L’effet Doppler

Lorsque l’on parle d’effet Doppler, la majorité des gens pensent automatiquement à un système d’imagerie médicale. Pourtant, nous faisons chaque jour l’expérience de cet effet, sans même nous en rendre compte. Avez-vous déjà remarqué le bruit d’une sirène de voiture de police ? Lorsque la voiture fonce en notre direction, le son paraît aigu. Une fois que la voiture est passée, le son paraît plus grave. C’est précisément dû à l’effet Doppler ! Décryptage…

En 1842, un mathématicien et physicien Autrichien, Christian Doppler, publie Sur la lumière colorée des étoiles doubles et d’autres étoiles du ciel.

Christian Doppler, celui qui a découvert la théorie qui porte son nom.

Il faut dire que ses spécialités ne sont pas les seuls supports scientifiques sur lesquels il travaille. Christian Doppler aime en effet également les sciences de l’optique, l’astronomie, l’electricité…

Dans son oeuvre, il émet une théorie basée sur un décalage dans la fréquence lumineuse de certaines étoiles. Malheureusement, ses résultats sont trop approximatifs. Pire, ils sont incorrects. Mais Doppler ne se décourage pas, il publie 4 ans plus tard un correctif sur sa théorie, et tient compte de deux facteurs décisifs: la vitesse relative de la source de lumière, et surtout, celle de l’observateur…

En effet, la lumière est une onde. Une onde qui se propage à la vitesse incroyable de 300 000 kilomètres par seconde ! Cela signifie qu’en une seconde, la lumière peut parcourir entre 7 et 8 fois le tour de la Terre! Ce décalage dont fait part Doppler est donc logiquement invisible à l’oeil nu, mais il apparait dans les calculs du mathématicien.

Mais que précise donc concrètement la théorie de Doppler ?

Et bien, imaginez une simple ampoule, allumée et immobile. Elle émet de la lumière tout autour d’elle, de façon uniforme. Les ondes lumineuses se diffusent de façon égale, de la lumière vers l’extérieur, et ce, de la même façon, dans toutes les directions.

La croix représente notre source lumineuse, l’ampoule, immobile. Les cercles verts représentent les ondes lumineuses diffusées par la source de lumière. Ces ondes se diffusent uniformément.

A présent, déplacez cette ampoule. La lumière continuera d’éclairer tout autour d’elle, car les ondes lumineuses continueront de se diffuser dans toutes les directions. Cependant, ces ondes vont se trouver très légèrement plus rapprochées à mesure que vous déplacerez la source lumineuse (l’ampoule). Sur le trajet de cette source lumineuse, les ondes qu’elle diffuse seront plus proches. Derrière le chemin emprunté par la source lumineuse, ces ondes seront plus espacées. Cette observation est celle faite par Christian Doppler, et elle porte donc son nom, c’est l’effet Doppler !

Notre source lumineuse se déplace à présent. Les ondes qu’elle diffuse sont comprimées sur sa trajectoire, et plus éparses derrière elle. Voici visuellement l’effet Doppler !

La théorie de Doppler met non seulement en avant cette observation scientifique, mais elle établit également des formules mathématiques permettant de définir la « position » des ondes, à tout instant, selon (entre autre) la vitesse de déplacement de la source lumineuse (si elle va plus ou moins vite d’un point A à un point B), de son intensité (si elle émet plus ou moins de lumière), de son environnement (si elle se déplace dans le vide, dans l’eau, ou bien encore dans une atmosphère telle que la nôtre).

Doppler jette un pavé dans l’eau avec cette découverte, et ce n’est pas pour rien. En réalité, sa théorie ne s’applique pas à la lumière: elle s’applique à toutes les ondes !

Les ondes ?

Et bien, il s’avère que ce que nous voyons, ce que nous entendons, ainsi que nombre d’éléments qui intéragissent avec nous sont en réalité un ensemble d’ondes qui nous parviennent, et que notre cerveau interprète. Les ondes agissent un peu comme les vagues sur les océans: elles se répandent tout autour de leur point de diffusion (une ampoule, des enceintes, etc…). Elles se répandent plus ou moins bien selon leur intensité, et selon le milieu dans lequel elles se répandent.

Les ondes se répandent de la même façon que celles produites par cette goute d’eau. Elles vont de la source vers l’extérieur.

Prenons pour exemple le son. Une onde sonore nous parviendra de façon moins précise si nous sommes dans l’eau, plutôt que sur Terre. Nous distinguons par ailleurs mieux les sons aigus, que les sons graves. Pourquoi ?

