Physique du primaire et du collège · Grades 1–9

27Comment le son se propage

L’éclair — puis une, deux, trois secondes de silence — et seulement maintenant le grondement du tonnerre. Pourtant, l’éclair et le grondement sont nés ensemble dans le même nuage ! Le son, nous l’avons appris, est un tremblement qui voyage. Ce chapitre le suit sur la route : ce qu’il traverse, à quelle vitesse il court, et ce qui lui arrive lorsqu’il rencontre un mur.

27.1 Le son a besoin d’un porteur

Proposition 27.1 (Pas de porteur, pas de son)

Le son ne voyage qu’à travers la matière : à travers l’air, l’eau, le bois, la brique et l’acier. Là où il n’y a rien du tout — pas d’air, aucune matière d’aucune sorte — le son ne peut pas voyager : le tremblement n’a rien à faire trembler.

Exemple 27.2 (La sonnette sous la cloche)

Une expérience célèbre, vieille de trois siècles : une sonnette électrique retentit à l’intérieur d’une cloche de verre — on l’entend nettement. Une pompe aspire ensuite l’air de la cloche scellée pendant que le marteau de la sonnette continue visiblement de battre. La sonnerie faiblit… et meurt. Laisse l’air se précipiter de nouveau à l’intérieur : la sonnerie revient. La sonnette ne s’est jamais arrêtée — c’est son porteur qu’on a enlevé puis rendu. Et tu peux maintenant trancher une vieille question : la Lune silencieuse, où un cri meurt sans être entendu, est silencieuse parce qu’elle n’a pas d’air du tout.

La sonnette sous la cloche : enlève l’air, et c’est le son — non la sonnette — qui s’arrête.

Exemple 27.3 (De meilleurs porteurs que l’air)

Les solides et l’eau portent merveilleusement le son — souvent mieux que l’air. Colle ton oreille à plat sur la table et demande à un camarade d’en gratter très doucement l’autre bout : par l’air, tu n’entends rien ; par le bois, le grattement est fort et net. Les nageurs entendent d’un bout à l’autre du bassin les tintements sous l’eau ; les baleines se chantent des chansons à travers des mers entières. Et les murs épais transportent la perceuse du voisin dans toutes les pièces — les solides sont presque trop doués à ce jeu.

Méthode 27.4 (Le téléphone à ficelle)

Percer un petit trou au fond de deux gobelets en papier ;
y enfiler les extrémités d’une longue ficelle, en faisant un nœud à chacune pour qu’elle ne ressorte pas ;
s’éloigner l’un de l’autre jusqu’à ce que la ficelle soit bien tendue et ne touche rien sur le trajet ;
l’un parle doucement dans son gobelet ; l’autre colle le sien à son oreille.

Le murmure arrive net à travers toute la cour : ta voix fait trembler le gobelet, le tremblement court le long de la ficelle tendue, et le gobelet lointain le rejoue. Laisse la ficelle pendre mollement ou pince-la entre deux doigts, et le téléphone meurt — la route est coupée.

Le téléphone à ficelle, tendu comme il faut : une ficelle bien tendue porte le tremblement d’un gobelet à l’autre bien mieux que l’air entre deux chuchoteurs.

27.2 Le son met du temps

Proposition 27.5 (Rapide, mais pas instantané)

Le son est un coureur, pas un magicien : dans l’air, il parcourt environ $340\,\mathrm{m}$ par seconde — trois secondes pour à peu près un kilomètre. La lumière, elle, arrive si vite que, pour toute scène que tu peux observer, son trajet compte pour instantané. Cette différence est toute l’histoire de l’orage.

Méthode 27.6 (À quelle distance est l’orage ?)

Voir l’éclair — commencer à compter les secondes à un rythme régulier : un petit crocodile, deux petits crocodiles, … ;
s’arrêter au premier grondement du tonnerre ;
diviser ton compte par $3$ : c’est à peu près la distance de l’orage en kilomètres.

Six secondes : environ $2\,\mathrm{km}$ . Des comptes de plus en plus courts d’un éclair à l’autre signifient que l’orage se rapproche — il est temps de rentrer.

L’éclair maintenant, le tonnerre plus tard : la lumière arrive d’un coup, le son trottine à 340\, m par seconde. Les secondes de silence mesurent la distance. — L’éclair maintenant, le tonnerre plus tard : la lumière arrive d’un coup, le son trottine à $340\,\mathrm{m}$ par seconde. Les secondes de silence mesurent la distance.

Exemple 27.7 (Les échos)

Crie vers une grande falaise ou un bâtiment isolé, de l’autre côté d’un champ : « OHÉ ! » — un instant de silence — « Ohé ! » répond ta propre voix. Le son rebondit sur les grandes parois dures, et un son rebondi qui te revient assez tard pour être entendu à part est un écho. Plus la paroi est loin, plus l’aller-retour de ta voix est long, plus l’écho est tardif. Dans une petite pièce, le rebond revient trop vite pour être entendu à part — il se contente de rendre ta voix plus pleine.

Remarque 27.8 (Le sonar : l’écho mis au travail)

Les navires mesurent la profondeur de la mer en criant vers le bas — un clic envoyé dans l’eau — et en chronométrant l’écho du fond. Eau profonde, écho tardif ; eau peu profonde, écho rapide. Les dauphins et les chauves-souris sont nés en connaissant le truc : ils émettent des clics et écoutent, en lisant les échos pour chasser dans l’eau sombre et dans les grottes d’un noir total. En comptant les secondes du tonnerre, tu as déjà utilisé leur méthode : chronométrer le son, connaître la distance.

