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les Xp de cossie
2 lire en accéléré / au ralenti
Ces expériences avec des signaux qui nous arrivent
permettent de comprendre pourquoi un son en
accéléré est plus aigu et pourquoi un son au ralenti
est plus grave. Et cela se comprend encore mieux
avec les anciennes platines à disques vinyles. Sur le
disque, des signaux codant un son sont gravés. Ils sont
faits pour être lus à une certaine vitesse. Si la tête de
lecture passe à une vitesse plus rapide, la fréquence
des sons sera plus aigüe (à l’inverse : vitesse plus
lente, fréquence plus grave). Il y a typiquement
3 vitesses sur les tourne-disques : 33,45 et 78 tr/min.
Un disque 45 tours est fait pour être lu à 45 tr/min,
si on le lit à 33 tr/min, la musique est plus grave,
et à 78 tr/min, elle est plus aigüe. C’est la même
chose avec une cassette à bande magnétique :
des signaux sont gravés sur un support et destinés
à être lus à une certaine vitesse. La fonction “avance
rapide” donne un son plus aigu.
3 le son d’une source en mouvement
Appliquons tout cela à un son (qui sera notre signal,
notre onde) en mouvement. Cette fois ce n’est plus
la tête de lecture, mais la source du son elle-même
qui bouge. Une voiture, ou une formule 1, émet un
son, celui de son moteur (on entendra encore mieux
l’effet Doppler si la voiture klaxonne d’un son
continu). Lorsque la voiture arrive vers nous, le son
est aigu, lorsqu’elle est passée et qu’elle s’éloigne,
le son est plus grave. Nous aurions le même effet si
nous étions nous-mêmes en voiture et que nous
passions à côté d’une source sonore fixe au bord
de la route. Lorsqu’on s’approche, le son paraît aigu,
lorsqu’on s’éloigne, le son paraît grave. Ce qui est
important pour que l’effet se produise, c’est que la
source du son et le capteur soient en mouvement
l’un par rapport à l’autre.
4 le son du lasso
Une source sonore est accrochée à un fil. Lorsqu’on
la fait tourner, la source avance vers nous pendant
la moitié de la rotation et s’éloigne de nous pendant
l’autre moitié. On aura donc alternativement
un son plus aigu, puis un son plus grave etc. L’effet est
d’autant plus marqué que la rotation est rapide.
Les bruitages de séries ou de films nous permettent
d’ailleurs d’entendre cette variation de fréquence
quand un personnage manie un lasso ou une fronde.
Zoom de particule
Il s’agit d’un avion en train de passer le mur du son.
En avançant, l’avion comprime l’air qu’il rencontre.
Cette surpression, comparable à un son, se déplace
dans l’air environnant, dans toutes les directions.
Elle se propage donc également vers l’avant de
l’avion, à la vitesse du son. Lorsque l’avion atteint
lui-même la vitesse du son, il se retrouve face
à un véritable mur de pression créé par cette
surpression. Lorsque l’avion accélère encore et
dépasse la vitesse du son, ce mur de pression se
détend brusquement, créant le “bang” supersonique.
Dans le même temps, la vapeur d’eau contenue dans
l’air se liquéfie en gouttelettes, sous l’effet de cette
détente brusque, créant ce petit nuage brumeux
entourant l’avion. Ce nuage ne dure que quelques
secondes et disparaît dès que l’avion dépasse
nettement la vitesse du son.
QuiZZ
1 Une échographie Doppler permet de mesurer la vitesse du sang dans les vaisseaux.
Mais dans quelle gamme d’ondes ?
a les ultrasons
Une échographie, c’est retranscrire une image par un écho. La sonde que le médecin applique sur
la peau envoie des ultrasons, c’est-à-dire des sons à si haute fréquence qu’ils ne peuvent pas être
entendus par l’oreille humaine. L’échographie Doppler travaille entre 1 et 10 MHz (1 et 10 millions
d’Hertz) alors que l’oreille humaine entend les fréquences entre 20 et 20 000 Hz.
Dans leur trajet dans le corps humain, à chaque fois qu’ils rencontrent un nouveau milieu (un organe,
un vaisseau…), une partie des ultrasons est réfléchie. Et ces sons réfléchis, cet écho, seront captés
par la sonde, qui est munie d’émetteurs mais aussi de récepteurs. Suivant la profondeur de l’organe
qui les réfléchit, les échos ne mettront pas le même temps à revenir. C’est en retranscrivant
ces différents échos que l’on retranscrit l’image de l’intérieur du corps.
L’échographie Doppler est très utilisée notamment pour calculer la vitesse du sang dans les veines
(le flux sanguin). Si un ultrason est envoyé à la fréquence f et qu’il rencontre un flux sanguin,
l’écho va revenir avec une fréquence décalée.Vers les aigus si le sens est en direction de la sonde,
vers le grave sinon. En mesurant ce décalage, on peut retrouver la vitesse du flux. Cela est très utile
notamment pour détecter des problèmes de circulation ou même étudier directement les flux sanguins
à l’intérieur du cœur et détecter d’éventuelles anomalies cardiaques.
