Tu l’as sûrement déjà remarqué : quand un véhicule d’urgence passe près de toi, sa sirène semble devenir de plus en plus grave à mesure qu’il s’éloigne. Tes oreilles te jouent des tours ? Pas du tout ! C’est ce qu’on appelle l’effet Doppler. Décrit par le physicien autrichien Christian Doppler en 1842, ce phénomène physique affecte les ondes mécaniques comme les sons, mais aussi les ondes électromagnétiques comme la lumière.
D’abord, qu’est-ce que le son ? Il s’agit d’une onde qui se propage jusqu’à nos oreilles en formant des ondulations invisibles dans l’air, un peu comme des vagues dans l’eau. Un son aigu produit des vagues très serrées les unes par rapport aux autres, c’est pourquoi on dit que leur fréquence est élevée. À l’inverse, les sons graves forment des vagues espacées : ce sont les fréquences basses. La fréquence d’une onde se mesure en hertz, soit le nombre d’oscillations qui se produisent en une seconde. En d’autres mots, c’est le nombre de fois que la vague atteint son point le plus haut et son creux le plus bas à l’intérieur d’une seconde.
Si tu ne bouges pas et que tu écoutes un son émis par un objet immobile, la note reste la même. Aussitôt que toi ou l’objet êtes en mouvement, la note que tu perçois fluctue, et ce, même si la note émise ne change pas. Comment est-ce possible ?
Imagine que tu sois sur le bord de la plage, les pieds dans les vagues. La mer jette sur la plage une vague toutes les 5 secondes. Si tu cours vers la mer, tes pieds frapperont une vague toutes les 4 secondes. Si tu cours en sens inverse, une vague t’atteindra toutes les 6 secondes. Si tu cours plus vite que les vagues, elles ne t’atteindront jamais. Pourtant, la mer produit des vagues à une fréquence constante. La fréquence perçue est plus élevée quand tu te rapproches de la source, et plus basse quand tu t’en éloignes.
Lorsque la source et l’observateur se dirigent l’un vers l’autre, chaque nouvelle vague est émise un peu plus proche de ce dernier. Elles prennent donc un peu moins de temps que les précédentes pour arriver à destination, même si elles voyagent toutes à la même vitesse. Plus le déplacement est rapide, plus les vagues se resserrent. Dans le cas où les objets s’éloignent l’un de l’autre, les vagues vont au contraire s’espacer.
Si on reprend l’exemple de la sirène d’ambulance, tu entendras la même note que le conducteur seulement au moment où le véhicule passera devant toi. Pendant qu’il se rapproche, la note est plus aigüe (fréquence plus élevée), et quand il s’éloigne, elle est plus grave (fréquence plus basse). Le conducteur entend quant à lui toujours la même note puisqu’il se déplace à la même vitesse que l’ambulance. Relativement au véhicule, il est immobile.
Ce principe de physique est très utile pour déterminer la vitesse des objets, que ce soit celle des astres en astronomie, celle de la circulation sanguine en médecine… ou celle des voitures pour donner des contraventions. C’est grâce à l’effet Doppler que les radars des policiers fonctionnent !
Et si on pousse la théorie à l’extrême ? Supposons qu’un musicien voyage dans ta direction à une vitesse d’environ 680.60 mètres par seconde, soit deux fois plus rapidement que la vitesse du son, tu n’entendrais rien… puis tu entendrais sa musique à l’envers une fois qu’il t’aurais dépassé. Vive la physique !