Locomotief van Sharp en Roberts uit 1843, die Buys Ballot waarschijnlijk heeft gebruikt voor zijn experiment, een treinreis tussen Utrecth en Maarssen met musici aan boord en op de perrons.
locomotief Doppler experiment Buys Ballot
Buys Ballot "nam" de trein naar Maarssen
In zijn proefschrift in 1844 bekritiseerde Buys Ballot het werk van Doppler: "De theorie van Doppler moet worden getest; ik denk niet dat het mogelijk is het verschil in kleur van dubbelsterren ermee te verklaren". Buys Ballot, in zijn vrije tijd zelf ook musicus, is zich al bewust van het feit dat niet altijd de juiste toon wordt gehoord, die door een instrument wordt geproduceerd. Wellicht heeft zijn muzikale belangstelling ertoe bijgedragen dat hij besluit het Doppler principe te testen voor geluid. Het inmiddels beroemde akoestische experiment is in 1845 gepubliceerd in zowel de Nederlandse (8a en 8b) als de Duitse literatuur (9). Een opmerkelijk verschil daarbij is dat hij in de Nederlandse publicatie schrijft over "Het bedrog van het gehoororgaan in het bepalen van de hoogte van eenen waargenomen toon" en Doppler daarbij slechts terzijde noemt, terwijl hij in de Duitse publicatie de theorie van Doppler zelfs al in de titel noemt. De vergelijking van "het schip met de golven" van Doppler heeft hij in de Nederlandse publicatie vervangen door een kanon dat om de seconde schoten lost op een voorwerp waarbij het kanon beurtelings zich naar het voorwerp toe of van het voorwerp af beweegt, resulterend in een hogere respectievelijk lagere frequentie waarmee het voorwerp door de kogels wordt getroffen. Bij de vergelijking ontkomt men er niet aan dat Buys Ballot in de Nederlandse publicatie doet voorkomen alsof hij het principe bijna zelf bedacht heeft.
Omdat in die tijd met een locomotief de grootste snelheid kon worden bereikt, besluit Buys Ballot dit hulpmiddel aan te wenden "om proefondervindelijk het verschil in hoogte tusschen den aangegeven en waargenomen toon aan te wijzen". Het lukt hem daarvoor een locomotief te mogen gebruiken op het baanvak Utrecht-Maarssen van het op 18 december 1843 geopende spoortraject Utrecht-Amsterdam. "De Ingenieur-directeur van den Rijn-Spoorweg, de Heer L.J.A. van de Kun, nam mijn aanzoek, om eene locomotief te mogen gebruiken, terstond welwillend op, en na spoedig gevolgde goedkeuring van Zijne Exellentie den Minister van Binnenlandsche Zaken, heeft Zijn Ed. met de hoogste bereidwilligheid mij derzelver gebruik tot dit wetenschappelijk doel vergund."

Na het vertrek van de trein van 13.30 uur kwam er een locomotief. Daarop nam muzikant B met zijn hoorn plaats en blies een c tijdens het voorbij rijden van muzikant A. Deze toon werd tijdens het naderen door muzikant A hoger waargenomen , ongeveer als cis en na het passeren tijdens het verwijderen, lager als h. Hetzelfde gebeurde als A blies en B tijdens het voorbijrijden luisterde. Het toonverschil wordt méér als de trein sneller rijdt en minder als de trein langzamer rijdt.
Terwijl dit experiment die dag vijf of zes keer werd uitgevoerd bevond Buys Ballot zich beurtelings op de locomotief of op de weg en overtuigde zich ook zelf van de waargenomen verschillen. Het plan was om deze reeksen van proefnemingen te herhalen, "doch eene plotseling opgekomene hagelbui en sneeuwjagt beletteden dit en deden ons besluiten om gunstig en zacht weder af te wachten en dezelve met de meeste voorzorg en in bijzijn van meer personen te doen".