2 Que représente le mur du son ?
b un choc de compression lorsqu’un objet atteint la vitesse du son
Imaginons un véhicule, par exemple un avion, qui se déplace dans l’air. Lorsqu’il touche un petit volume
d’air devant lui, il le compresse légèrement, et cette compression va se propager dans tous les sens,
y compris devant lui. C’est exactement la même chose qu’un son : une petite surpression (provoquée
au départ par la vibration d’une corde vocale, d’une corde de guitare, ou d’une enceinte de chaine hifi)
qui se propage dans toutes les directions. Cette surpression se déplace donc à la vitesse du son dans
l’air. Si l’avion vole nettement en dessous de la vitesse du son, ces ondes vont voyager tranquillement,
loin devant lui, sans le gêner. Mais lorsque l’avion approche de la vitesse du son, ces surpressions,
ces ondes, s’accumulent juste devant lui, créant littéralement un front d’ondes, qui rendent
les commandes de l’appareil plus difficiles à maîtriser. Une fois ce front passé, la navigation
redevient normale. C’est ce passage délicat que les pilotes ont appelé le “mur du son”, comme une
étape à franchir.
3 Lançons une lampe vers un trou noir…
a elle devient de plus en plus rouge
C’est finalement valable pour une lampe lancée vers n’importe quel astre : à mesure que l’astre attire
la lampe, elle accélère, et sa vitesse de plus en plus grande décale ses longueurs d’onde vers le rouge.
Evidemment, l’effet sera plus net pour un trou noir, puisque la lampe va accélérer jusqu’à atteindre
la vitesse de la lumière (juste avant la limite de visibilité du trou noir). La lampe va alors émettre dans
une longueur d’onde très basse, en ondes radios, loin du visible…
On peut aussi comprendre ce phénomène par une autre approche : d’après la théorie de la Relativité
générale d’Albert Einstein, une masse courbe l’espace-temps autour d’elle, et par exemple allonge
les longueurs. On peut ainsi dire que plus la lampe s’approche du trou noir, plus elle est soumise
à son champ de gravité, et plus les longueurs d’onde de la lumière qu’elle émet sont allongées.
C’est comme si on dessinait une onde sur un élastique et qu’on étirait l’élastique : la distance entre
deux crêtes de l’onde serait de plus en plus grande. Et des longueurs d’onde de plus en plus grandes,
c’est tout simplement une lumière de plus en plus rouge, puis tirant de plus en plus vers l’infrarouge
et les ondes radios lorsqu’elle s’approche vers la limite du trou noir.
4 Dans un four à micro-ondes, on chauffe les aliments grâce à une lumière plus faible
que les ondes infrarouges. Comment cela fonctionne-t-il ?
c ce sont des ondes calibrées pour faire vibrer les molécules d’eau des aliments
Les rayonnements qui transportent le plus d’énergie sont les longueurs d’onde courtes :
les ultraviolets, les rayons X, les rayons Gamma. Cela peut se comprendre : sur une longueur donnée,
on a plus d’ondes, donc d’énergie, si la longueur d’onde est courte. C’est donc assez surprenant
que l’on puisse chauffer des aliments avec des micro-ondes, qui sont en fait des ondes dans le
domaine radio, plus faibles que les infrarouge et comparables à ce que reçoivent nos antennes
de télévision. Cuire avec une onde télé, ce serait quand même surprenant ! En fait, la lumière est
en perpétuelle interaction avec la matière. La molécule d’eau par exemple est orientée électriquement.
Les électrons qu’elle contient (charges -) ne sont pas répartis uniformément mais sont plutôt du côté
de la molécule d’oxygène. Ainsi, la molécule H2O a deux pôles chargés + et – et sera sensible
à un champ électrique. Or la lumière est une onde électromagnétique. Donc sous l’effet de la lumière,
les molécules d’eau des aliments vont se mettre à vibrer. Sur une certaine plage de fréquence,
liée à la forme et à la dimension de la molécule d’eau, la molécule n’arrivera plus à vibrer “en rythme”
avec la fréquence de l’onde, et commencera à s’agiter de manière désordonnée. C’est cette agitation
qui se traduit en chaleur à notre échelle. Elle communiquera ensuite cette chaleur au reste
des aliments.
5 On peut détecter une exoplanète en analysant le spectre d’une étoile :
b oui, c’est la méthode des vitesses radiales
C’est d’ailleurs par cette méthode que l’on a découvert la première exoplanète en 1995.
Prenez un bâton de majorette, c’est un bâton avec une masse à chaque extrémité. Jetez-le en l’air en
le faisant tourner. Les deux masses étant égales, il se mettra en rotation autour d’un point qui sera
au milieu du bâton. Mais si vous mettez à une extrémité une masse beaucoup plus lourde que l’autre,
le centre de rotation sera décalé vers la masse la plus lourde. C’est la même chose entre une étoile et
sa planète. En fait une planète ne tourne pas autour de son étoile, les deux tournent ensemble autour
du centre de leur centre de gravité, qui, l’étoile étant des milliers de fois plus massive que la planète,
se trouve très près du centre de l’étoile. Mais il n’empêche, sous l’effet de la gravité de la planète,
l’étoile va avoir un petit mouvement de rotation autour du centre de gravité. On peut donc détecter
un petit mouvement d’avant en arrière de l’étoile, ce qui va se traduire dans le spectre de l’étoile.
