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Laboratorio di fisica · esperimento 2

Quanto saltala nota dell'ambulanza

Prendi l'ambulanza col dito e spostala. Il tono ti segue. Poi falla passare davvero e guarda di quanto salta la nota: molto meno di quello che hai in testa.

Effetto Doppler acustico · Christian Doppler, Praga, 1842
Prima verifica sul campo: Christophorus Buys Ballot, ferrovia Utrecht–Maarssen, giugno 1845 (il tentativo di febbraio fu abbandonato per grandine e neve)

1La strada, vista dall'alto

Tu sei la figura ferma sul marciapiede. L'ambulanza tiene una nota sola, 800 hertz.

800,0Hz stai sentendo adesso
0,00semitoni scarto dalla nota vera, 800 Hz
39,4cm onda davanti al veicolo
46,3cm onda dietro al veicolo

Traccia: frequenza nel tempo

La curva di ogni passaggio resta disegnata. Cambia distanza, ripassa, e confronta: la picchiata a 2 metri e quella a 20 metri arrivano allo stesso punto, ma con due pendenze diverse.

2I comandi

Atto 1 — trascina

Metti il dito sull'ambulanza e spostala avanti e indietro sulla corsia. Verso di te il suono si alza, via da te si abbassa, fermo il dito la nota torna dov'era. Da tastiera: frecce sinistra e destra.

Atto 2 — il sorpasso vero Che cosa passa
Dove sei tu
Chi si muove

Il volume che cresce e cala è acceso: è il «nìii-nòoo» che hai in testa. Spegnilo e resta solo il cambio di nota.

Rallentatore

Nel rallentatore l'audio si spegne di proposito: rallentando il tempo si abbasserebbe anche la frequenza, e sentiresti una cosa che col Doppler non c'entra niente. A velocità normale, invece, i cerchi si spengono: viaggiano a 343 metri al secondo e attraversano lo schermo in un terzo di secondo.

Il volume parte a un terzo. Con le cuffie, abbassa prima di accendere. Tutto l'esperimento si capisce anche a suono spento: i numeri e i cerchi bastano.

Atto 3 — rallenta il suono

Cambia quanto è veloce il suono in questo mondo immaginario e guarda i cerchi accalcarsi davanti al veicolo. Quando la velocità del suono scende fino a quella dell'ambulanza, il denominatore c − v si azzera e il numero diventa un trattino.

Temperatura dell'aria (Formula 5)

Come è disegnato

I cerchi che vedi sono molto più radi dei fronti veri: la sirena ne emette 800 al secondo, qui ne disegniamo uno ogni 0,12 secondi. Il disegno resta comunque esatto, perché il rapporto fra la spaziatura davanti e quella dietro vale (c − v)/(c + v) e non dipende da quanti cerchi disegni.

Lo schiacciamento a 100 km/h è del 15%: si vede appena, ed è giusto così. Nei libri lo disegnano molto più marcato di com'è. Se lo vuoi vedere davvero grande, usa l'atto 3 e rallenta il suono: lì l'esagerazione è dichiarata.

Mentre trascini col dito, la frequenza è calcolata con la versione istantanea della formula. Nel sorpasso automatico, invece, il conto tiene conto del tempo che il suono impiega ad arrivare fino a te: è per questo che nell'istante esatto del sorpasso senti ancora 805,3 Hz e non 800.

3Le formule, per rifare i conti a mano

Ti serve solo una calcolatrice. Nessun passaggio è nascosto.

Formula 1 — la sirena si muove, tu sei fermo+
in avvicinamento
   f = f0 x c / (c - v)
in allontanamento
   f = f0 x c / (c + v)

f0 è la nota vera che la sirena emette, in hertz. Un hertz è un'oscillazione al secondo: qui f0 = 800 Hz. c è la velocità del suono nell'aria, 343 m/s a 20 gradi. v è la velocità dell'ambulanza in metri al secondo; da km/h a m/s si divide per 3,6.

Guarda dov'è finita la v: al denominatore. È tutta qui la storia di questo esperimento.

Col caso di partenza (800 Hz, 343 m/s, 100 km/h = 27,778 m/s):

c - v = 315,222
343 / 315,222 = 1,08812   x800 = 870,50 Hz
c + v = 370,778
343 / 370,778 = 0,92508   x800 = 740,07 Hz
Formula 2 — il salto del sorpasso, in un colpo solo+
   salto = f0 x 2cv / (c^2 - v^2)

È la differenza fra le due formule di sopra, scritta in un pezzo solo:

c/(c-v) - c/(c+v)
  = c[(c+v) - (c-v)] / [(c-v)(c+v)]
  = 2cv / (c^2 - v^2)

Controprova coi numeri di partenza:

2 x 343 x 27,778 = 19.055,6
c^2 - v^2 = 117.649 - 771,6 = 116.877,4
19.055,6 / 116.877,4 = 0,163039
0,163039 x 800 = 130,43 Hz

Ed è proprio 870,50 − 740,07.

