ONDES DE CHOC (documentaire)

Ondes de choc, est un documentaire (0h49) qui s'intéresse aux effets et propriétés des ondes de choc rencontrés dans la nature et dans différentes situations, accompagné d'images spectaculaires prisent au ralenti.

 

Les ondes de choc, phénomène reconnu depuis plus d'un siècle mais toujours imparfaitement compris, sont responsables du tonnerre qui accompagne la foudre, de la détonation des armes à feu ou des feux d'artifice, ou encore du souffle des explosions chimiques ou nucléaires. Ce ne sont pas de simples bruits violents, même s'il s'agit aussi d'ondes de pression. Dans le cas d'une onde de choc dans l'air, il s'agit de la transition brutale des différentes grandeurs d'état de température, pression et masse volumique, on parle de discontinuité. Au travers d'une onde de choc, la pression augmente, on parle de choc de compression. L'exemple peut-être le plus célèbre est celui de l'onde de choc créée par les avions supersoniques qui, en dépassant la vitesse du son de 340 m/s dans l'air à 15°C sous pression standard, voit une modification brutale de la température et de la pression.
Tout mouvement imposé d'une manière quelconque à un gaz peut s'interpréter en considérant une succession de petites perturbations qui se propagent à la célérité du son. Si leur intensité est suffisante, elles impressionnent nos oreilles.

Un mobile crée des ondes de choc lorsque sa vitesse devient supérieure à la célérité du son. En 1808, Siméon Denis Poisson résout les équations d'Euler sur le principe fondamental de la dynamique en mécanique des fluides, et trouve une solution discontinue vérifiant les conservations de masse et de quantité de mouvement. En 1876, Ernst Mach propose de vérifier la solution de Poisson, dont la réalité n'était toujours pas tranchée, en photographiant l'onde de choc produite par une balle de fusil. Il établit également le paramètre pertinent dans l'étude du problème, le célèbre nombre de Mach, rapport de la vitesse du mobile et de la vitesse du son.
On a pris l'habitude de schématiser le fonctionnement de l'onde de choc à l'aide d'un cône de Mach. Le cône de Mach est une image simplifiée mais pertinente d'une onde de choc réelle. Tant qu'un mobile infiniment petit se déplace à une vitesse inférieure à la célérité du son, les perturbations qu'il crée s'éloignent de lui dans toutes les directions. Lorsqu'il dépasse Mach 1, celles-ci se rangent dans un cône ayant le mobile pour sommet. Ainsi s'introduit une discontinuité, que l'on peut qualifier d'onde de choc, entre l'intérieur du cône perturbé et l'extérieur.

Le phénomène d'onde de choc est universel dans la nature. Mis à part le choc produit dans l'air par le passage d'un avion supersonique, notre planète est elle-même environnée d'une onde de choc à l'interface du vent solaire et de la magnétosphère terrestre. De manière plus générale, les chocs sont très présents dans les milieux astrophysiques. Ainsi, la connexion entre le vent solaire et le milieu interstellaire local est marqué par le choc héliosphèrique que les sondes Voyager 1 et Pioneer 10 viennent de traverser. De l'explosion de supernova aux sursauts gamma, tout un éventail d'objets pourraient tirer une partie de l'émission qu'ils produisent du fait de la dissipation d'énergie cinétique par les ondes de chocs.
Lorsqu'une particule nucléaire assimilable à un point se déplace plus vite que la lumière dans un milieu transparent, il se produit un phénomène tout à fait analogue à un cône de Mach. Il s'agit de l'effet Cerenkov.

Un fouet est fait d’une corde ou d’une lanière de cuir dont l’une des extrémités est munie d’un mince filin. Lorsqu’un cocher agite son fouet, il donne de l’énergie cinétique à la lanière. Cette énergie se propage le long de la lanière jusqu’à l’autre extrémité du fouet. L’énergie cinétique se trouve alors concentrée dans l’extrémité et la vitesse de celle-ci peut alors dépasser la vitesse du son. On obtient ainsi une mini-onde de choc semblable à celle produite par un avion supersonique. Cette explication, proposée par l’Allemand Otto Lummer en 1905, sera finalement vérifiée avec l’aide de caméras ultra-rapides pouvant prendre plusieurs milliers d’images à la seconde. Les chercheurs observeront même que la vitesse de l’extrémité du fouet pouvait être deux fois supérieures à celle du son.

Les ondes de choc jouent un rôle important en physique moderne et en ingénierie, dans les opérations militaires, en traitement des matériaux et en médecine. Leur étude a fourni de nombreuses informations sur les propriétés des gaz et le comportement des matériaux à la suite d'un brusque apport d'énergie et a contribué au développement des lasers à gaz et à la science des plasmas.
Dans ce documentaire, les nouvelles techniques vidéo-numériques se mêlent à des méthodes d'imagerie optique pour révéler les ondes de choc telles qu'on ne les avait jamais vues.