De proef op de trein
Op 3 juni 1845 is het zover. (8b en 9) Naast musici heeft Buys Ballot ook andere "Heeren" uitgenodigd om hem behulpzaam te zijn bij het noteren van de snelheden en de door de musici waargenomen tonen. De waarnemingen strekken zich uit over twee dagen. Voor het bepalen van de snelheid worden met "twee secundenhorlogiën telkenmalen de tijden aangetekend na welke men weder 100 Ned. ellen had afgelegd". De musici, te weten de Heeren Bälz, Craeyevanger, Dahmen, Haak, Dr. Kist en Soeterik, worden door Buys Ballot omschreven als "behorend tot het getal dergenen, die in deze stad het meest om hunne talenten geacht zijn, en wier juistheid en fijnheid van oor, zoo al te evenaren, toch moeijelijk te bereiken is". Achter de locomotief werd een wagon gevoegd om het grotere aantal personen te kunnen plaatsen. Op de bewuste dag, zo lezen wij in de publicatie, was er een onaangename zonnewarmte.

Locomotief van Sharp en Roberts uit 1843, die Buys Ballot waarschijnlijk heeft gebruikt voor zijn experiment.
Locomotief van Sharp en Roberts uit 1843, die Buys Ballot waarschijnlijk heeft gebruikt voor zijn experiment.


Op de spoorweg tussen Utrecht en Maarssen werden op de plaatsen A, B, en C, onderling 300 à 400 meter van elkaar verwijderd, drie personen geplaatst (een blazer, een waarnemer en een schrijver). Telkens als de trein van Utrecht naar Maarssen reed blies de muzikant op de trein bij het passeren van de standplaatsen A, B en C terwijl bij het rijden van Maarssen naar Utrecht er bij de standplaatsen werd geblazen en op de trein werd waargenomen. De waarnemers stonden bewust op korte afstand van de spoorrails, slechts 1 à 2 meter, omdat het effect dan zo duidelijk mogelijk is.
De trein reed met verschillende snelheden, die voor elke rit zoveel mogelijk gelijkmatig was. Ter voorkoming van verwarring werd als toon alléén de g gebruikt. Om boven het geraas van de locomotief uit te komen werden enkele van de op 3 juni met een klephoorn uitgevoerde proeven op 5 juni 1845 herhaald met de signaalhoorn. Alhoewel de verschillen in toonhoogte in 16e delen werden genoteerd (8 = 8/16 = 1/2 toon) werd van de geoefende waarnemers in de gegeven omstandigheden niet verwacht dat zij kleinere verschillen dan 1/8 toon zouden registreren. De wind, het geraas van de locomotief, de blaasrichting van de hoorn en de korte waarnemingstijd bij hogere snelheden van de locomotief zijn beperkende factoren. De snelheid van de trein bij de experimenten varieerde tussen 18 en 72 km/uur, hetgeen in die tijd al erg snel was. Vermeldenswaard is nog dat de op 5 juni gebruikte locomotief van een andere constructie was dan die op 3 juni en door de machinist niet op constante snelheid kon worden gehouden.
Het is niet uit de oorspronkelijke publicaties op te maken om welke locomotieven het precies ging. De Nederlansche Rhijn Spoorweg Maatschappij was een staatsbedrijf en beschikte in die tijd over 6 Engelse locomotieven, gebouwd door Sharps en Roberts in Manchester (Jupiter, Eolus, Meduza, Pegazus, Hercules en Mercurius), en 4 Nederlandse (Vuurpijl, Draak, Rijn en IJstroom). Omdat de Engelse kwalitatief het beste waren, is het waarschijnlijk dat op 3 juni een Engelse en op 5 juni een Nederlandse locomotief werd gebruikt maar zeker is dat niet. De Nederlander Jonkman (10) refereert naar de Hercules als zijnde de locomotief die bij de eerste experimenten werd gebruikt. Het model van de Hercules (in schaal 1 : 12 gemaakt door modelbouwer J.T.F. Steenbergen) staat in het Spoorweg Museum en is waarschijnlijk de enige afbeelding van een locomotief uit die tijd. Er is in de literatuur over locomotieven bovendien enige discussie of het betreffende model is gemaakt naar het voorbeeld van een Engelse of een Nederlandse locomotief. De verschillen zijn echter gering en het betreffende model illustreert fraai hoe de machinist in die tijd was blootgesteld aan de weersinvloeden.
De resultaten werden in tabelvorm weergegeven. Bij alle waarnemingen bleek de "aankomende toon" hoger en de "weggaande toon" lager te zijn waargenomen dan de geproduceerde toon. De verschillen waren inderdaad afhankelijk van de snelheid van de trein.
Voor de bewijsvoering in het onderzoek koos Buys Ballot voor een vergelijking van de waargenomen subjectieve toon met de door hem berekende subjectieve toon. De frequentie n van de geblazen of objectieve toon was in die tijd onbekend. Deze werd door Buys Ballot arbitrair op 1000 trillingen / seconden gesteld. Hij berekende de subjectieve toon met de eenvoudige formule n (1± a/v) waarbij a de snelheid van de trein in seconden is en v de snelheid van het geluid, eveneens in seconden. De + in de formule geldt voor het naderen van de bron en de - voor het verwijderen ervan. De tabellen in de beide publicaties vermelden de "Thermometer", Barometer en Dampdrukking (= vochtigheid)", die nodig zijn om de betreffende voortplantingssnelheid van het geluid te kunnen opzoeken in toen reeds bestaande tabellen van "von Moll und v. Beek".
De verschillen tussen de berekende- en waargenomen toonhoogte waren slechts gering, hetgeen de nauwkeurigheid van de uitgevoerde experimenten illustreert. Met de resultaten van dit beroemde akoestische experiment werd de juistheid van het Doppler principe voor geluidgolven bewezen. Merkwaardigerwijs heeft Buys Ballot daarna nooit meer enig onderzoek met geluidsgolven gedaan.

Beschouwing
In de Duitse publicatie wijdt Buys Ballot nog 15 pagina's aan de hypothese van Doppler en bekritiseert de gedachte dat het Doppler principe ten grondslag ligt aan de beschreven kleurveranderingen. Hij gaat daarbij uitvoerig in op oudere reeds bestaande literatuur over dit onderwerp.
In 1847 publiceert Dr. Krönig een uitvoerige samenvatting over de verschillen van inzicht tussen Doppler en Buys Ballot (11). Ook veel later werd duidelijk dat Doppler zich vergiste toen hij het hem zo beroemd gemaakte principe ten onrechte inzette om de kleurveranderingen van sterren te verklaren. Pas ongeveer 100 jaar later krijgt het Doppler principe ironisch genoeg toch een praktische toepassing van enige betekenis in de astronomie. (7)
In de Nederlandse publicatie (8b) besluit Buys Ballot met de opmerkelijke vraag: "Wat nut geven deze waarnemingen, zoo is er voor 'shands niets bepaalds voor aan te geven, maar men weet niet hoe onverwacht soms eene nieuw gevonden waarheid hare toepassing vindt". Het was in die tijd kennelijk niet nodig bij onderzoek van te voren aan te geven welk nut ermee gediend zou kunnen zijn.
Uit het bovenstaande blijkt dat noch Doppler, noch Buys Ballot enig vermoeden hadden van het grote aantal praktische toepassingen van het Doppler principe. Zo wordt bij de positiebepaling van schepen met behulp van satellieten ook gebruik gemaakt van het Doppler principe. De schepen van de Koninklijke Nederlandse Reddingsmaatschappij zijn met deze apparatuur uitgerust.
In de geneeskunde wordt met behulp van het Doppler principe, gebruik makend van ultrageluid, de stroomsnelheid in bloedvaten gemeten. (12) Bij het echoscopisch onderzoek is de Doppler-flow meting o.a. in de navelstrengvaten van het ongeboren kind een begrip geworden. Met behulp van dit principe kunnen de bloedvaten ook in kleur worden afgebeeld. In de internationale medische literatuur kreeg het acoustische experiment van Buys Ballot ook recent nog ruime aandacht (7, 10 en 12).

Buys Ballot (1817-1890)
Christophorus Henricus Diedericus Buys Ballot, in 1817 in Kloetinge geboren, is als één van de beroemdste meteorologen de geschiedenis in gegaan. In 1844 promoveerde hij magna cum laude op een proefschrift over cohesie en adhesie (1). Hierin nam hij een stelling op, waarin hij het werk van Doppler bekritiseerde.

Na zijn promotie werd Buys Ballot in 1845 benoemd tot lector in de geologie, mineralogie en scheikunde aan de Universiteit van Utrecht, maar al snel toonde hij veel meer belangstelling voor de meteorologie. In 1847 verscheen zijn eerste publicatie over de maandelijkse variaties van de temperatuur door het hele jaar heen. Samen met zijn studiegenoot Frederick Wilhem Krecke maakte hij plannen het "Bolwerk Sonnenborgh" te verbouwen tot astronomisch en meteorologisch observatorium. Op 31 januari 1854 werd het KNMI onder Binnenlandse Zaken opgericht met Buys Ballot als eerste directeur. In dat jaar publiceerde hij tevens de eerste synoptische weerkaarten publiceerde en daarmee is hij de grondlegger van de weerkaart en het weerbericht in ons land.
Door zijn vele meteorologische waarnemingen kon hij als eerste in de praktijk het verband tussen luchtdruk en wind aantonen. Dit onderzoek resulteerde in de zo beroemd geworden en in 1857 gepubliceerde Wet van Buys Ballot: staande met de rug naar de wind, bevindt het lagedrukgebied zich op het Noordelijk Halfrond links van de waarnemer en het hogedrukgebied rechts van hem.
Buys Ballot kende grote betekenis toe aan "de waarneming en het experiment" , getuige zijn uitspraak "Waarneming moet feiten leveren en bespiegeling moet tot waarnemingen aansporen". Hij werd beheerst door de hartstocht van het weten en in dat licht past ook zijn experiment van het Doppler-effect.

Doppler (1805-1853)
Johann Christian Doppler werd in 1805 in Salzburg geboren. Na zijn opleiding aan het Polytechnisch Instituut in Wenen werkte hij enige tijd in München en vanaf 1835 in Praag. In 1841 werd hij benoemd tot hoogleraar in de Elementaire Wiskunde en Geometrie aan de Technische Universiteit van Praag.
Op 25 mei 1842 houdt Doppler voor het "Köningliche Böhmischen Geselschaft der Wissenschaften" in Praag "in der naturwissenschaftlichen Sectionssitzung" zijn beroemde voordracht: "Ueber das farbige Licht der Doppelsterne und einige anderer Gesterne des Himmels". Deze wordt in 1843 gepubliceerd (5) en bij de viering van zijn 100e geboortedag opnieuw uitgegeven (6) met kort commentaar een getekend portret van Doppler.
In deze beroemde publicatie begint Doppler met een herhaling van de theorie over de golflengte van licht en legt uit dat de kleur van het licht afhankelijk is van de frequentie. Vervolgens stelt hij dat de frequentie toeneemt als de waarnemer beweegt in de richting van de bron en afneemt als hij zich van de bron af beweegt. Ter illustratie vergelijkt hij dit effect met een schip dat varend tegen de golven in frequenter golven ontmoet dan wanneer hij met de golven meevaart. In zijn oorspronkelijke publicatie maakt hij gebruik van tekeningen om zijn principe uit te leggen.
Vervolgens verklaart Doppler met dit principe dat de blauwe kleur van sterren wordt veroorzaakt door het feit dat zij de waarnemer naderen terwijl de rode kleur wordt veroorzaakt door beweging in tegenovergestelde richting. Deze onjuiste conclusie was gebaseerd op de onjuiste gedachte dat elke ster zuiver wit licht uitzendt. Daarmee bleek ook achteraf dat hij geen kennis had genomen van eerdere publicaties (rond 1800) over effecten van temperatuur, ultraviolette straling en de kleuren van het lichtspectrum (7).
Bij dezelfde universiteit in Praag wordt Doppler een eredoctoraat in de filosofie verleend terwijl de stadsraad aan de gevel van het huis, waarin hij het "Doppler Principe" gestalte gaf, een gedenksteen liet aanbrengen. In verband met politieke onrust week Doppler uit naar Wenen en werd daar hoogleraar in de experimentele fysica. Korte tijd later overleed hij in Wenen in 1853 op 49 jarige leeftijd aan een longaandoening die hij in Praag al had opgelopen.
In Salzburg bevindt zich nu nog het Doppler museum ter nagedachtenis aan een in zijn eigen tijd relatief onbekende wetenschapper. Hij heeft zich nooit kunnen realiseren hoeveel praktische en zeer belangrijke toepassingen er op basis van het Doppler principe zouden worden ontwikkeld.

Referenties

  • Buys Ballot CHD: De Synaphia et Prosophia. Traject. ad Rhen. 1844
  • Everdingen E van: C.H.D. Buys Ballot. 1953
  • Snelders HAM, Schuurmans CJE. Christophorus H. D. Buys Ballot (1817-1890), ... een inrichting voor wedervoortzegunde. In Intermediair Bibliotheek "Van Stevin tot Lorentz" Eds Kox en Chamalan. 1980; 123-133
  • Geurts H: Buys Ballot, oprichter van het KNMI. Brochure KNMI. 1994
  • Doppler JC: Ueber das farbige Licht der Doppelsterne und einiger anderer Gestirne des Himmels. Abhandl. d. Köningl. Böhm. Geselschaft der Wissenschaften. Sers. 1843; 2: 465-482
  • Studnicka FJ: Zur Feier seines (Doppler) hundertsten Geburtstages. Verlag der Köningl. Böhm. Geselschaft der Wissenschaften. Prag 1903; 1-25
  • White D.N. Johann Christian Doppler and his effect - a brief history. Ultrasound in Med and Biol. 1982; 8 : 583-591
  • Buys Ballot C.H.D.: Bedrog van het gehoororgaan in het bepalen van de hoogte van eenen waargenomen toon. Bewezen door proeven op den Rijn?Spoorweg tusschen Utrecht en Maarssen in Februarij genomen. Caecilia. Algemeen Muzikaal Tijdschrift van Nederland 1845; Tweede Jaargang, No 7: 79-81
  • Buys Ballot CHD: Bedrog van het gehoororgaan in het bepalen van de hoogte van eenen waargenomen toon. Bewezen door proeven op den Rijn?Spoorweg tusschen Utrecht en Maarssen in Junij genomen. Caecilia. Algemeen Muzikaal Tijdschrift van Nederland 1845; Tweede Jaargang, No 14: 145-147 en No 16: 167-170
  • Buys Ballot, Dr. Akustische Versuche auf der Niederländischen Eisenbahn, nebst gelegentlichen Bemerkungen zur Theorie des Hrn. Prof. Doppler. Annalen der Physik und Chemie. 1845; 11: 321-351
  • Jonkman E.J. An Historical note; Doppler research in the nineteenth century. Ultrasound in Med and Biol. 1980; 6: 1 ? 5
  • Krönig, Dr. Akustik, Doppler. Fortschritte der Physik im Jahre 1845. Dargestellt von der physikalischen Gesellschaft zu Berlin. 1847; 1: 154-159
  • Fleischer AC, Goldstein RB, Bruner JP, Worrell JA. Doppler Sonography in Obstetrics and Gynaecology. In: Ultrasonography in Obstetrics and Gynaecolgy. Ed.:Callan PW. 1994; 3rd edition: pp 503-523, Saunders, London.

    Dit artikel werd gepubliceerd in Zenit, oktober 1996, 23e jaargang nummer 10, p. 431-434.