Les images du Petit-duc : la lumière en lignes droites

La lumière suit la plupart du temps une ligne droite, ce que l’on appelle un rayon lumineux.

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Eh bien oui, vous avez sûrement déjà vu un rayon laser ou les rayons du soleil qui traversent les nuages… Le fait que la lumière aille en ligne droite est basé sur ce que l’on appelle le principe de moindre action, une loi très générale en physique. Dans le cas de la lumière, cela veut dire qu’un rayon lumineux suit la trajectoire la plus courte entre deux points, ce qui sera très souvent une ligne droite.

Bon pour être plus précis, les rayons lumineux sont des segments de lignes droites. Ils changent de direction lorsqu’ils touchent un miroir, ce que l’on appelle la réflexion, et lorsqu’ils passent d’un matériau à un autre, par exemple entre l’air et l’eau, ce que l’on appelle la réfraction.

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Ibn Sahl (source : Iggy.net)

L’étude de ces phénomènes physiques est très ancienne. Si la réflexion sur un miroir est décrite depuis des temps immémoriaux, les premières traces de description scientifique de la réfraction remontent au Xe siècle avec Ibn Sahl, un mathématicien perse. Ce n’est qu’au début du XVIIe siècle que ces deux phénomènes sont décrits scientifiquement en Occident, avec les travaux — notamment — de Snell, Descartes, Kepler ou Heriot. Sans rentrer dans les détails, décrivons comment la lumière se réfléchit et se réfracte au passage entre deux matériaux différents.

La réflexion

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Lorsqu’un rayon lumineux heurte un miroir de salle de bain plat, il rebondit sur celui-ci exactement comme s’il venait depuis l’autre côté du miroir. Avec le miroir, le rayon qui arrive repart réfléchi avec un angle exactement symétrique.

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La réfraction
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Une tige plongée dans l‘eau semble cassée à cause de la réfraction.

Lorsqu’un rayon lumineux passe d’un matériau à un autre, il peut changer de direction, ce que l’on appelle la réfraction. Pour comprendre la réfraction et comment les hommes ont appris à la maîtriser pour fabriquer pleins d’instruments optiques, nous reviendrons dessus en détails la prochaine fois.

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Aller plus vite que le vent

Les bateaux peuvent aller plus vite que le vent.

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Oui mais aussi les bateaux à voile ! Comment le vent peut-il propulser un bateau qui va plus vite que lui ? Tout d’abord, le bateau s’appuye sur l’eau grâce à sa dérive et n’est pas entraîné dans la direction du vent. On peut orienter la force exercée par le vent en orientant les voiles, ce qui permet d’avancer en remontant le vent ou en vent de travers, c’est-à-dire que la direction du vent fait un angle droit avec celle du bateau.

Alors comment un bateau à voile peut-il aller plus vite que le vent ? Faisons une analogie… Lorsque l’on met le pied sur ne savonnette, en particulier si elle est mouillée et qu’elle glisse bien, elle aura forte tendance à être éjectée beaucoup plus vite que votre pied.

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En vent de travers, le bateau aura toujours de l’air dans ses voiles, même lorsqu’il va plus vite que le vent. La force du vent et la vitesse du vent sont des choses liées mais différentes.

Les meilleures vitesses sont atteintes en remontant légèrement le vent. La vitesse du bateau est alors limitée par la traînée, c’est-à-dire la résistance que l’eau oppose au mouvement du bateau vers l’avant.

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Il ne fait pas si froid dans l’espace

Commençons par contredire le titre de cet article : dans l’espace, il fait très froid ! Une température de -270°C, rien que ça, que l’on peut comparer aux quelques -200°C de l’azote liquide — et l’azote liquide peut brûler violemment la peau. Naturellement, on peut donc penser qu’un corps humain lâché dans l’espace serait congelé très rapidement, comme dans le film Mission to Mars.

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Sauf que… non. En effet, la température d’un corps est liée au mouvement microscopique des atomes et des molécules qui le composent et qui se heurtent les uns les autres, ce que l’on appelle l’agitation thermique. Plus l’agitation thermique est importante, plus le corps contient d’énergie thermique et plus il est chaud. Pour refroidir un corps chaud, on le met en général en contact avec un corps froid. L’agitation des molécules se transfère alors du corps chaud au corps froid, le premier se refroidissant et le second se réchauffant. On parle d’un transfert thermique par diffusion — la chaleur « diffuse » d’un corps à l’autre.

Mais dans l’espace, il n’y a pas de molécules : l’espace est vide. Un corps humain jeté dans l’espace n’est en contact avec rien et ne peut donc pas transférer de chaleur par diffusion. dewarEn fait, le vide est couramment utilisé comme très bon isolant thermique : c’est le principe d’un vase Dewar, un récipient en verre à double paroi entre lesquelles on a fait le vide. Avec ces vases, on fabrique d’excellentes bouteilles thermos pour conserver son café bien chaud — ou son azote liquide bien froid.

Le seul moyen pour un corps de perdre de l’énergie thermique dans l’espace est d’émettre du rayonnement électromagnétique. Par exemple, un corps humain émet surtout du rayonnement infrarouge, que l’on peut observer avec une caméra thermique. C’est aussi lui qui nous réchauffe lorsque l’on se place au soleil — notre étoile en émet énormément. Lorsqu’il est émis, le rayonnement thermique prélève de l’énergie à l’agitation des molécules qui constituent le corps, qui se refroidit en conséquence.

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Dans le vide, un corps ne perd donc de la chaleur qu’en émettant du rayonnement, et ce processus est très lent pour refroidir un corps humain à 37°C. Il faudrait au minimum une heure pour refroidir de seulement 10°C un corps humain plongé dans l’espace. Pas si froid, l’espace !

Bref, dans l'espace, il ne fait pas si froid... Sauf que la pression de l'air, c'est important aussi !

 

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