.

Σήμερα, ας εξετάσουμε τον κόσμο των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Τα κύματα αυτά βρίσκονται παντού, από το φως του ήλιου που μας φωτίζει, μέχρι το σήμα του Wi-Fi που μας κρατούν “online”. Αλλά τι ακριβώς είναι;

.

Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα είναι ταλαντώσεις ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων που κινούνται στο χώρο. Σε αντίθεση με τα ηχητικά κύματα, τα οποία χρειάζονται ένα μέσο διάδοσης (στερεό, υγρό ή αέριο), τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα μπορούν να ταξιδέψουν στο κενό.

.

Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα υπάρχουν σε μια ποικιλία, σχηματίζοντας αυτό που ονομάζουμε το «ηλεκτρομαγνητικό φάσμα». Στο ένα άκρο, έχουμε τα ραδιοκύματα, τα οποία είναι «μακρά» (μεγάλο μήκος κύματος) και έχουν χαμηλή ενέργεια. Αυτά είναι τα κύματα που φέρνουν μουσική στο ραδιόφωνο του αυτοκινήτου μας. Από το γεγονός ότι το ραδιόφωνο «παίζει» συνεχώς, αν και το αυτοκίνητο βρίσκεται σε κίνηση, μπορούμε να καταλάβουμε ότι το ραδιοκύματα υπάρχουν παντού, «χτυπούν» διαρκώς το σώμα μας, αλλά δεν μας επηρεάζουν.

.

Καθώς ανεβαίνουμε προς τα πάνω στο φάσμα, τα κύματα γίνονται μικρότερα (σε μήκος κύματος) και έχουν μεγαλύτερη ενέργεια. Τα μικροκύματα θερμαίνουν το φαγητό μας, τα υπέρυθρα κύματα γίνονται αισθητά ως θερμότητα και το ορατό φως μας επιτρέπει να βλέπουμε. Μέχρι στιγμής, τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα δεν είναι επικίνδυνα.

.

Οι υπεριώδεις ακτίνες έχουν ακόμα υψηλότερη ενέργεια και αρχίζουν να γίνονται επικίνδυνες, έχοντας την ικανότητα να μας προκαλέσουν εγκαύματα. Στο πάνω άκρο, έχουμε τις ακτίνες Χ και τις ακτίνες γάμμα, οι οποίες έχουν τόσο μεγάλη ενέργεια, που μπορούν να διαπεράσουν την ύλη και να καταστρέψουν τα κύτταρα.

.

Πώς δημιουργούνται όμως τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα; Όταν ένα φορτισμένο σωματίδιο κινείται, δημιουργεί ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία που ταλαντώνονται. Η ηλεκτρική και η μαγνητική συνιστώσα ταλαντώνονται κάθετα μεταξύ τους και η διεύθυνση διάδοσης είναι κάθετη στις 2 συνιστώσες. Αυτές οι ταλαντώσεις διαδίδονται στο χώρο ως ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Η ταχύτητα αυτών των κυμάτων στο κενό είναι περίπου 3×10^8 m/sec, κοινώς γνωστή ως «η ταχύτητα του φωτός», που είναι η μεγαλύτερη ταχύτητα στο σύμπαν.

.

Σήμερα, ας εξερευνήσουμε πώς ανακαλύφθηκαν τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα.

.

Η ιστορία ξεκινά το 1820 με τον Δανό Φυσικό Hans Christian Oersted (Έρστεντ). Ο Oersted έδειξε ότι η βελόνα μιας πυξίδας μετακινούνταν, όταν τοποθετούνταν κοντά σε ένα καλώδιο που διαρρεόταν ηλεκτρικό ρεύμα. Αυτή ήταν η πρώτη ένδειξη ότι ο ηλεκτρισμός και ο μαγνητισμός σχετίζονται, θέτοντας τις βάσεις για μελλοντικές ανακαλύψεις. (Είναι ενδιαφέρον ότι το συγκεκριμένο πείραμα μπορούν/πρέπει να το δουν οι μαθητές στη Στ’ Δημοτικού).

.

Μια δεκαετία αργότερα, το 1831, ο Michael Faraday πραγματοποίησε ένα πρωτοποριακό πείραμα. Τύλιξε δύο σύρματα γύρω από δύο σιδερένιους δακτυλίους, φτιάχνοντας δύο πηνία. Διαπίστωσε ότι, όταν περνούσε ρεύμα από το ένα πηνίο, επαγόταν στιγμιαία ρεύμα στο άλλο πηνίο. Αυτό το αποτέλεσμα αποτέλεσε άλλη μια ένδειξη της ύπαρξης των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων.

