Les caractéristiques ondulatoires des explosions

par Fred Scaffidi, chimiste

La notion d'onde permet de décrire un grand nombre de phénomènes naturels. Les ondes concentriques provoquées par la chute d'une pierre dans l'eau, les ondes sonores, le rayonnement (qui possède les caractéristiques d'une onde) et les ondes de choc ont des effets extrêmement différents sur leurs milieux respectifs; cependant, elles ont en commun certaines propriétés. Ces propriétés définissent assez bien les caractéristiques des ondes.

L'énergie d'un système est l'une des notions fondamentales de la chimie et de la physique. Vous vous souviendrez sûrement d'avoir étudié le phénomène suivant (notions élémentaires de physique): lorsqu'on tient une petite pierre à une certaine hauteur et qu'on la laisse tomber sur le sol, elle frappe le sol avec une certaine énergie. On appelle cette énergie l'«énergie cinétique». L'énergie cinétique est obtenue en appliquant la formule suivante: 1/2mv2 ou «m» est la masse de la pierre et «v» est sa vitesse au moment de l'impact au sol. L'énergie de la pierre peut prendre d'autres formes au moment de l'impact; par exemple, elle peut se convertir en chaleur ou en bruit. Si le sol est meuble, l'énergie peut provoquer un tassement. De même, lorsque l'on se sert d'un marteau pour enfoncer un clou, le clou devient chaud au toucher, ce qui indique que toute l'énergie n'a pas été utilisée pour enfoncer le clou, mais qu'une partie de l'énergie s'est dissipée par friction. Le terme système est employé pour désigner les objets et le milieu en question. Dans le cas qui nous occupe, la pierre et le sol constituent un système. Un bécher de verre qui contient des produits chimiques qui réagissent est un exemple de système qui libère de l'énergie sous forme de chaleur dans le milieu ambiant. L'énergie est une propriété que l'on peut mesurer et l'unité de mesure de l'énergie est le joule (J).

La quantité de chaleur d'une substance est une forme particulière d'énergie mesurée en calories (1 calorie = 4,186 J). Une calorie est définie comme étant la quantité d'énergie requise pour faire augmenter d'un degré Celcius la température d'un gramme d'eau et c'est l'unité que l'on retient pour mesurer l'énergie calorifique.

Tous les gaz comprimés possèdent une propriété que l'on appelle «énergie». Si un de ces gaz réagit avec de l'acétylène et de l'oxygène dans un chalumeau, une importante quantité d'énergie est libérée sous forme de chaleur. L'énergie contenue dans l'acétylène et l'oxygène se dissipe dans le milieu ambiant (la température de la flamme peut atteindre 3 700 °C). Un brûleur libère l'énergie graduellement, alors que nous savons tous que des explosions (causées par l'acétylène) peuvent se produire si les quantités limites d'explosifs (de 2,5 % à 80 % dans l'air) sont atteintes. Une explosion survient lorsque de l'énergie est libérée instantanément par un système dans le milieu ambiant.

LES ONDES CONCENTRIQUES

Examinons le cas où nous jetons une pierre dans un bassin d'eau. L'énergie de la pierre perturbe la surface de l'eau et génère des vagues. Ces vagues prennent la forme d'une succession de crêtes et de creux. L'énergie est communiquée à l'eau par une «impulsion» soudaine. Voici à quoi ressemblerait le profil d'une onde concentrique provoquée par la chute d'une pierre dans l'eau:

Caractéristiques d'une onde concentrique

La crête de l'onde, ou sa hauteur, est désignée sous le nom d'amplitude. Sa longueur est la longueur d'onde, telle qu'indiquée. La longueur d'onde est la distance parcourue par l'onde pendant la durée d'un cycle complet, soit une phase positive et une phase négative. La pierre qu'on jette dans l'eau génère des cercles concentriques et le nombre de cycles par seconde ainsi produits est la «fréquence». Si l'on jette une pierre dans un bassin rempli d'eau, un grand nombre d'ondes concentriques sera généré plutôt qu'une seule grande onde. Avec le temps, l'amplitude des ondes diminuera jusqu'à devenir nulle à mesure que l'énergie se dissipera dans l'eau. Plus l'amplitude de l'onde est grande, plus cette dernière est puissante ou intense. Si une onde de grande amplitude se propage jusqu'à un mur, elle sera réfléchie; si l'impulsion qui l'a produite était très grande, elle pourrait même simplement jeter le mur par terre.

La longueur d'onde type, observée dans un réservoir d'eau, est d'environ 1 cm. L'eau est le milieu dans lequel l'énergie se propage et elle présente certaines propriétés mécaniques, comme la viscosité (facilité avec laquelle s'écoule un fluide) et l'élasticité, qui règle la manière dont les ondes se propageront dans le milieu; les particules d'eau se déplacent en fait selon la verticale, dans une direction perpendiculaire au mouvement ondulatoire. (En d'autres termes, les particules suivront un mouvement circulaire qui resemblera à un mouvement de "va et vient".) Pour observer ce phénomène, il suffit de placer un bouchon de liège sur l'eau dans la trajectoire de l'onde. Le bouchon dansera sur l'eau sans toutefois se déplacer dans la direction du mouvement ondulatoire.