Tantôt elle va s’approcher légèrement de nous, et le spectre sera décalé vers le bleu, tantôt elle va
s’éloigner et le spectre sera décalé vers le rouge. Si ce balancement est régulier, on peut en déduire
qu’il est dû à une planète et on peut même mesurer la période de rotation de la planète.
C’est une mesure très fine qui ne permettait au départ que de détecter de grosses planètes très
proches de leur étoile (les “Jupiter chauds”). Imaginez, la Terre ne produit qu’un tout petit déplacement
de 50 km du Soleil autour du centre de gravité (le rayon du Soleil est de plus d’un million de km),
et ce en 365 jours. Ce qui donne une vitesse radiale à détecter d’environ 1,5 millimètre par seconde !
6 Un gaz dans l’atmosphère d’une étoile produit une raie sombre dans le spectre
de l’étoile. Quel est l’effet de la température du gaz sur la raie ?
c plus le gaz est chaud, plus la raie est large
La température est un mouvement. En effet, la température d’un corps traduit l’agitation des particules
qui composent ce corps. Plus le corps est chaud, plus ces particules seront agitées, c’est-à-dire auront
des vitesses importantes. Statistiquement, certaines iront plus vite, d’autres plus lentement qu’une
vitesse moyenne liée à la température. Certaines se déplaceront vers nous, d’autres à l’opposé.
Chaque atome ou molécule qui absorbera une certaine longueur d’onde créera une raie d’absorption,
mais qui sera décalée de la longueur d’onde absorbée à cause de sa vitesse radiale. Si l’on additionne
les absorptions de toutes les particules, elles s’étendront sur une petite plage de longueur d’onde.
On aura donc une bande d’absorption, centrée sur la longueur d’onde absorbée, mais qui sera d’autant
plus large que la température du gaz absorbant (donc la vitesse des particules qui le compose) est grande.
7 Astérosismologie ! Pour sonder le cœur d’une étoile, on analyse les mouvements
à sa surface. Quelle est la vitesse la plus petite que l’on peut détecter ?
c quelques cm/s
La surface d’une étoile bouillonne sans cesse, on le voit très bien sur le Soleil. Ce bouillonnement
produit continuellement des sons qui se propagent à la surface de l’étoile et en profondeur. La surface
de l’étoile vibre donc comme un tambour. Et comme le son émis par un tambour nous renseigne sur
la taille de la peau du tambour et la manière dont elle est tendue, les vibrations à la surface de l’étoile
nous renseignent sur la densité de la matière stellaire et la profondeur que peuvent atteindre ces ondes.
Mais une vibration, c’est aussi une vitesse, d’avant en arrière, et on peut donc détecter ces vibrations
dans le spectre d’une étoile, en analysant l’effet Doppler induit. Le spectromètre HARPS installé
à l’Observatoire européen de la Silla au Chili attient une précision de 30 cm/s et le futur projet CODEX
prévoit d’atteindre 1 cm/s.
8 Lorsqu’on fait un spectre de la première lumière de l’Univers, la partie droite est plus
rouge et la partie gauche est plus bleue, pourquoi ?
b c’est le signe que la Terre tourne autour du Soleil
La Terre tourne autour du Soleil. C’est un mouvement dont on ne peut s’affranchir, et si l’on fait
un spectre de l’ensemble de la voûte céleste, on est toujours en train de s’éloigner d’une partie du ciel
et de se rapprocher d’une autre. Une partie du spectre du ciel sera donc décalée vers le rouge et l’autre
vers le bleu. Avant toute analyse, il faut donc retrancher du spectre cet effet Doppler induit par
le déplacement de la Terre.
9 Dans cette première lumière de l’Univers, on détecte aussi d’infimes variations
de couleur. À quoi sont-elles dues ?
a à des zones plus chaudes ou plus froides
Rien à voir cette fois avec la vitesse. Ces petites variations sont dues à des petites concentrations de
matière. Mais qui dit concentration de matière dit pression plus grande et température également plus
grande (vraiment très légèrement). Ces concentrations sont le signe de “grumeaux” de matière qui
commencent à s’assembler et qui plus tard créeront les premières étoiles et les premières galaxies.
10 Effet Doppler : on associe souvent un autre nom à celui de Christian Doppler pour
parler de ce phénomène, surtout lorsqu’il s’applique à la lumière. De qui s’agit-il ?
b Hippolyte Fizeau
Christian Doppler, mathématicien et physicien autrichien, a découvert l’effet qui porte son nom appliqué
aux sons en 1842. Hyppolyte Fizeau, astronome français, a découvert que ce même effet pouvait aussi
s’appliquer aux ondes électromagnétiques, donc à la lumière, quelques années plus tard, en 1848.