.

Επόμενος σταθμός, οι εξισώσεις του James Clerk Maxwell στη δεκαετία του 1860, που παρείχαν το θεωρητικό πλαίσιο για τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Ο Maxwell προέβλεψε ότι τα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία θα μπορούσαν να ταξιδέψουν στο χώρο με τη μορφή κυμάτων και μάλιστα με την ταχύτητα του φωτός. Ωστόσο, αυτό παρέμεινε θεωρία μέχρι να αποδειχθεί πειραματικά.

.

Η πειραματική απόδειξη ήρθε από έναν Γερμανό Φυσικό ονόματι Heinrich Hertz, το 1887. Σε πολύ γενικές γραμμές, ο Hertz χρησιμοποίησε δύο κεραίες: ο πομπός τροφοδοτήθηκε με παλμούς ρεύματος υψηλής τάσης και δημιούργησε ηλεκτρομαγνητικά κύματα που λήφθηκαν από την άλλη κεραία – τον δέκτη. Η διάταξη αυτή εξέπεμψε και έλαβε αυτά που σήμερα ονομάζονται «ραδιοκύματα», στην περιοχή των πολύ υψηλών συχνοτήτων (VHF).

.

Ο Guglielmo Marconi προχώρησε το πείραμα του Hertz ένα βήμα παραπέρα. Στα τέλη της δεκαετίας του 1890, ο Marconi χρησιμοποίησε ηλεκτρομαγνητικά κύματα για να μεταδώσει σήματα κώδικα Μορς σε μεγάλες αποστάσεις, σηματοδοτώντας τη γέννηση της ασύρματης επικοινωνίας και, τελικά, του ραδιοφώνου.

.

Σήμερα, η ύπαρξη των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων έχει οδηγήσει σε αμέτρητες τεχνολογίες που διαμορφώνουν καθοριστικά την καθημερινή μας ζωή.

.

Σήμερα θα εξετάσουμε το φαινόμενο Doppler, εστιάζοντας στα ηχητικά κύματα.

.

Τι είναι όμως το φαινόμενο Doppler; Φανταστείτε να στέκεστε στην άκρη του δρόμου, καθώς ένα αυτοκίνητο με δυνατή κόρνα περνάει γρήγορα από μπροστά σας. Θα παρατηρήσετε ότι ο ήχος της κόρνας φαίνεται να αλλάζει – αρχικά ακούγεται υψηλότερα (πιο «τσιριχτά») καθώς το αυτοκίνητο πλησιάζει, και μετά ακούγεται χαμηλότερα (πιο «μπάσα») καθώς απομακρύνεται. Προφανώς, ο ήχος της κόρνας δεν αλλάζει. Η αλλαγή που αντιλαμβανόμαστε οφείλεται στο φαινόμενο Doppler, το οποίο εμφανίζεται όταν η πηγή ενός ηχητικού κύματος, όπως η κόρνα του αυτοκινήτου, κινείται σε σχέση με τον παρατηρητή.

.

Ο ήχος ταξιδεύει στον αέρα με κύματα. Αυτά τα κύματα έχουν μια ορισμένη συχνότητα, από την οποία εξαρτάται αυτό που ακούν τα αυτιά μας. Όταν η πηγή του ήχου κινείται, τα κύματα αυτά είτε συμπιέζονται, είτε «απλώνονται», ανάλογα με το αν η πηγή πλησιάζει ή απομακρύνεται. Αυτή η αλλαγή στη συχνότητα των ηχητικών κυμάτων είναι αυτό που αντιλαμβανόμαστε ως αλλαγή στο ύψος του ήχου.

.

Το φαινόμενο Doppler έχει αρκετές πρακτικές χρήσεις στην καθημερινή μας ζωή. Στην υγειονομική περίθαλψη, χρησιμοποιείται στην τεχνολογία υπερήχων για τη μέτρηση της ταχύτητας της ροής του αίματος. Στην πρόγνωση του καιρού, το ραντάρ Doppler χρησιμοποιείται για την παρακολούθηση της ταχύτητας και της κατεύθυνσης της βροχής, του χιονιού ή του χαλαζιού. Ακόμη και στη βιομηχανία της ψυχαγωγίας, η κατανόηση του φαινομένου Doppler είναι απαραίτητη για τη δημιουργία ρεαλιστικών ηχητικών εφέ σε βιντεοπαιχνίδια και ταινίες.

