Le mercredi 30 septembre 2020, un bruit assourdissant retentit dans Paris en fin de matinée. Après quelque minutes de confusion, il est rapporté que c’est un avion chasse qui a causé cette perturbation en survolant Paris au-delà de la vitesse du son (tweet de la Préfecture de Police). Le son à donc une vitesse, que l’on peut dépasser? Que se passe t’il dans ce cas? Mais au fait, qu’est-ce que le son? Nous répondrons à ces questions dans la suite de cet article.
Le son
Commençons avec la définition du son : c’est une onde mécanique longitudinale de compression du milieu.
Une onde peut être définie comme un transport d’énergie sans transport de matière. Une manière simple de conceptualiser l’onde est de prendre l’exemple de la houle en mer. Le niveau de l’eau monte puis descend, sans pour autant que l’eau se déplace à droite ou à gauche. Si l’on sélectionne une goutte d’eau et que l’on observe son mouvement, elle va simplement monter puis descendre avec le passage de l’onde traversant l’eau. La houle est donc une onde car on observe un déplacement d’énergie (la propagation d’une vague) sans pour autant que l’eau se déplace avec (la goutte d’eau n’est montée que temporairement, elle est ensuite retournée à sa position initiale).
De plus le son est une onde mécanique, ce qui signifie que c’est une onde qui se propage dans la matière (via les molécules et atomes), en opposition avec les ondes électromagnétiques (tel que la lumière) qui se propagent sans support matériel (en effet la lumière peut traverser le vide de l’espace).
Enfin dire que le son est “longitudinal de compression du milieu” signifie que la perturbation sonore se propage de proche en proche dans la direction de propagation de l’onde, en comprimant les atomes du milieu sur son chemin.
Parce que tout cela doit sembler très abstrait, je joins une vidéo qui vous permettra de clarifier tout ça : https://www.youtube.com/watch?v=hmMak2lMJNs
La vitesse du son
Le son peut se propager dans tout milieu matériel. Comme il se propage de proche en proche, en comprimant les atomes à la suite, plus le milieu dans lequel il se propage est dense en atomes, plus le son se propagera vite. Ainsi dans l’air à pression atmosphérique, le son aura une vitesse de l’ordre de 300 m/s (mètres par seconde), dans l’eau (un fluide déjà bien plus dense) la vitesse du son est de l’ordre de 1500 m/s, tandis que dans l’acier, plus dense encore, elle est de l’ordre de 5000 m/s.
Dans l’air, le milieu de propagation qui nous intéresse, la vitesse du son dépend en grande partie de la pression du milieu et de sa température. En considérant une pression constante, plus la température est élevée, plus la vitesse du son l’est aussi. On peut donc dire que le son est plus rapide là où je vous parle qu’à plusieurs centaines de mètres d’altitude.
Il faut aussi noter que lorsque l’on parle de vitesse du son de manière générale, on désigne la vitesse du son dans l’air à pression atmosphérique et à une température de 15.9°C. Cette vitesse est alors d’environ 340 m/s (soit 1224 km/h).
(Pour tout savoir sur la vitesse du son)
Une vitesse historique.
Quand et comment avons-nous mesuré la vitesse du son pour la première fois?
Au XVIIIème siècle, une expérience est répétée de nombreuses fois en Europe pour estimer la vitesse du son. On se munit d’un canon que l’on fait tirer à blanc de nuit. Au loin quelqu’un se charge de déclencher un chronomètre dès qu’il perçoit la lumière du coup de feu, et l’arrête lorsqu’il entend le son du tir. En supposant que la lumière est parvenue instantanément à ses yeux, il a donc mesuré la durée prise par l’onde sonore pour parcourir la distance qui le sépare du canon. Cette distance est mesurée avant même la mesure de la durée, elle est donc bien connue. On a donc la distance d parcourue par l’onde sonore, pour une durée t mesurée à l’aide du chronomètre. Par définition la vitesse est v=d/t, c’est donc ainsi qu’on a obtenu les premières estimations de la vitesse du son (pour plus de détails).
D’où vient l’expression “mur du son” ?
Peu après la création des premiers avions de combat (1ère guerre mondiale), de nombreux pilotes ont essayé de dépasser la vitesse du son. Seulement lorsque qu’un véhicule s’approche de la vitesse du son, la pression exercée par l’air sur ce véhicule augmente considérablement, et les turbulences sont amplifiées. Ces turbulences amplifiées peuvent facilement mener à une perte de contrôle du véhicule, tandis que la pression importante est pour de nombreux fuselages intenables. Ainsi les pertes de contrôle, et les destructions en vol des véhicules sous la pression, causent la mort de nombreux aviateurs. C’est cette difficulté à dépasser la vitesse du son qui lui a donc value le surnom de mur du son (pour plus de détails).
Le bang supersonique
En 1947, la vitesse du son est dépassée pour la première fois (avec survie) par le pilote américain Chuck Yeager qui atteint Mach 1. Le coefficient Mach correspond à la vitesse du véhicule divisée par la vitesse du son. Ainsi aller à Mach 1, c’est aller à la vitesse du son, tandis que Mach 4, correspond à 4 fois la vitesse du son.
Lorsqu’un avion dépasse la vitesse du son, il va plus vite que l’onde sonore qu’il émet. Pour le pilote, rien ne se passe dans la cabine, seuls quelques capteurs comme l’altimètre qui s’affolent un instant du soudain changement de pression. Toutefois à l’extérieur de l’avion, les ondes sonores se compriment le long de la surface d’un cône autour de l’avion. C’est cette concentration en surface du cône des ondes sonores qui les rend plus puissantes, et qui fait qu’après que l’avion soit passé, on perçoive un bang supersonique. De plus, le changement de pression local autour de l’avion peut parfois être perçu visuellement grâce à la condensation soudaine de l’eau qui entoure l’avion d’un nuage conique.
Comme c’est un concept assez visuel, je vous joins une petite vidéo récapitulative : ici.
Une version plus courte en français : ici.
Ceux qui ont brisé le mur du son
Parmi les nombreux objets ayant dépassé le mur du son, on peut bien évidemment citer les avions de chasse, comme le Rafale qui a survolé Paris (et qui a une vitesse maximale de Mach 1.8). Il y a aussi le Concorde, le seul avion dépassant Mach 1 (et allant jusqu’à Mach 2) ayant été utilisé dans l’aviation civile. Dans le domaine de l’aéronautique, la Nasa a aussi créé une prototype d’avion surnommée X43-A (ici) et ayant atteint pendant quelque instant Mach 9.8.
Cependant il n’est pas toujours aussi dur de dépasser la vitesse du son. De nombreuses armes émettent des projectiles supersoniques, et je glisse le lien vers une vidéo où vous pourrez observer en excès les ondes sonores de ces projectiles : ici. Mais il est aussi possible de dépasser cette vitesse à l’aide d’un simple fouet : ici.
Je vous laisse finalement avec une vidéo du seul humain ayant franchi le mur du son en chute libre (en 2012) : ici .