Formula 3 — da hertz a semitoni+
   semitoni = 12 x log2(f2 / f1)

log2(x) è il logaritmo in base 2: sulla calcolatrice del telefono, log(x) diviso log(2). Un semitono è un tasto del pianoforte, contando anche i neri. Dodici semitoni fanno un'ottava.

870,50 / 740,07 = 1,17624
log2(1,17624) = 0,234172
0,234172 x 12 = 2,810 semitoni

Per il salto del sorpasso si può scrivere tutto in una riga:

   semitoni = 12 x log2[(c + v) / (c - v)]

f0 è sparita. La sirena può suonare qualunque nota: lo spostamento in semitoni è sempre lo stesso. È per questo che nel 1845, al posto degli strumenti di misura, bastavano dei musicisti.

Formula 4 — ti muovi tu, la sorgente è ferma+
ti avvicini
   f = f0 x (c + u) / c
ti allontani
   f = f0 x (c - u) / c

Qui la velocità sta al numeratore. Non è la stessa formula di prima. Stessa velocità, stessa aria, stessa nota, risultato diverso:

sirena in moto   870,50 Hz
tu in moto       864,79 Hz
differenza         5,71 Hz

Cinque hertz e mezzo, un nono di semitono. Non è un arrotondamento: nel primo caso l'onda nell'aria è davvero più corta, nel secondo resta lunga 42,9 cm e sei tu che ne incontri di più al secondo. L'aria fa da arbitro e sa benissimo chi si sta muovendo rispetto a lei.

Formula 5 — la velocità del suono dipende dalla temperatura+
   c = 331,3 x radice(1 + T/273,15)  m/s

T in gradi Celsius, aria secca. 273,15 è lo zero assoluto in gradi Celsius, cambiato di segno.

 0 gradi  ->  331,3 m/s
20 gradi  ->  343,2 m/s
35 gradi  ->  351,9 m/s

Vale a qualunque quota, purché l'aria sia a quella temperatura: la pressione non entra.

Assunzione dichiarata. Come riferimento questo esperimento usa il valore tondo da manuale, c = 343 m/s a 20 gradi; la formula qui sopra, a 20 gradi, dà 343,2. Sul salto la differenza è meno di un decimo di hertz: 130,43 contro 130,35. Il numero tondo serve solo a farti rifare i conti a mano senza impazzire.

Formula 6 — perché tutto succede nell'attimo del sorpasso+

Conta solo la parte della velocità puntata verso di te:

   v_verso_te = v x x / radice(x^2 + d^2)

x è di quanti metri l'ambulanza è indietro (negativo) o avanti (positivo) rispetto a te; d è quanti metri sei lontano dalla corsia. Poi si mette v_verso_te al posto di v:

   f = f0 x c / (c + v_verso_te)

Quando ti è di fianco, x = 0, quindi v_verso_te = 0: in quell'istante non si avvicina né si allontana. La picchiata dura all'incirca 2d/v secondi: a 5 metri dalla corsia e a 100 km/h, il 70% del salto ti passa addosso in 0,36 secondi.

Formula 7 — dove il modello si rompe da solo+
numero di Mach:   M = v / c

Se v = c il denominatore (c − v) diventa zero e la formula dà infinito. In natura non esistono note infinitamente acute: è il modello che ti sta dicendo, da solo, che oltre quel punto non vale più.

In aria a 20 gradi il punto è 343 m/s, cioè 1235 km/h. Oltre, il fronte d'onda diventa un cono, con semiapertura data da

   sin(theta) = c/v = 1/M

Nell'atto 3 non è l'ambulanza ad accelerare: è il suono che rallenta. Quello che conta è il rapporto v/c, e ci si arriva da tutte e due le parti.

4I casi, coi conti già fatti

Questa tabella la calcola la pagina, con la velocità del suono che hai scelto tu. Il caso in evidenza è quello selezionato adesso.

Che cosa passakm/hm/s in avvicinamentoin allontanamentosaltosemitoni

Il salto non è simmetrico
 hertzscarto in Hzscarto in semitoni

I due pezzi sommati fanno il salto totale. Il rapporto fra loro è 1,176: lo stesso numero del rapporto fra le due frequenze.

