Éclair, tonnerre et étoiles lointaines : les signaux sonores et lumineux

Un soir d'orage, un éclair illumine le ciel. Tu comptes : un, deux, trois, quatre, cinq, six… et le tonnerre gronde enfin. Pourtant, l'éclair et le tonnerre sont nés au même instant ! Avec ces quelques secondes d'écart, tu peux savoir à quelle distance est tombée la foudre. Le secret : le son et la lumière ne voyagent pas du tout à la même vitesse.

1. Le son : une vibration qui a besoin de matière

Un son naît d'un objet qui vibre : une corde de guitare, la membrane d'un haut-parleur, tes cordes vocales. Cette vibration se transmet de proche en proche aux particules du milieu : le son a donc besoin de matière pour se propager (air, eau, solides). Dans le vide, il ne passe pas : si l'on pompe l'air d'une cloche en verre contenant un réveil qui sonne, on le voit vibrer mais on ne l'entend plus.

Sa vitesse dépend du milieu : environ 340 m/s dans l'air, environ 1 500 m/s dans l'eau, plusieurs milliers de m/s dans l'acier.

Un son est caractérisé par sa fréquence f : le nombre de vibrations par seconde, en hertz (Hz). Si une vibration complète dure T secondes (la période), alors :

f = 1T

Plus la fréquence est grande, plus le son est aigu ; plus elle est petite, plus il est grave. La note la du diapason vibre à 440 Hz. L'oreille humaine perçoit les sons d'environ 20 Hz à 20 000 Hz. En dessous : les infrasons (utilisés par les éléphants pour communiquer) ; au-dessus : les ultrasons (chauves-souris, dauphins, échographie). Le niveau sonore se mesure en décibels (dB) : au-delà d'environ 85 dB, une écoute prolongée abîme l'oreille.

Exemple travaillé 1 : l'orage. Le tonnerre arrive 6 s après l'éclair. La lumière arrive presque instantanément, donc c'est le son qui a mis 6 s. d = v × t = 340 × 6 = 2 040 m, soit environ 2 km. Règle pratique : 3 secondes par kilomètre.

2. La lumière : la championne de vitesse

La lumière, elle, se propage même dans le vide : c'est ainsi que celle du Soleil traverse l'espace. Sa vitesse dans le vide (et presque la même dans l'air) vaut environ 300 000 km/s, soit 3 × 10⁸ m/s. La lumière visible a aussi une fréquence, énorme : de l'ordre de 400 000 milliards de Hz pour le rouge à 750 000 milliards pour le violet.

Exemple travaillé 2 : la lumière du Soleil. La Terre est à environ 150 millions de km du Soleil. t = d ÷ v = 150 000 000 ÷ 300 000 = 500 s, soit 8 min 20 s. Quand tu regardes le Soleil (jamais directement !), tu le vois tel qu'il était il y a plus de 8 minutes.

Pour les étoiles, le kilomètre est une unité ridiculement petite. Les astronomes utilisent l'année-lumière (al) : la distance parcourue par la lumière dans le vide en une année. 1 al = 300 000 km/s × 365,25 × 24 × 3 600 s ≈ 9,5 × 10¹² km, soit environ 9 500 milliards de km. Attention : malgré son nom, l'année-lumière est une distance, pas une durée !

L'étoile la plus proche du Soleil, Proxima du Centaure, est à environ 4,2 al : sa lumière voyage plus de quatre ans pour nous parvenir. La galaxie d'Andromède est à environ 2,5 millions d'al : regarder loin, c'est regarder dans le passé.

3. Signal analogique ou numérique

Le son et la lumière servent à transporter des informations : ce sont des signaux.

• Un signal analogique varie de façon continue et peut prendre toutes les valeurs : la tension produite par un micro suit fidèlement les vibrations de la voix ; le sillon d'un disque vinyle en est une copie gravée.
• Un signal numérique est une suite de nombres codés en 0 et en 1 (les bits). Pour l'obtenir, on mesure le signal analogique à intervalles réguliers (l'échantillonnage) et on code chaque mesure.

Exemple travaillé 3. Un CD audio mesure le son 44 100 fois par seconde pour chaque voie. Un fichier MP3, un message envoyé par fibre optique (des éclairs de lumière très brefs) ou par Wi-Fi sont numériques. Avantage : une copie numérique est identique à l'original et résiste mieux aux parasites.

À retenir

• Le son est une vibration qui a besoin d'un milieu matériel ; il ne se propage pas dans le vide. Dans l'air : environ 340 m/s.
• Fréquence f = 1T, en hertz ; audible de 20 Hz à 20 000 Hz ; aigu = fréquence élevée.
• La lumière se propage aussi dans le vide, à environ 300 000 km/s.
• L'année-lumière est une distance : environ 9 500 milliards de km.
• Signal analogique : variation continue ; signal numérique : suite de 0 et de 1 obtenue par échantillonnage.

★ Pour aller plus loin

En 1676, l'astronome danois Ole Rømer remarque que les éclipses d'Io, une lune de Jupiter, prennent de l'avance ou du retard selon la position de la Terre : il en déduit que la lumière ne se propage pas instantanément. C'est la première estimation de sa vitesse.

En 1947, Chuck Yeager devient officiellement le premier pilote à dépasser la vitesse du son en avion : l'appareil produit alors un « bang » supersonique. La sonde Voyager 1, lancée en 1977, est aujourd'hui si loin que ses signaux radio, qui voyagent à la vitesse de la lumière, mettent près d'une journée à nous parvenir.

Sources pour creuser

• Georges et les secrets de l'univers, Lucy et Stephen Hawking (Pocket Jeunesse).
• Patience dans l'azur, Hubert Reeves (Seuil).
• Chaîne YouTube Les Bons Profs : cherche « signaux sonores 3e » et « année-lumière ».
• Chaîne YouTube C'est pas sorcier : cherche « son ».
• lumni.fr : cherche « son et lumière » en Physique-Chimie.