Pourquoi les voitures font-elles "miaaaaaoooowwww..." quand elles passent devant moi?

     Il y a des jours où j'ai du mal à trouver un titre intelligent... Mais ne me dites pas que vous ne comprenez pas ce que je veux dire. Traduction "scientifique": Quand la voiture s'approche de nous, son bruit semble plus aigu que lorsqu'elle s'éloigne. C'est particulièrement évident si vous suivez une course de formules 1. Ecoutez moi ça... Ou encore avec un klaxon...

    Ce phénomène porte un nom (c'est déjà rassurant quelque part): l'effet Doppler (mathématicien Autrichien, 1803-1853, etc...).

    Il se manifeste si la source du son et l'observateur sont en mouvement relatif par rapport à l'air. Pour comprendre ce dont il s'agit, il faut se souvenir qu'un son est une vibration de l'air, qui se propage à la manière des vagues concentriques s'éloignant du point de chute d'un galet dans l'eau. Plus précisément, c'est une succession de hautes et de basses pressions qui rayonnent à partir de la source. Au passage, en arrivant sur le tympan de notre oreille (il faut l'imaginer comme une minuscule peau de tambour), ces variations de pression le font vibrer, nous entendons alors un son. Plus ces variations de pression se succèdent à un rythme rapide (plus leur fréquence est élevée) et plus on perçoit un son aigu. Ainsi, une oreille de petit enfant, encore pas trop décrépie par les agressions sonores diverses,  peut percevoir des sons allant de 20 à 20000 Hz (20 à 20000 oscillations par seconde).

    Deux petits dessins pour tout comprendre: En vert, les ondes sonores du moteur de la voiture.

En haut, la voiture est immobile par rapport à l'air. Les ondes sont parfaitement concentriques. Que vous soyez à gauche ou à droite de la voiture, vous percevez la même fréquence. En bas, la voiture roule rapidement vers la droite. Les ondes ne sont plus centrées sur le même point, car la source se déplace progressivement vers la droite.
Par exemple, l'onde verte a été émise alors que la voiture était au point vert, et la rouge, un peu plus tard, quand elle était au point rouge...

        C'était donc ce qui se passe du côté de l'émission. Du côté du récepteur, maintenant, de votre oreille en fait, que se passe-t-il? Toujours d'après le dessin, si nous sommes à droite de la voiture (la voiture s'approche de nous), nous recevrons des ondes plus resserrée, se succédant plus rapidement, cela donne un son plus aigu. Vous avez deviné que si la voiture s'éloigne, vous entendez le son devenu plus grave, car vous êtes maintenant à sa gauche. Si la voiture passe devant vous, vous aurez la succession de ces deux sensations, le célèbre  miaulement des voitures de course...

        Et si la voiture atteint, ou dépasse la vitesse du son? En faisant abstraction de l'amende pour fort excès de vitesse, vous serez aux premières loges pour observer un passage du "mur du son".

        Ah tiens, je me souviens que la lumière aussi est une onde! Elle peut alors aussi subir un effet Doppler... Qui s'interprète différemment puisqu'il n'y a pas besoin de milieu de propagation cette fois, mais qui donne des comportement très comparables. Ainsi, si vous approchez très vite (vraiment très vite alors...) d'un feu rouge, la lumière qu'il émet vous paraîtra décalée vers les courtes longueurs d'onde, vers le... vert? Je vous déconseille de plaider l'effet Doppler au tribunal, afin d'expliquer que le feu rouge vous a paru vert. Si le juge a de l'humour, vous échapperez à l'amende due au franchissement du feu, mais l'excès de vitesse sera caractérisé: il faut aller à des vitesses proches de celle de la lumière pour que cela devienne sensible... Ceci dit, c'est un excellent moyen de mesurer la vitesse d'étoiles ou de galaxies par rapport à nous. C'est d'ailleurs ce genre d'observation qui a conduit à la constatation que l'Univers était en expansion, puisque toutes les galaxies lointaines ont leur spectre décalé vers les grandes longueurs d'ondes (décalage vers le "rouge") qui indique qu'elles s'éloignent de nous, et ce d'autant plus vite qu'elles sont loin...

En astronomie, le spectre d'une étoile est dit "décalé" vers les grandes longueurs d'ondes si cette étoile s'éloigne de nous, à cause de l'effet Doppler. Je m'attarde un instant sur un schéma régulièrement trouvé sur le net ou dans des manuels de physique, qui est techniquement faux:

Ce schéma veut indiquer qu'une source de plus en plus lointaine (spectres du haut) a son spectre de plus en plus décalé vers le rouge. Ce qui est vrai.

Mais ce qui est mal représenté, c'est que ce décalage est proportionel à la longueur d'onde de la raie. Ainsi, les raies situées dans le rouge doivent être plus fortement décalées que celles situées dans le bleu: il ne s'agit pas d'une simple translation des raies sur le fond continu. Il faudrait plutôt représenter ceci:

Ici, le écalage de la raie B est bien plus important que celui de la raie A, de plus courte longueur d'onde...

        Ecouter passer les voitures, regarder s'éloigner les étoiles, deviner l'expansion de l'Univers: merci Monsieur Doppler...

Et si en plus vous voulez expérimenter sur l'effet Doppler, avec des ondes sonores, voici de quoi vous amuser...