Tre conti che vale la pena tenere
DomandaRisposta
Buys Ballot, giugno 1845: il conto regge ancora+

Sulla ferrovia fra Utrecht e Maarssen, Buys Ballot mise dei trombettisti su un carro pianale con l'ordine di tenere una nota sola, e altri musicisti a bordo strada a scrivere quale nota sentivano. Niente strumenti di misura: orecchie allenate.

 calcolonota verascartosemitoni

Un sol a 392 Hz, treno a circa 70 km/h, aria di giugno a 15 gradi (c = 340,3 m/s con la Formula 5). Gli scarti sono sotto la soglia dell'orecchio: quello che i musicisti scrissero, un sol diesis e un fa diesis, è esattamente quello che dà la formula.

5Provalo col corpo

Con la voce. Canta una nota. Poi cantala tre tasti di pianoforte più su, quelli neri compresi: da un do a un mi bemolle. Quel salto lì, anzi un pochino meno, è tutto quello che fa l'ambulanza a cento all'ora. Se la nota di partenza fosse 800 Hz, quella di arrivo sarebbe hertz.

Col tempo. Fallo in un terzo di secondo. Fra un battito del tuo cuore a riposo e il successivo passa circa un secondo: la picchiata ne occupa poco più di un terzo.

Con le mani. Tienile aperte a 39 centimetri: è lunga così l'onda davanti all'ambulanza. Portale a 46: è lunga così dietro. Quella differenza di sette centimetri, la larghezza del tuo palmo, è tutto lo schiacciamento di cui stiamo parlando.

6La sorpresa

Il salto è molto più piccolo di come lo ricordi. E non è simmetrico.

A cento all'ora l'ambulanza sposta la nota di 2,81 semitoni in tutto: meno di tre tasti di pianoforte. Il «nìii-nòoo» drammatico che hai in testa è per la maggior parte il volume che cresce e cala, non l'altezza che cambia. Qui sopra c'è l'interruttore che toglie il volume e lascia solo la frequenza: quasi nessuno riconosce quello che sente.

Dentro questa sorpresa ce n'è una seconda, più fine. Non sali di metà e scendi di metà: sali di 1,46 semitoni e scendi di 1,35, settanta hertz in su e solo sessanta in giù. E la ragione non è quella che verrebbe da dire. Le due variazioni del denominatore sono identiche in percentuale: togliere 27,778 da 343 lo fa calare dell'8,098%, aggiungerlo lo fa crescere dell'8,098%. L'asimmetria nasce dopo, nella divisione: dividere per un numero più piccolo fa crescere il risultato più di quanto dividere per un numero altrettanto più grande lo faccia calare, +8,81% contro −7,49%. È il genere di dettaglio che si legge solo rifacendo il conto.

E se vuoi il salto epico, quello di un'ottava intera, serve che la sorgente corra a un terzo esatto della velocità del suono: 411,6 chilometri all'ora. È una frazione pura, non dipende da quanto vale c: da (c+v)/(c−v) = 2 esce 3v = c e basta. Nessuna automobile ci arriva. Un aereo di linea sì.

L'ultima è la più elegante, e non riguarda l'orecchio ma la matematica. Quando v arriva a 343 m/s il denominatore diventa zero e la formula dà infinito. Quello zero è la formula che ti sta dicendo, da sola, che oltre quel punto non vale più. Doppler la scrive nel 1842. Ernst Mach fotografa l'onda d'urto di un proiettile supersonico nel 1887. Un aereo ci passa attraverso in volo nel 1947. Il denominatore lo aveva annunciato con centocinque anni di anticipo.

7Che cosa questo modello non dice

Non è un'appendice. È la parte in cui l'esperimento ti dice dove finisce.

