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La vitesse du son : pourquoi est-elle si différente dans l’air et dans l’eau ?
La vitesse du son est la distance parcourue par une onde sonore par unité de temps dans un milieu élastique. En termes simples, la vitesse du son est la vitesse à laquelle les vibrations se propagent. Dans l'air à 20°C (68°F), la vitesse du son est d'environ 343 mètres par seconde, tandis que dans l'eau, elle est de 1 481 mètres par seconde, soit près de 4,3 fois plus rapide. La différence entre les deux amène à se demander : pourquoi le son voyage-t-il à des vitesses si différentes dans différents milieux ?
Dans les gaz, le son existe principalement sous forme d'ondes de compression, tandis que dans les solides, il existe deux types d'ondes : les ondes de compression et les ondes de cisaillement.
Tout d’abord, la vitesse du son dépend des propriétés du milieu qu’il traverse, notamment sa densité, son module d’élasticité et sa température. Dans l’air, la vitesse du son est considérablement affectée par la température. D’une manière générale, la vitesse du son augmente à mesure que la température augmente. Cela est dû au fait que lorsque la température du gaz augmente, l’activité moléculaire augmente, ce qui entraîne une augmentation de la vitesse de transmission des vibrations ; tandis que dans l’eau, la vitesse du son est principalement affectée par la densité et le module d’élasticité de l’eau. L’eau est environ 800 fois plus dense que l’air, ce qui permet au son de la traverser plus rapidement.
Le son se propage plus rapidement dans les solides car les molécules sont plus densément regroupées, offrant un moyen plus efficace de transmettre les vibrations.
Le son se propage plus rapidement à travers différents matériaux solides, à l’exception de l’eau et de l’air. Par exemple, dans l’acier, la vitesse du son atteint 5 000 mètres par seconde, tandis que dans le diamant, elle atteint 12 000 mètres par seconde. C’est parce que la structure des solides permet aux ondes sonores d’être transmises de manière plus efficace. Dans les solides, le son existe sous forme d’ondes de compression et d’ondes de cisaillement, et l’existence d’ondes de cisaillement améliore encore la capacité de propagation du son.
Dans l'atmosphère terrestre, la vitesse du son peut varier de 295 à 355 mètres par seconde, selon l'altitude et la température.
En fait, la vitesse du son n’est pas seulement une mesure des propriétés de la matière, mais aussi un phénomène auquel nous sommes souvent confrontés dans la vie. Dans des domaines tels que l’aviation et la navigation, la vitesse du son est cruciale pour la conception des avions et des navires. Lorsque la vitesse d’un objet dépasse la vitesse du son, on parle de supersonique. Ce phénomène a été largement étudié dans de nombreuses applications militaires et scientifiques. Dans l’histoire de l’exploration de ce phénomène, l’étude du son par des scientifiques du XVIIe siècle comme Newton et Laplace a jeté les bases de notre compréhension actuelle. Par exemple, Newton a calculé pour la première fois la vitesse du son dans l'air dans ses « Principes mathématiques de la philosophie naturelle ». Bien que ses résultats de calcul comportent certaines erreurs, celles-ci ont été corrigées par la suite par des scientifiques.
La transmission du son peut être expliquée par un modèle : supposons qu'il existe une série de sphères reliées entre elles par des ressorts, et que les ondes sonores sont transmises en comprimant et en dilatant les ressorts.
Lorsque nous explorons ces phénomènes, nous devons également prendre en compte d’autres facteurs, tels que l’homogénéité du milieu et les variations de température. La propagation du son dans un environnement spécifique peut être affectée par de nombreux facteurs. Par exemple, l'air humide augmente la vitesse du son car la densité des molécules d'eau est inférieure à celle de l'oxygène et de l'azote, ce qui rend la propagation du son plus efficace. La vitesse du son est étroitement liée aux propriétés des ondes. Nous pouvons observer que dans différents matériaux, les ondes de compression et les ondes de cisaillement peuvent arriver à l'observateur à des vitesses différentes même lorsqu'elles sont mesurées à la même fréquence. Par exemple, lors d’un tremblement de terre, les ondes de compression ont tendance à arriver en premier, suivies des ondes de cisaillement. Lorsque nous étudions plus en détail la propagation du son, peut-être que derrière ces concepts et phénomènes, un monde physique plus profond s’ouvre à nous. Dans les solides densément structurés, la propagation des ondes sonores peut représenter une force plus cachée ; et dans les liquides ou les gaz, l’existence du son nous fait-elle réfléchir à la complexité de la propagation ? En résumé, la différence de vitesse du son dans différents médias montre la merveille et la complexité de la nature. Avez-vous déjà réfléchi à la signification physique de ces phénomènes ?