.

Το φαινόμενο Doppler στον ήχο είναι κάτι περισσότερο από μια ενδιαφέρουσα ακουστική εμπειρία. Έχει πραγματικές εφαρμογές που καλύπτουν πολλούς τομείς, από την ιατρική έως τη μετεωρολογία. Συχνά μάλιστα, αποτελεί και θέμα εξετάσεων στις πανελλαδικές εξετάσεις!

.

Σε μελλοντική ανάρτηση θα συζητήσουμε πώς το φαινόμενο Doppler, εκτός από τον ήχο, εφαρμόζεται και για το φως.

.

Ο ανηχοϊκός θάλαμος είναι ένας χώρος που έχει σχεδιαστεί για να απορροφά τα ηχητικά κύματα, δημιουργώντας ένα περιβάλλον χωρίς ηχώ. Οι τοίχοι, η οροφή και το δάπεδο ενός ανηχοϊκού θαλάμου είναι επενδεδυμένα με ηχοαπορροφητικά υλικά, συχνά σφήνες αφρού ή υαλοβάμβακα. Αυτά τα υλικά έχουν σχεδιαστεί για να απορροφούν τα ηχητικά κύματα, εμποδίζοντάς τα να αναπηδήσουν και να δημιουργήσουν ηχώ. Καθώς οι σφήνες του δαπέδου δεν πρέπει να πατηθούν, το βάδισμα γίνεται συνήθως επάνω σε συρμάτινο πλέγμα. Το αποτέλεσμα είναι ένα δωμάτιο με απίστευτα χαμηλό επίπεδο θορύβου, συχνά κάτω από το κατώφλι της ανθρώπινης ακοής.

.

Οι ανηχοϊκοί θάλαμοι εξυπηρετούν διάφορους σκοπούς. Στον κόσμο της μηχανικής του ήχου, χρησιμοποιούνται για τη δοκιμή της απόδοσης ηχείων, μικροφώνων και άλλου εξοπλισμού ήχου. Στην αυτοκινητοβιομηχανία, μας βοηθούν να κατανοήσουμε πώς τα διάφορα υλικά και σχέδια επηρεάζουν την ηχομόνωση στα οχήματα.

.

Η είσοδος σε έναν ανηχοϊκό θάλαμο μπορεί να είναι μια «ιδιαίτερη» εμπειρία. Η απουσία θορύβου περιβάλλοντος, μπορεί να μας κάνει να αντιληφθούμε κάποιους εσωτερικούς μας ήχους, όπως ο χτύπος της καρδιάς μας και ο αέρας που κινείται μέσα και έξω από τους πνεύμονές μας! Ορισμένοι άνθρωποι βρίσκουν την εμπειρία ηρεμιστική, ενώ άλλοι αισθάνονται αποπροσανατολισμένοι ή ακόμη και ανήσυχοι.

.

Ένα «απερίγραπτο» συναίσθημα, μέσα σε ένα ανηχοϊκό θάλαμο, είναι ότι κάποιος ακούει τη φωνή του συνομιλητή του «κατευθυντικά». Όταν μιλάμε σε κάποιον μέσα σε ένα δωμάτιο, ακούμε τη φωνή του απευθείας, αλλά και μέσω ανακλάσεων του ήχου στα αντικείμενα του χώρου. Όλοι αυτοί οι ήχοι φτάνουν στο αυτί μας (πρακτικά) ταυτόχρονα, δεν το καταλαβαίνουμε, το έχουμε συνηθίσει και δεν του δίνουμε σημασία. Σε έναν ανηχοϊκό θάλαμο όμως, η φωνή του συνομιλητή μας αποτελεί από μόνη της μια πρωτόγνωρη εμπειρία, καθώς την ακούμε χωρίς αντηχήσεις, και βέβαια, ακόμα κι αν κλείσουμε τα μάτια μας, καταλαβαίνουμε ακριβώς σε ποια κατεύθυνση βρίσκεται αυτός που μας μιλάει..!

.

Ανηχοϊκοί θάλαμοι δεν υπάρχουν μόνο για τον ήχο αλλά και για την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία (συνήθως, στο φάσμα των μικροκυμάτων και των ραδιοκυμάτων).