La physique a une règle intéressante sur le son. Une fois que vous le saurez, vous l’entendrez partout

Imaginez que vous vous trouvez à un arrêt de bus lorsque vous entendez la sirène d’une ambulance qui arrive. Concentrez-vous sur la hauteur de la note, et non sur la montée et la descente de son volume. Lorsque l’ambulance s’approche de vous, le son de sa sirène est aigu, comme la note la plus aiguë d’un piano. Puis, une fois que l’ambulance vous a dépassé, la tonalité de sa sirène diminue à mesure qu’elle s’éloigne de vous, comme la note la plus basse d’un piano. Ce changement de hauteur est l’effet Doppler et il joue un rôle plus important dans notre vie quotidienne que vous ne le pensez.

L’effet Doppler se produit lorsqu’une source d’ondes se déplace par rapport à l’observateur. Ce mouvement comprime les ondes devant la direction de mouvement de la source et dilate les ondes derrière elle. Par exemple, un canard qui nage a de courtes ondulations rapprochées devant lui, tandis que les ondulations derrière lui sont largement espacées. Même si les ondulations émanent du corps du canard à une impulsion constante, elles finissent par être rapprochées ou éloignées par le mouvement du canard. Au moment où les vagues atteignent les rives opposées, les ondulations produites devant le canard en mouvement ont une fréquence plus élevée et une longueur d’onde plus courte, tandis que celles derrière ont une fréquence plus basse et une longueur d’onde plus longue.

Il en va de même pour l’exemple de l’ambulance, qui se produit avec des ondes sonores voyageant dans l’air au lieu des ondulations d’un lac. Pour les ambulanciers, le son de la sirène reste le même, quelle que soit leur direction ou leur vitesse, puisqu’ils se déplacent avec la sirène. Mais lorsque vous vous tenez devant une ambulance qui arrive, les ondes sonores se rapprochent et sont compressées à une fréquence plus élevée. Cela produit le ton plus aigu d’une ambulance qui s’approche et le ton plus grave de son départ.

Le passage d’ambulances, de trains, de motos, d’avions et d’autres véhicules sont les exemples les plus clairs de l’effet Doppler : leurs moteurs et sirènes bruyants sonnent plus haut à l’approche et plus bas lorsqu’ils s’éloignent de nous, car les ondes sonores produites par leurs moteurs sont comprimées puis étirées par leur mouvement dans l’air. (C’est pourquoi nous imitons souvent le bruit d’une moto qui passe comme « Nyoooom! » avec un changement de hauteur de haut en bas).

Vous pouvez même ressentir l’effet Doppler dans votre maison. Les insectes volants le produisent tout le temps, par exemple lorsque les abeilles, les mouches domestiques ou les moustiques bourdonnent devant votre oreille pour produire un changement de hauteur distinctif. Vous pourriez même l’entendre lorsque les petits enfants courent en criant dans la maison, car leurs voix sont plus aiguës lorsqu’ils courent vers vous et plus graves lorsqu’ils s’éloignent.

L’effet Doppler est utilisé pour diverses applications utiles, utilisant des ondes acoustiques, telles que le son, et des ondes électromagnétiques, telles que les micro-ondes. Les radars de la police utilisent cet effet pour calculer la vitesse d’une voiture en mouvement, tandis que les portes automatiques l’utilisent pour détecter votre mouvement. L’effet Doppler est également utilisé par les appareils qui mesurent le vent et la météo. Les appareils à ultrasons utilisent l’effet Doppler en émettant des ondes sonores dans le corps d’un patient pour mesurer la circulation.

Cependant, les radars de police ou les capteurs de portes automatiques n’utilisent pas d’ondes sonores, mais des ondes électromagnétiques. Cela inclut toutes les ondes lumineuses visibles et invisibles que nous utilisons pour voir, mettre nos aliments au micro-ondes, générer des rayons X d’os cassés, nous connecter à Internet et chauffer nos maisons. Nous ne pouvons pas les entendre, mais les ondes électromagnétiques affectées par l’effet Doppler jouent un rôle important dans la physique pratique.

Lorsque l’effet Doppler se produit dans les ondes sonores, le changement de fréquence et de longueur d’onde modifie la hauteur que nous entendons. Lorsqu’il se produit dans le spectre électromagnétique, le changement de fréquence et de longueur d’onde modifie les couleurs que nous voyons. Théoriquement, une source de lumière neutre se dirigeant vers vous se déplacera vers les couleurs de fréquence plus élevée, comme le bleu et le violet, tandis qu’une source de lumière s’éloignant de vous se déplacera vers les couleurs de fréquence plus basse, comme le rouge. Les astronomes les appellent respectivement blueshifts et redshifts.

Les astronomes peuvent utiliser ces changements de couleur pour déterminer les vitesses et les directions des objets célestes, et ce phénomène a été la clé de la découverte par Edwin Hubble de l’expansion de l’univers. Après avoir étudié de vastes étendues du ciel nocturne à l’aide de télescopes, Hubble a observé que plus une galaxie était éloignée, plus son redshift était important. Cette relation directe entre la distance et la vitesse de retrait suggère que l’espace-temps lui-même s’étend à un rythme moyen.

Notre perception du spectre électromagnétique est confinée à une petite bande de lumière appelée spectre visible. Et comme la lumière se déplace à environ 186 000 milles par seconde, aucune source de lumière dans notre vie quotidienne ne se déplace assez vite pour que l’effet Doppler soit perceptible à l’œil nu. Le son, quant à lui, se déplace par vibrations acoustiques à travers un fluide. Sa vitesse dans les airs est généralement d’environ 767 mph, ce qui est beaucoup plus lent et plus facile à remarquer par ceux qui ont l’oreille fine. Une fois que vous commencez à écouter l’effet Doppler, vous commencez à l’entendre partout.