Le problème du bang supersonique - Katerina Kaouri

Leçon complète: http://ed.ted.com/lessons/what-causes-sonic-booms-katerina-kaouri
Les objets volant plus vite que la vitesse du son (comme les avions les plus rapides) créent un onde de choc accompagnée d'un bruit de tonnerre: c'est le bang supersonique. Ce son de grande envergure peut causer,au sol, du stress chez les animaux et les hommes , voire même endommager les bâtiments. Katerina Kaouri détaille comment les scientifiques utilisent les mathématiques pour prédire le cheminement des bangs supersoniques dans l'atmosphère, ou ils vont impacter le sol, et quel sera leur volume sonore.

Leçon par Katerina Kaouri, animation par Anton Bogaty.

Les hommes ont toujours
été fascinés par la vitesse.

L'histoire du progrès humain
se confond avec celle d'une vitesse

en perpétuelle augmentation.

et l'une des réalisations les plus
importantes dans cette course en avant

fut le franchissement du mur du son.

Peu après les premiers vols
réussis en avion,

les pilotes étaient désireux de pousser
leurs engins de plus en plus vite.

Mais ce faisant, ils augmentaient
la turbulence,

et des forces importantes
exercées sur l'avion

qui les empêchaient d'accélérer davantage.

Certains ont essayé de contourner
ce problème par des piqués dangereux,

souvent avec des conséquences tragiques.

Enfin, en 1947,
des améliorations de conception,

comme le stabilisateur horizontal mobile,
l’empennage entièrement mobile,

ont permis à Chuck Yeager,
pilote de l'armée américaine,

de voler à bord du Bell X-1
à 1127 kilomètres-heure,

devenant la première personne
à franchir le mur du son

et à se déplacer plus vite
que la vitesse du son.

Le Bell X-1 était le premier d'une longue
série d'avions supersoniques à venir,

certains modèles
dépassant plus tard Mach 3.

Un avion volant à une vitesse supersonique
crée une onde de choc

accompagnée d'un bruit de tonnerre,
connu sous le nom de bang supersonique,

qui peut provoquer du stress
chez les gens et les animaux au sol,

ou même endommager les bâtiments.

C'est pourquoi

des scientifiques du monde entier
ont examiné les bangs supersoniques,

essayant de prédire leur cheminement
dans l'atmosphère,

où ils allaient atterrir,
et quels seraient leurs impacts sonores.

Pour mieux comprendre
comment les scientifiques les étudient

rappelons quelques bases sur le son.

Imaginez que vous jetez une pierre
dans une mare au repos.

Que voyez-vous ?

La pierre provoque des ondes
qui se propagent dans l'eau

à la même vitesse
et dans toutes les directions.

Ces cercles qui augmentent de diamètre
sont appelés fronts d'onde.

De même, bien que nous
ne puissions pas les voir,

une source sonore stationnaire,
comme une chaine hi-fi,

crée des ondes
qui se propagent vers l'extérieur.

La vitesse des ondes dépend de
plusieurs facteurs

comme l'altitude et la température
de l'air dans lequel elles se propagent.

Au niveau de la mer, le son se propage
à environ 1225 km/h.

Mais au lieu de cercles comme
dans le cas d'un espace bidimensionnel,

les fronts d'ondes sont désormais
des sphères concentriques,

le son se propageant le long de rayons
perpendiculaires à ces ondes.

Maintenant, imaginez une source sonore
en mouvement, comme un sifflet de train.

Tandis que cette source continue de se
déplacer dans une certaine direction,

les ondes successives qui la devancent

se rapprochent et se tassent
de plus en plus.

Cette augmentation de la fréquence
des ondes est la cause de l'effet Doppler

ou le son des objets sonores approchant
semble plus aigu .

Mais tant que la source sonore se déplace
plus lentement que les ondes-mêmes,

elles resteront emboitées
les unes dans les autres.

c'est quand l'objet est supersonique,

se déplaçant plus vite
que le bruit qu'il produit,

que le tableau change radicalement.

Comme il dépasse les ondes sonores
qu'il a émises,

tout en en générant de nouvelles
depuis sa position courante,

les sondes sont poussées
les unes contres les autres,

formant un cône de Mach.

Quand il approche un observateur,
aucun son ne se fait entendre

parce que l'objet se déplace plus
rapidement que le son qu'il produit.

C'est seulement après que l'objet a passé
que l'observateur entendra le bang.

L'intersection entre le cône de Mach
et le sol forme une hyperbole,

laissant une trace
comme un tapis rouge que l'on déroulerait

tandis qu'il avance .

Il est ainsi possible de déterminer
la zone touchée par un bang supersonique.

Et comment déterminer l'intensité
du bang supersonique ?

Cela implique la résolution des fameuses
équations de Navier-Stokes

pour déterminer la variation
de pression dans l'air

provoquée par le vol supersonique
qui le traverse.

Le résultat est une courbe de pression
caractéristique, en forme de N.

Que signifie cette forme ?

Eh bien, le bang se produit lors
d'un changement brusque de la pression

et la forme en N implique deux bangs :

un premier pour l'augmentation initiale
de la pression dans le nez de l'appareil

et un autre pour le passage de la queue

lorsque la pression retourne
soudainement à la normale.

Cela provoque un double bang,

mais cela est généralement perçu comme
un bang unique par l'oreille humaine.

Dans la pratique, les modèles numériques
qui utilisent ces principes

peuvent souvent prédire l'emplacement
et l'intensité des bangs supersoniques

pour des conditions atmosphériques
et les trajectoires de vol données,

et des recherches sont en cours
pour en atténuer les effets.

En attendant, le vol supersonique au
dessus de la terre ferme reste interdit.

Les bangs supersoniques
sont-ils une création récente ?

Pas vraiment.

Alors que nous cherchons des moyens
de les réduire au silence,

quelques autres animaux ont
utilisé ces bangs à leur avantage.

Le gigantesque Diplodocus a peut-être été
capable de claquer sa queue

plus vite que le son,
au delà de 1200 km/h,

peut-être pour écarter des prédateurs.

Certaines crevettes peuvent aussi créer
sous l'eau une onde de choc similaire,

étourdissant ou tuant parfois leur proie
à distance

par un simple claquement
de leur pince surdimensionnée.

Ainsi, les humains ont
fait de grands progrès

dans leur quête inlassable de la vitesse,

il se trouve que la nature
était là d'abord !