Il y a deux facteurs à cela: notre oreille ne perçoit pas toutes les ondes sonores. Quand à celles qu’elle perçoit, il s’avère qu’elle ne les perçoit pas toutes de la même façon, pas aussi bien en somme.

Et des ondes, il y en a tellement qui vous traversent au moment même où vous lisez cet article… Nous savons à présent que les sons sont en réalité des ondes. Votre téléphone portable émet et reçoit des ondes, la radio que vous écoutez dans votre voiture reçoit des ondes, la lumière qui vous éblouit dehors vous bombarde littéralement avec des ondes, la télécommande de votre télévision lui envoie des ondes pour changer de chaine, l’allumer, l’éteindre, le WiFi sur lequel vous vous connectez est une onde, et que dire de votre four, un four à micro-onde !

La théorie de Doppler s’applique à toutes ces ondes qui vous entourent !

Il y a t-il un « ordre », un classement des ondes ?

Cet ordre existe. Il définit les ondes des plus « basses » aux plus élevées. Les toutes premières sont les ondes sonores, puis viennent les ondes lumineuses. L’unité de mesure des ondes est le Hertz (Hz).

Les ondes perçues par notre oeil ne sont qu’une infime partie de l’ensemble des ondes existantes. Nous appelons cet ensemble d’ondes lumineuses le spectre lumineux. L’echelle présentant l’ensemble des ondes existantes est appelé spectre electro-magnétique.

Le spectre électro-magnétique

L’effet Doppler dans notre quotidien

Puisque la théorie de Doppler s’applique à toutes les ondes, ses principes s’appliquent donc également aux ondes sonores. Vous avez tous par ailleurs déjà vécu une expérience mettant en avant l’effet Doppler.

N’avez vous jamais remarqué que le bruit de la sirène de police était plus aigu lorsque la voiture approchait, et plus grave une fois la voiture de police passée ?

Et bien cela est dû à l’effet Doppler !

A l’image des ondes lumineuses, les ondes sonores subissent le même effet Doppler. Elles sont compressées à l’avant du véhicule, et plus éparses à l’arrière.

Si vous remarquez distinctement la différence entre le son émis par la sirène avant le passage de la voiture, et après, c’est parce que le son se propage bien moins vite que la lumière. En effet, alors que la lumière se déplace à 300 000 km par seconde, le son, lui, se déplace à la vitesse (toutefois honorable) de 1 200 km par heure.

Ainsi, les variations sonores sont percevables à l’échelle humaine.

Deux dernières petites choses:

– Cette différence entre la vitesse de la lumière, et celle du son explique pourquoi vous voyez un éclair AVANT d’entendre le tonnerre. Pourtant, ces deux phénomènes se produisent en même temps.

– Lorsqu’un avion va plus vite que la vitesse du son, il se place en avant des ondes sonores qu’il émet: on dit qu’il dépasse le mur du son !

L’onde sonore n’entoure plus l’avion. Le nez de l’avion se trouve DEVANT les ondes sonores. Les ondes sont comprimées et diffusent un énorme bang, résultat de la déchirure du mur du son.

Sur le plan scientifique, l’effet Doppler permet de définir la position et le sens de déplacement des étoiles.En effet, comme nous l’avons vu, les ondes lumineuses sont également concernées si la source se déplace. Nous remarquons alors un changement de couleur de la lumière.

La lumière des étoiles s’éloignant de la Terre s’étire et se « décale » vers le rouge. Ainsi, les couleurs bleues et vertes deviennent rouges et jaunes.

La lumière des étoiles s’approchant de la Terre se « décale » vers le bleu. Ainsi, le rouge tend vers le bleu et le vert.

Grâce aux couleurs, à leur intensité, les astronomes, astro-physiciens peuvent calculer la vitesse de déplacement des étoiles, leur âge, leur taille, leur température…

Un fait plutôt amusant peut être extrait de ces comportement liés à l’effet Doppler: si, dans votre superbe voiture ultra rapide, vous approchiez un feu rouge à la vitesse de la lumière, le feu rouge vous apparaîtrait… vert !!!

Un conseil, n’essayez tout de même pas de reproduire cela avec votre voiture !

Sources:
– Scientifica (Editions « H.F.ullmann »)
– Effet Doppler (WikiPedia)
– Christian Doppler (WikiPedia)