도플러 효과란?

도플러 효과란 무엇일까요? 높이 25.4cm의 투수 마운드에서 홈플레이트까지 거리는 18.44m입니다. 투수의 손을 떠난 공이 포수의 미트까지 들어가는 데 걸리는 시간은 대략 0.4초입니다. 말 그대로 눈 깜짝할 사이에 홈플레이트에 도달하는 투구의 속력을 우리는 어떻게 측정할 수 있을까요.

야구공의 속력을 측정하는 기구는 자동차의 과속을 측정하는 것과 마찬가지로 스피드건입니다. 스피드건은 움직이는 물체의 속력을 측정하기 위해 사용하는 장치로 도플러 효과Doppler effect를 이용한 레이더 기기입니다.

도플러 효과란 파동을 발생시키는 파원파동이 처음 만들어진 곳과 관찰자가 상대적으로 가까워지면 파원이 내놓는 파동의 진동수보다 높은 진동수주파수가 관찰되고 멀어지면 낮은 진동수가 관찰되는 현상을 말합니다. 이 현상을 처음 설명한 19세기 오스트리아 물리학자 도플러의 이름을 기념하기 위해 이렇게 명명되었습니다.

스피드건은 자동차나 야구공 등 움직이는 물체의 속력을 측정하기 위해 해당 물체로 레이더파입사파를 쏘게 됩니다. 하지만 이 레이더파는 물체에 닿는 순간 반사반사파돼 되돌아옵니다. 물체가 관찰자 쪽으로 가까워지고 있으므로 도플러 효과에 의해 진동수가 증가하게 됩니다.

같은 매질파동을 전달하는 물질 안에서 파동의 속력은 일정하기 때문에 진동수와 파장은 반비례 합니다. 즉 스피드건에서 발사할 때의 진동수와 물체에서 반사돼 돌아온 진동수를 비교하면 해당 물체의 속력을 구할 수 있습니다. 스피드건 내부에 장착된 컴퓨터는 안테나에서 발사될 때의 진동수와 물체에서 반사돼 되돌아온 진동수를 비교해 해당 물체의 속력을 계산해냅니다.

이 같은 도플러 효과는 비단 움직이는 물체의 속력 측정뿐만 아니라 여러 곳에 적용되는데, 우리가 흔히 접하는 일상 소음에서도 이 원리를 확인할 수 있습니다. 구급차가 경적을 울리면서 내 쪽으로 다가올 때와 내 쪽에서 멀어질 때의 소리의 고저가 다른 것은 바로 이 도플러 효과 때문입니다. 경적을 울리며 다가올 때는 음파의 진동수가 증가해 경적 소리가 보다 고음으로 들리고 똑같은 경적 소리라도 내게서 멀어질 때는 음파의 진동수가 감소해 상대적으로 저음으로 들리는 것은 바로 이 때문입니다.