27.3 Exercices

Exercice 27.1 ★

Cite trois porteurs du son tirés de ce chapitre, et un endroit où le son ne peut pas voyager du tout.

Solution

Solution de Exercice 27.1.

Porteurs : l’air, l’eau, les solides (bois, brique, acier, une ficelle tendue). Aucun porteur : le vide — comme la Lune sans air, ou la cloche vidée à la pompe.

Exercice 27.2 ★

Dans l’expérience de la cloche, le marteau de la sonnette continue de battre pendant que la sonnerie meurt. Qu’a-t-on enlevé exactement, et que cela prouve-t-il ?

Solution

Solution de Exercice 27.2.

L’air — le porteur du son — a été aspiré. La sonnette qui tremblait n’avait plus rien à faire trembler, ce qui prouve que le son ne voyage qu’à travers la matière, jamais à travers le vide.

Exercice 27.3 ★

Pourquoi la Lune est-elle un monde silencieux ? Réponds avec la proposition du chapitre.

Solution

Solution de Exercice 27.3.

Pas de porteur, pas de son : la Lune n’a pas d’air, et le tremblement d’un cri n’a donc rien à traverser — il meurt sur les lèvres.

Exercice 27.4 ★

Dans le téléphone à ficelle, qu’est-ce qui porte le murmure ? Donne les deux règles pour que le téléphone continue de fonctionner.

Solution

Solution de Exercice 27.4.

C’est la ficelle tendue qui le porte : la voix fait trembler le gobelet, le gobelet fait trembler la ficelle, la ficelle le rejoue dans le gobelet lointain. Règles : garder la ficelle bien tendue, et ne la laisser toucher à rien (ni mou, ni doigts qui pincent).

Exercice 27.5 ★

Quelle distance le son parcourt-il à peu près dans l’air en une seconde ? En trois secondes ?

Solution

Solution de Exercice 27.5.

Environ $340\,\mathrm{m}$ en une seconde — à peu près un kilomètre en trois.

Exercice 27.6 ★

Tu comptes neuf secondes entre l’éclair et le tonnerre. À quelle distance est l’orage ? Ton camarade ne compte que trois secondes à l’éclair suivant — qu’est-ce qui a changé, et que devriez-vous faire tous les deux ?

Solution

Solution de Exercice 27.6.

$9 \div 3 = 3$ : à environ $3\,\mathrm{km}$ . Trois secondes ensuite signifient environ $1\,\mathrm{km}$ : l’orage s’est bien rapproché — rentrez.

Exercice 27.7 ★

Pourquoi coller une oreille sur la table permet-il d’entendre un grattement que l’air, lui, n’a jamais livré ?

Solution

Solution de Exercice 27.7.

Le bois est un bien meilleur porteur que l’air : le grattement léger est trop faible pour que l’air le livre d’un bout à l’autre de la table, mais le plateau solide porte le tremblement, fort et net, jusque dans ton oreille.

Exercice 27.8 ★

Qu’est-ce qu’un écho ? Pourquoi une falaise plus grande et plus lointaine répond-elle plus tard qu’une falaise proche ?

Solution

Solution de Exercice 27.8.

Un écho est ton propre son rebondi sur une grande paroi dure et revenu assez tard pour être entendu à part. Une falaise plus lointaine signifie un aller-retour plus long pour le son : la réponse arrive donc plus tard.

Exercice 27.9 ★

Comment le sonar d’un navire distingue-t-il l’eau profonde de l’eau peu profonde ? Quels deux animaux jouent au même jeu, et où ?

Solution

Solution de Exercice 27.9.

Le navire émet un clic vers le bas et chronomètre l’écho du fond : écho rapide, eau peu profonde ; écho tardif, eau profonde. Les dauphins le font dans l’eau sombre, les chauves-souris dans les grottes d’un noir total.

Exercice 27.10 ★★

Les vieux westerns montrent des éclaireurs qui collent l’oreille au rail d’acier pour capter un train encore lointain. Pourquoi le rail trahit-il le train bien avant l’air ? Donne les deux avantages que le rail offre au son. (Le premier concerne la qualité du transport ; pour le second, souviens-toi que le rail va tout droit jusqu’au train alors que le son, dans l’air, s’étale dans toutes les directions comme les ronds d’un étang, en s’affaiblissant en chemin.)

Solution

Solution de Exercice 27.10.

D’abord, l’acier porte le son bien mieux que l’air : le grondement survit donc au long trajet. Ensuite, le rail guide le son tout droit, sur une route unique, jusqu’à l’oreille de l’éclaireur, alors qu’en plein air le bruit du train s’étale dans toutes les directions comme les ronds d’un étang et s’affaiblit à chaque mètre — le message du rail arrive donc à la fois plus fort et plus net, bien avant celui de l’air.

Exercice 27.11 ★★

Debout dans une grande cour vide, tu tapes une fois dans tes mains et tu entends le claquement de ton propre applaudissement revenir du mur d’en face après une seconde pleine. Le son a couru jusqu’au mur et en est revenu pendant cette seconde. À quelle distance est le mur — attention, pense à l’aller-retour !

Solution

Solution de Exercice 27.11.

En une seconde, le son parcourt environ $340\,\mathrm{m}$ — mais cette seconde a payé l’aller et le retour. Le mur se trouve à la moitié : à environ $170\,\mathrm{m}$ .