Des signaux pour observer et communiquer

Vitesse de propagation de la lumière dans l’air ou le vide

La vitesse de propagation de la lumière est très élevée et nous paraît instantanée. En réalité, elle n’est pas infinie, et s’élève, dans le vide à 300 000km/s.

Le Soleil, ou la Lune, nous paraissent proche. Néanmoins, la lumière parvient du Soleil à nos yeux en un peu plus de 8 minutes ; depuis la Lune, la lumière arrive sur Terre en un peu plus d’une seconde.

Les distances astronomiques sont tellement grandes qu’au lieu d’utiliser le kilomètre, on préfère souvent utiliser la distance parcourue par la lumière dans le vide pendant un an : l’année-lumière (a.l.).

En un an, la lumière parcourt plus de 9 mille milliards de kilomètre (9,4 x 10¹² km) dans le vide de l’espace. Pourtant, il faut plus de 4 ans à la lumière de l’étoile la plus proche du Soleil (Proxima Centauri) pour nous parvenir, et 14 milliards d’années pour nous parvenir des galaxies les plus éloignées.

Vitesse de la lumière dans d’autres milieux

La lumière se déplace à une vitesse comparable dans l’air et dans le vide. Cependant, dans d’autres milieux transparents (comme le verre ou le plexiglass), sa vitesse sera différente. Il faut donc prendre en compte ce paramètre pour pouvoir connaître sa vitesse de propagation.

Ce phénomène est à l’origine des illusions d’optique qui déforment les objets à travers un verre d’eau ou une vitre par exemple.

Nature de l’onde sonore

On décrit le son comme une onde qui se déplace dans toutes les directions, à la manière d’un accordéon qui se comprime et se détend. Ce type d’onde est différent des ondes lumineuses. On les appelle ondes mécaniques : elles propagent une perturbation, sans déplacement de matière. La matière n’est alors qu’un support.

Pour se propager, les sons ont besoins d’un milieu matériel comme l’air, l’eau, l’acier… C’est la raison pour laquelle ils ne se propagent pas dans le vide.

La vitesse du son est bien inférieure à celle de la lumière, et dépend du milieu dans lequel il se propage. Par exemple, sa vitesse vaut :

• 340 m/s dans l’air, 
• 1 500 m/s dans l’eau de mer,
• 5 000 m/s dans l’acier.

La vitesse v du son est reliée à la distance d de la source sonore et à la durée t de parcours du milieu de propagation : v = d/t

Ainsi, connaissant la vitesse et la durée de parcours du son, on peut calculer la distance d’éloignement de la source : lors d’un orage, si l’on entend le tonnerre trois secondes après avoir vu l’éclair, on peut en déduire que la distance à l’orage était de $\rm d = v \times t = 340 \times 3 = 1 020$ m soit 1 km.

Caractérisation d’une onde sonore

Plus un son est aigu, plus les perturbations appliquées à la matière sont rapprochées dans le temps. On parle alors d’une fréquence élevée.

Au contraire, quand les perturbations s’éloignent dans le temps, plus le son est grave, et plus sa fréquence est faible.

La fréquence s’exprime en Hertz (nombre de perturbations par seconde).

Il ne faut pas confondre intensité (si le son est fort ou faible) et fréquence (si le son est aigu ou grave).

Exemple : les sons ci-dessous ont tous la même fréquence mais des intensités différentes :