01L'aria non è ferma e non è sempre uguale. Col vento la risposta cambia, ma meno di quanto temeresti: con trenta chilometri orari a favore gli 870,5 Hz diventano 868,7, perché il vento sposta insieme il suono e il punto da cui parte, e i due effetti quasi si annullano. La temperatura conta di più: lo stesso sorpasso dà 136,4 Hz di salto a cinque gradi sotto zero e 127,1 a trentacinque, sette per cento di differenza senza che l'ambulanza cambi niente. E il suono in strada non viaggia dritto: gli strati d'aria a temperature diverse lo incurvano, ed è per questo che di notte, quando l'aria fredda sta in basso, senti i treni da molto più lontano.
02La sirena non tiene una nota. Le sirene vere ondeggiano o alternano due toni, apposta per farsi notare: lo spostamento Doppler si somma a un'altezza che stava già cambiando per conto suo. È esattamente per questo che nel 1845 Buys Ballot mise su un vagone dei trombettisti con l'ordine di tenere una nota sola. Gli 800 Hz fissi di questo esperimento sono una comodità dichiarata, non una sirena reale.
03Altezza e frequenza non sono la stessa cosa. L'altezza è quello che il tuo cervello ricostruisce, e dipende un poco anche dal volume e dal timbro. Un orecchio allenato distingue variazioni di frequenza dell'ordine di mezzo per cento; il salto della bicicletta è del tre per cento, quindi in teoria udibile, ma nella strada vera è sepolto sotto il cambiamento di volume.
04Dove il modello si rompe davvero. Sopra i 343 m/s la Formula 1 dà numeri negativi, che non significano niente. Non è che la fisica finisca: è che queste equazioni assumono che il suono sia una piccola increspatura dell'aria, e a quelle velocità l'increspatura non è più piccola. Diventa un'onda d'urto, e serve una matematica diversa. La formula non ti dice cosa succede oltre il muro del suono. Ti dice soltanto, onestamente, che lei lì si ferma.
05Con la luce la faccenda cambia natura. Per il suono conta chi si muove rispetto all'aria, e infatti muovere la sorgente dà 870,50 Hz mentre muovere te ne dà 864,79. Per la luce non c'è nessun'aria: conta soltanto la velocità relativa, e la formula è un'altra, con una radice quadrata dentro. In più la luce ha un effetto che il suono non ha proprio: una sorgente che ti passa esattamente di fianco ti manda comunque luce più rossa del dovuto. Nel suono, in quell'istante, senti la nota vera. Con la luce no. Quel pezzo in più si chiama Doppler trasversale, viene dalla dilatazione del tempo, e Ives e Stilwell lo misurarono nel 1938.
06Quello che nessuno oggi sa. Se porti la stessa aritmetica sulle galassie lontane, la loro luce arriva spostata verso il rosso tanto più quanto sono distanti: è la legge di Hubble, e da lì si misura la velocità di espansione dell'universo. Due avvertenze. La prima riguarda le parole. Di solito lo si racconta così: non sono le galassie a correre attraverso lo spazio, è lo spazio stesso a distendersi e a stirare l'onda mentre viaggia. È un racconto comodo e diffuso, ma non è un fatto misurabile a parte: in relatività generale stabilire "di chi è il movimento" dipende da come si scelgono le coordinate, e lo stesso rossore si ottiene anche sommando tanti piccoli spostamenti Doppler lungo il cammino della luce. Quello che si misura è il rossore; la storia che gli si mette attorno è linguaggio, e conviene sapere quando si sta usando l'uno e quando l'altra. La seconda riguarda il numero: il valore della costante di Hubble oggi non è deciso. Dalla luce dell'universo primordiale si ottiene 67,4 ± 0,5 chilometri al secondo per megaparsec; dalle stelle vicine e dalle supernove circa 73,0 ± 1,0. Le due misure non si toccano. Il telescopio spaziale James Webb ha rimisurato quelle stelle, e il risultato dipende da quale indicatore di distanza si usa: le misure basate sulle Cefeidi continuano a dare il valore alto, altre basate su tipi di stelle diversi danno valori più vicini a quello dell'universo primordiale. La questione non è chiusa, e non c'è ancora accordo nemmeno su quale delle misure locali sia da preferire.
07E la lezione più utile viene dall'uomo che ha scritto la formula. Doppler la pubblicò nel 1842 per spiegare perché certe stelle appaiono rosse e certe altre azzurre. La formula era giusta. La spiegazione era sbagliata di un fattore duemilaquattrocento, e bastava fare il conto per accorgersene. Per spostare la luce dal verde (550 nanometri) al rosso (700) servono circa 71.000 chilometri al secondo: z = 700/550 − 1 = 0,273, e da (1+z)² = (1+β)/(1−β) esce β = 0,2366. Le stelle si muovono a qualche decina di chilometri al secondo, β = 0,0001. Si può avere ragione sulla matematica e torto su cosa se ne fa.
Una cosa che questa pagina non fa. Non misura niente. Calcola. Se vuoi una misura vera ti serve un microfono, un veicolo che tiene una nota sola e un modo per sapere quanto va forte: allora il confronto fra il tuo numero e questo qui diventa interessante.
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