Tu l’as sans aucun doute remarqué, il sa passe un truc bizarre quand une ambulance passe, sirène hurlante, à côté de toi ! C’est comme si le son de la sirène changeait au moment où l’ambulance passe à ta hauteur. Quel est ce mystère ? C’est ce que je te propose de découvrir aujourd’hui !

Histoire de la découverte de l’effet Doppler

Ce changement de son a un petit nom : c’est l’effet Doppler. Ce nom lui vient d’un physicien appelé Christian Doppler. Il a prédit ce phénomène dès 1842. Pourquoi prédit ? Tout simplement parce qu’à cette époque, les ambulances qui passaient avec une sirène en route, n’étaient pas très courantes ! Donc le gars a étudié le son et il s’est dit « un jour, lorsqu’il y aura des ambulances avec des sirènes, le son changera…et ce sera l’effet Doppler ».

En vrai, les savants n’ont pas attendu l’arrivée des ambulances et leurs sirènes pour vérifier ce phénomène. En 1845, Christoph Buys Ballot, météorologue, invite des musiciens à monter à bord d’un train pour y jouer une note bien précise. Christoph se poste sur la trajectoire du train (enfin, juste à côté, histoire de ne pas se faire écraser !) et il constate que le son de la note semble changer lorsque le train se rapproche ou s’éloigne.

Trois ans plus tard, c’est un monsieur du nom d’Hippolyte Fizeau qui prédit que le même phénomène devrait être observable avec de la lumière. Cette fois-ci, il faut attendre 1868 pour que William Huggins observe réellement cet effet Doppler : une lumière semble changer de couleur lorsqu’elle s’approche ou s’éloigne. D’ailleurs, quand il s’agit de lumière, on ne parle plus d’effet Doppler mais d’effet Doppler-Fizeau.

Qu’est-ce que l’effet Doppler ?

Bon, maintenant que tu sais que messieurs Doppler et Fizeau ont prédit ce phénomène, nous allons nous intéresser à l’explication de celui-ci.

Tout est une question d’onde !

Petit tour à la mer

Imagine-toi sur la plage, tranquillement assis au bord d’une belle mer. Le soleil brille et les vagues arrivent tranquillement jusqu’au sable. Disons, une belle vague toute les minutes.

Maintenant, tu peux te lever pour entrer dans l’eau. Tu vas à la rencontre des vagues. Les vagues continuent à avancer vers le sable et toi, tu cours à leur rencontre. Et comme tu cours vite, ce n’est plus une vague toutes les minutes que tu croises, mais une vague toutes les 30 secondes !

Pour finir, tu vas faire demi-tour et tu vas courir vers la plage. Tu vas fuir dans la même direction que les vagues qui vont alors mettre plus de temps à t’atteindre. Tu verras donc une vague toutes les 1minute 30.

Pour résumer, lorsque tu es immobile tu vois des vagues toutes les minutes, si tu avances dans la mer, tu les vois toutes les 30 secondes et si tu t’en éloignes, tu les vois toutes les 1 minute 30. Mais la mer, elle, créée toujours une vague par minute.

Qu’est-ce qu’une onde ?

Les vagues sont des ondes, c’est-à-dire une modification ponctuelle de l’environnement. Le niveau de la mer monte puis descend. C’est une modification et ça ne dure pas longtemps.

Une onde est caractérisée par :

• une fréquence, c’est-à-dire le nombre de vagues qui passent pendant une minute (ou une seconde). L’unité de mesure de la fréquence est le hertz (abrégé Hz).
• Une longueur d’onde, c’est-à-dire la distance qu’il y a entre deux vagues. Elle se mesure en mètre ou centimètre ou nanomètre….

Il existe plusieurs types d’ondes :

• celles que l’on trouve dans l’eau (grâce auxquelles nous avons de belles vagues dans la mer).
• celles que l’on trouve dans l’air. En effet, tout comme l’eau, l’air peut contenir des petites vaguelettes. Elles sont invisibles à l’œil nu mais on peut les entendre. C’est grâce à toutes ces ondes dans l’air que nous entendons tout ce qui nous entoure. Selon la fréquence de ces ondes, on entend des sons aigues ou graves.
• celles que l’on trouve dans les champs magnétiques et électriques qui se baladent autour de la Terre. Nous ne pouvons pas entendre ces ondes, mais c’est grâce à elles que nous voyons. Selon la fréquence de ces ondes, on voit différentes couleurs.

La fréquence des ondes et effet Doppler

Rappelle-toi l’histoire des vagues : elles semblent venir plus rapidement quand le baigneur va à leur rencontre. La fréquence augmente. Au contraire, celle-ci diminue lorsque le baigneur court dans la même direction que les vagues.

Dans ce cas, le baigneur s’appelle le récepteur. C’est lui qui reçoit l’onde.

L’horizon de la mer, là où se forment les vagues, s’appelle l’émetteur.

Dans cet exemple, c’est le récepteur qui bouge et l’émetteur est immobile. Mais on peut tout à fait imaginer l’inverse : l’émetteur peut bouger (une ambulance qui s’approche de toi) tandis que le récepteur est immobile (toi, en train de regarder l’ambulance depuis le trottoir). Le résultat serait exactement le même : la fréquence de l’onde perçue serait différente de ce qu’elle est réellement.

C’est parce que l’un de ces deux éléments (ou les deux) est en mouvement que la fréquence perçue est différente de la fréquence émise. Et si la fréquence semble différente, alors on entend un son différent ou on voit une lumière différente.

Lorsque l’émetteur et le récepteur sont immobiles, la perception des ondes reste identique.

L’effet Doppler est en fait la différence entre la fréquence de l’onde qui est émise (la sirène de l’ambulance qui s’approche ou s’éloigne) et la fréquence de l’onde perçue par l’observateur (le piéton sur le trottoir).

Lorsque l’on se rapproche de la source de l’onde (ou que celle-ci se rapproche de nous), la fréquence de l’onde semble plus importante : le son devient plus aigu, la lumière devient plus bleue.

Au contraire, lorsque l’on s’éloigne de la source de l’onde, sa fréquence nous semble plus faible : le son est plus grave, la lumière plus rouge.

Et ce décalage entre ce qui est perçu et la réalité dépend de la vitesse : plus tu cours vite à la rencontre des vagues et plus tu vas rencontrer des vagues souvent (donc la fréquence sera plus élevée). Au contraire, plus tu cours vite pour échapper aux vagues et plus la fréquence va diminuer…jusqu’à ne plus rencontrer de vague du tout

Petite remarque : l’effet Doppler est bien une question de perception. La fréquence de l’onde émise n’est pas modifiée. Si un jour tu montes dans une ambulance et que celle-ci met en route la sirène, tu ne pourras pas constater l’effet Doppler puisque tu seras au même endroit que l’émetteur. Tu n’auras donc aucun changement de fréquence qui te donnera cette impression de changement de son.

Ambulance et effet Doppler

Comme on vient de le voir, cet effet Doppler s’applique aussi bien aux sons qu’à la lumière. Et lorsqu’une ambulance passe à toute vitesse à côté de nous, il y a la sirène et le gyrophare qui fonctionnent. Pourtant, lorsqu’elle s’éloigne de nous, le son émis par la sirène semble changer mais la couleur des gyrophares, elle, reste identique. Pourquoi ?

Pour deux raisons principales.

La première c’est que la lumière va bien plus vite que le son (environ 300 000km/s contre environ 343m/s). Ce qui veut dire que la modification de la fréquence due à l’effet Doppler est bien trop petite pour qu’elle ait un impact.

La deuxième c’est que nos yeux sont moins sensibles que nos oreilles. Une modification de fréquence sera plus facilement détectée par nos oreilles que par nos yeux.

C’est pour cela que la sirène de l’ambulance est modifiée lors de son passage et non pas la lumière des gyrophares.

Pour la petite histoire, si la sélection naturelle a choisi de favoriser l’oreille à l’œil c’est que nos ancêtres les hommes préhistoriques avaient intérêt à être très sensibles au bruit pour entendre une bête féroce en approche. En général, on entend la grosse bête avant de la voir et donc il fallait se préparer à la riposte (ou à la fuite). Ainsi, au fil de l’évolution, nos oreilles se sont affinées et nous sommes capables d’entendre une petite modification de son alors qu’une petite modification de lumière reste bien souvent inaperçue.

Quelles sont les applications de l’effet Doppler ?

L’effet Doppler n’est pas seulement un truc rigolo qui se passe lorsqu’une ambulance passe à côté de nous !

Comme je le disais juste avant, la modification de la fréquence perçue dépend de la vitesse de déplacement de l’observateur et/ou de l’émetteur. A l’inverse, si on arrive à mesurer la modification de fréquence, alors on peut calculer la vitesse de déplacement.

Ce calcul de vitesse a différentes applications :

• les examens médicaux : pour mesurer la vitesse du sang. Cette donnée est intéressante dans le domaine de la cardiologie (savoir si le cœur fonctionne bien), ou de l’obstétrique (pour savoir si le bébé dans le ventre de sa mère va bien)
• par la police et la gendarmerie : pour mesurer la vitesse d’un véhicule.
• En astronomie : pour mesurer la vitesse de déplacement des étoiles, des nuages de gaz ou autres objets célestes.
• En industrie : pour mesurer la vitesse d’un liquide (dans une canalisation par exemple)

Voilà! Tu sais maintenant tout du fameux effet Doppler et la prochaine fois qu’une ambulance passera à tes côtés, sirène hurlante, tu pourras te faire remarquer en disant : « chers amis, avez-vous constaté le bel exemple d’effet Doppler qui vient de passer? »