LES ONDES SONORES

Le son est constitué par un autre type d'onde. Lorsque nous parlons, nos cordes vocales entrent en vibration et libèrent de l'énergie dans l'air. Des ondes sont générées et transmises au milieu. Les ondes sonores sont constituées par une succession de compressions et de baisses importantes de la quantité d'air (crêtes et creux). Ces zones de haute et de basse pression sont détectées par nos tympans et se présentent comme des sons. Les ondes sonores diffèrent des ondes concentriques provoquées par la chute d'une pierre dans l'eau en ce que leurs longueurs d'onde sont beaucoup plus courtes. Elles se propagent également à une vitesse beaucoup plus grande (331 m/s) dans l'air et la fréquence des ondes sonores peut atteindre 109 cycles/s. Comme nous l'avons mentionné plus tôt, le milieu a une incidence sur la propagation des ondes. L'énergie des sons peut être transmise à d'autres milieux et les vitesses des ondes peuvent alors varier. Les ondes sonores se propagent à 1 450 m/s dans l'eau alors que leur vitesse dans le fer peut atteindre 5 130 m/s. La rigidité du fer semble faciliter la propagation du son et illustre bien le fait que la nature du milieu a certainement une incidence sur la manière dont les ondes se propagent. Le son ne peut se transmettre en l'absence de milieu, c'est-à-dire, dans le vide. Les ondes sonores peuvent également se réfléchir sur des objets.

LES ONDES DE CHOC

De même, une explosion dans l'air libère une certaine quantité d'énergie dans le milieu ambiant. À l'instar de la pierre que l'on jette dans l'eau, l'explosion créera un effet de souffle dans l'air ambiant. Cet effet de souffle est provoqué par l'expansion des gaz chauds dégagés par l'explosif. Dans le cas d'une explosion, on emploie généralement le terme surpression pour désigner l'amplitude de l'onde. Le profil de l'onde dans ce cas particulier pourrait ressembler à ceci:

Direction de la propagation

Un explosif qui brise comme de la dynamite libère de l'énergie instantanément. Ce dégagement instantané d'énergie génère une onde de choc de grande amplitude (surpression) et de courte durée. En outre, les vitesses des ondes lors d'une détonation sont supersoniques. En effet, nous utilisons le mot "détonation" lorsqu'il s'agit d'une onde supersonique. En d'autres mots, la surpression de l'onde peut atteindre un individu avant le bruit de l'explosion. Par suite de la détonation, une zone de pression légèrement plus basse est également créée par la quantité de mouvement de l'air qui se déplace vers l'avant. Bon nombre d'explosions en présence de gaz comprimés ne sont pas des détonations, mais plutôt des déflagrations extrêmement rapides. En effet, les ondes de choc se propagent à des vitesses subsoniques et les crêtes de surpression sont moins élevées. Bien que la surpression soit moins élevée, les déflagrations peuvent tout de même causer des dommages étant donné qu'elles durent plus longtemps. Comme le milieu de propagation a son importance, nous pouvons spéculer sur l'hypothèse qu'une explosion dans le vide intersidéral serait moins destructrice qu'une explosion semblable sur terre.

LES ONDES ÉLECTROMAGNÉTIQUES

Les ondes dont nous avons discuté jusqu'ici entrent dans la catégorie des ondes dites «mécaniques». Qu'en est-il des ondes radioélectriques, des ondes lumineuses et d'autres types de rayonnement? Ces ondes sont de nature électromagnétique, c'est-à-dire qu'elles font intervenir des champs d'énergie. Ces ondes se propagent à la vitesse de la lumière (3 x 108 m/s). Une longueur d'onde visible courante est d'environ 10-6 m. L'énergie des ondes n'est pas transmise sous la forme d'une succession de compressions ou de surpressions, mais plutôt sous la forme de petits faisceaux d'énergie qui présentent à la fois les caractéristiques des particules et des ondes. La lumière se propage dans beaucoup de milieux sans les perturber, mais est facilement arrêtée par un objet opaque. Les rayons X sont des ondes à très haute énergie (longueur d'onde de 10-9 m) qui traversent un certain nombre de matériaux; ils sont notamment utilisés à des fins médicales. Les ondes radioélectriques et les hyperfréquences se propagent sur des distances extrêmement grandes et peuvent traverser beaucoup de matières sans s'affaiblir ou se perturber. Ces ondes sont employées pour communiquer avec des satellites et des sondes dans des espaces lointains qui se trouvent à des kilomètres de distance. Le rayonnement émis lors d'une explosion nucléaire est dangereux, puisqu'un large spectre de rayonnements est produit. Ces rayonnements peuvent atteindre le corps humain et le traverser en causant des dommages irréversibles aux cellules. Il faut considérer les ondes électromagnétiques sous un autre rapport, étant donné que leur longueur d'onde est très courte et que ces ondes se propagent à la vitesse de la lumière. Les ondes électromagnétiques n'ont pas besoin de se trouver dans un milieu particulier pour être transmises. Par ailleurs, elles peuvent être réfléchies comme n'importe quel autre type d'onde.

EN BREF

L'onde est un phénomène très courant dans la nature. Le mouvement ondulatoire est l'un des modes de transmission de l'énergie d'un système vers le milieu ambiant. La notion d'énergie est également très courante, étant donné qu'elle permet d'expliquer les phénomènes naturels. Chaque système possède une quantité d'énergie constante qui peut être convertie en une autre forme. Par exemple, si nous pouvions prévoir la manière dont l'énergie est dégagée au moment d'une explosion, nous pourrions nous préparer davantage face aux conséquences possibles.

_______________
Parution: TMD Marchandise dangereuse Nouvelles, Vol. 17, No. 1, Printemps 1997.

Commentaires

Date de modification: