Tout savoir sur l’effet Droppler

Pour ceux qui ne le savent pas, l’effet Doppler est baptisé ainsi pour avoir été l’invention du physicien et mathématicien autrichien Christian DOPPLER qui a établi le principe physique sur les ondes sonores en 1842. C’est une découverte majeure qui va révolutionner l’univers des sciences physiques.

Désormais, l’interprétation des ondulations électromagnétiques et mécaniques qui avait toujours été source de mystère est rendue possible. L’étude physique s’ouvre une nouvelle dimension, puisque d’autres recherches approfondies vont être menées. Alors, qu’est-ce que l’effet Doppler ? Comment s’applique-t-il ? Quelles sont ses utilités selon le domaine ?

Nul besoin d’une encyclopédie de physique pour comprendre tout cela. Nous vous expliquons dans cet article, dans le plus simple des langages, tout ce qu’il y a à savoir sur le sujet.

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Effet Doppler : qu’est-ce que c’est ?

En physique, l’effet Doppler n’est rien d’autre que la variation temporelle et circonstancielle de la fréquence d’une onde émise par une source sonore en mouvement, par rapport à une personne qui l’observe. On parle de variation temporelle, parce que l’émetteur de l’onde est en mouvement, variant ainsi de temps d’une seconde à une autre. Elle est circonstancielle parce que l’amplification de la fréquence de l’onde dépendra du cadre d’émission.

L’effet Doppler est donc le changement de la fréquence d’une onde, lorsque la source sonore qui l’émet et celle qui la reçoit se déplacent relativement. Autrement dit, le changement de la fréquence met en jeu la période et la longueur de l’onde, ainsi que la vitesse à laquelle les deux sources se déplacent.

Plus l’émetteur de l’onde se rapproche du récepteur, plus la fréquence semble plus grande (l’onde est affaissée). Plus la source d’émission s’éloigne de l’observateur, plus la fréquence devient faible (l’onde est élargie, évasive).

Par exemple, c’est pour la même raison, que la sirène d’une voiture de police devient aiguë quand elle se rapproche de vous, et plus grave et ballonnée, dès qu’elle s’éloigne.

Calcule de la fréquence d’une onde selon l’effet Doppler

Le calcule de la fréquence d’une onde selon l’effet Droppler paraît bien complexe si on n’est pas un féru de calcul scientifique. Pour faire court, le calcul se fait à l’aide d’une formule physique propre à l’effet Droppler.

Soit f la fréquence d’une onde émise par une source sonore en déplacement de vitesse (Vs), qui se répand à une célérité (c), vers un récepteur qui est aussi en déplacement de vitesse (Vr). La formule de calcul donne : eD= f(C ±Vr/ C ±Vs).

Mais lorsque la source émettrice se rapproche du récepteur sur une période T, on détermine la distance d à partir de la vitesse Vs de la source en déplacement. On aura alors : D=Vs × T.

L’effet Doppler-Fizeau

D’aucuns entendront plutôt parler d’effet Doppler-Fizeau et se demanderont s’il y a une différence. Pas de panique, nous parlons toujours de la même chose, mais avec quelques avancées.

En effet, le complément « Fizeau » provient des travaux de recherche approfondis effectués par le physicien Hyppolite Fizeau en 1848 sur l’effet Doppler. Celui-ci est parvenu à étendre la portée du phénomène aux ondes lumineuses, qui rend aujourd’hui très prisée l’utilisation de l’effet Doppler en cosmologie. Cela s’illustre par le cas des ambulances ou les raies de spectre d’un instrument lumineux comme une étoile, qui rend possible l’évaluation de la distance entre la terre et les étoiles. De nombreux secteurs font appel au phénomène.

Les mérites de l’effet Doppler

Le recours à l’effet Doppler s’observe dans divers domaines, et de diverses manières.

• En médecine

En médecine, on utilise l’effet Doppler pour mesurer la vitesse de la circulation sanguine dans les vaisseaux. On parlera de la technique de vélocimétrie Doppler-Fizeau. Cela s’opère grâce aux faisceaux ultrasonores, qui permettent de dégager les obstacles à la circulation normale du sang.

Le même procédé est utilisé en industrie pour connaître la vitesse d’écoulement d’un fluide à l’intérieur d’une canalisation.

• En sécurité routière

Vous connaissez cet instrument que tiennent en main les patrouilles de police sur les voies pour déterminer si votre vitesse de conduite est normale ou excessive ? C’est grâce à l’effet Doppler qu’ils y arrivent en réalité. Ainsi, l’effet Doppler est utilisé pour mesurer la vitesse des véhicules sur les routes. Dès que le radar est allumé, les véhicules fléchissent à nouveau l’onde produite par le radar, en canalisant la fréquence de cette onde selon sa vitesse. L’onde est alors canalisée par le radar, qui calcule la vitesse du véhicule, à partir de la formule de l’effet Doppler.

• En astronomie

L’effet Doppler est également mis à profit en astrophysique dans la mesure où il rend possible l’analyse du mouvement des étoiles. Il permet alors d’évaluer la vitesse d’éloignement et d’approche des étoiles de la terre. Bien sûr, la technique sera mise au point grâce aux travaux de Fizeau. À l’opposé de l’effet Doppler de départ, l’effet Doppler-Fizeau démontre que les mouvements des étoiles ne sont pas caractérisés par leur couleur. Ils sont plutôt estimables à partir des raies d’absorption d’un élément chimique contenu dans le spectre de l’étoile. Ils se muent ainsi du rouge au bleu, selon leur position sur le spectre colorifique de l’étoile.

Des scientifiques révèlent d’ailleurs que l’effet Doppler-Fizeau a été d’une grande utilité lors du repérage du trou noir détecté par les télescopes du projet Event Horizon Telescope (EHT) sur la galaxie M87.