmet etmektedir. 5. Akış Yönetimi: 1873 yılında James Clerk Maxwell elektromanyetik dalgaların varlığını önerdi ve böyle bir fenomeni hiç gözlemlemeden veya hatta düşünmeden önce özelliklerinin ne olabileceğini matematiksel olarak çalıştı. O zamandan beri, iletişim mühendisleri sayısız kullanım için bu radyasyonu kullanan mucizeler gerçekleştirdiler. Son teknolojik gelişmeler ışığında elektromanyetik spektrum izlemeye ve yönetmeye yönelik kablosuz iletişimde önde gelen ülkelerin ve çok uluslu kuruluşların kısa, orta ve uzun vadeli stratejileri ele alınmaktadır. Ayrıca, yeni nesil kablosuz sistemler için yeni bir spektrum izleme stratejisi önerilmekte ve önerilen stratejinin sonuçları ana hatlarıyla belirtilmektedir. 6. Hız Profili Yönetimi: Yoğunluğu farklı ortamlardaki dalgalar sürtünme katsayılarının değişmesi ve molekül ilerleme hızlarının değişmesi sebebiyle farklı ortamlarda farklı hızlarda ilerlemektedir. Bu sebeple sıvı ve katı ortamlarda dalga yayılma hızları hesaplanmalı ve bilinmelidir. 7. Uydu iletişimi: Hızlı hareket eden uyduların konumunun doğru tespit edilebilmesi uyduyla iletişim kurulabilmesi için önemli bir etkendir. Bu yüzden mobil uydu iletişim sistemlerinde doppler ölçümü de önemlidir. Aynı sistem sadece uydular için değil uçak sistemlerinde de kullanılabilmektedir. Uçak iniş yapacağı havaalanına gönderdiği elektromanyetik dalgaların yansımasıyla konumunu ve hızını ayarlayan otomasyon sistemleriyle iniş yapabilmektedir. 8. Ses: Doppler etkisinin en kolay gözlemlenebildiği ve günlük hayatta sürekli karşılaştığımız ama dikkat etmediğimiz örnekleri ses dalgaları üzerinde gözlemlenmektedir. Doppler etkisini yapay olarak üretebilmek için dijital ses sentezleme yazılımları (DAW) üzerinde kullanılabilen Virtual Sound Technology (VST) eklentileri bulunmaktadır. 9. Titreşim Ölçümü: Sabit frekanslı bir ses kaynağı duvara doğru hareket ettirildiğinde dinleyici iki ayrı frekansta ses duymaya başlar. Bunlardan biri doğrudan ses kaynağından gelir ve hareketin etkisiyle titreşimin orijinal tonundan kalın duyulur, diğeri ise duvardan yansır ve orijinal tondan ince duyulur. Doppler efekti ve doppler ile geliştirilen teknolojilerin kullanıldığı daha birçok alan bulunmaktadır. Kaynak Aflibercept Enjeksiyonu Sonrası Oküler Kan Akımlarının Renkli Doppler Ultrasonografi İle Değerlendirilmesi, Hafif Preeklampsili Preterm Gebelerde Betametazonun Biyofizik Profil İle Umblikal Ve Middle Serebral Arter Doppler Akımlarına Etkisi, Lebenslauf Christian Andreas Doppler, Christian Doppler, ‘Doppler Etkisi’ ilkesini veren Avusturyalı bir matematikçi ve fizikçiydi. Lazer Doppler Hız Ölçümü, Günlük Yaşamda Doppler Etkisinin Kullanım Alanları