Pourquoi les éclairs font du bruit ?

Le 6 juin 2010, nous avons eu notre deuxième orage de l'année sur Paris, une belle bête... Le tonnerre gronde, les éclairs... éclairent... le ciel (vous noterez qu'on ne s'est pas trop foulé pour trouver le nom des éclairs !). Mais d'où vient le bruit des éclairs ? Et aussi, pourquoi n'entend-on parfois le bruit que quelques secondes après avoir vu l'éclair ?

Un éclair, ça chauffe

Un éclair est un arc électrique, c'est-à-dire une forte quantité de courant qui traverse l'espace en un instant très court. Précisément dans le cas d'un éclair, plusieurs centaines de mètres en un quart de seconde. D'où l'expression plus vite que l'éclair. Sa température se trouve aux alentours de 30 000°C. Vous imaginez donc que ça chauffe sérieusement !

-- Chéri, arrête de déconner avec l'armoire électrique ! Je suis en train de mater Melrose Place !!
-- Oui ma puce !... Rho, t'inquiète Frankie, un ptit coup de jus, tu seras comme neuf ! 

Le son, c'est une onde

Le son, de façon générale, trouve ses origines dans la vibration d'un support. Il s'agit d'une onde, c'est-à-dire quelque chose qui vibre et qui se propage. Un autre exemple d'onde ? La lumière ! Un autre exemple plus facile à conceptualiser peut-être, une onde dans l'eau : quand on fait tomber une pierre dans l'eau, il se forme des cercles concentriques de plus en plus grands, eh bien l'apparition de ces cercles de plus en plus loin du centre symbolisent la propagation (ou déplacement si vous préférez) d'une onde.

La notion de son mérite en soi un bel article. Je me cantonne ici à des notions très basiques, ne m'en tenez pas rigueur hein !

D'où vient ce son ?

Alors, que se passe-t-il lorsqu'on chauffe brutalement l'air à 30 000°C en seulement un quart de seconde ?

Vous savez que l'air se dilate lorsqu'on le chauffe ? La nature est ainsi faite : dans un espace ouvert, plus on chauffe un gaz, plus celui-ci prend de place, il se détend. Du point de vue moléculaire, la surchauffe crée de la vitesse assimilable a une pression. Puis, par choc, cette pression est transmise de proche en proche, et on dit alors que l'agitation moléculaire augmente. Comme les molécules sont agitées, elles ont besoin de plus de place pour circuler, et occupent alors un espace plus important. 

Bref, l'air se dilate quand on le chauffe. Et donc vu comment on le chauffe, il se dilate sacrément lorsqu'un éclair le pourfend ! Résultat, les petites molécules d'air qui se baladaient tranquillement, voire discutaient des gaz à effet de serre peinardes, sont obligées de prendre beaucoup de place en un quart de seconde. Elles se bousculent, se poussent les unes les autres depuis le point de chauffe vers là où il fait moins chaud, une onde se forme !

C'est cette onde que l'on entend sous forme de "bang", la vibration de cette onde se faisant à une fréquence audible par l'oreille humaine, qui détermine la hauteur du son (plutôt dans les graves). Ca donne quelque chose comme ça :

normalement ci-dessus vous voyez un lecteur audio... 
mais nous rencontrons des problèmes avec l'audio embarqué, il se peut que rien n'apparaisse

Pourquoi le son est en retard sur l'éclair ?

Alors la réponse à cette question est très simple. En une phrase : la lumière se propage plus vite que le son. 

C'est en général dans ces moments là que mon neveu va me demander : ah bon et plus vite comment ? Ce à quoi je lui répondrais : la lumière se propage à 300 000 000 mètres par seconde, le son à 340 mètres par seconde dans l'air que tu respires. Ce qu'il faut retenir, c'est qu'en gros, la lumière émise par l'éclair arrive instantanément à nos yeux, alors que le son lui ne fait que 340 m/s, et comme les éclairs se voient parfois très loin, jusqu'au km, alors le son peut n'arriver qu'au bout de plusieurs secondes.

En fait vous pouvez même savoir exactement à quelle distance l'éclair à frappé en mesurant le temps écoulé entre l'éclair et son bruit. Si le son arrive au bout de 2 secondes, alors l'éclair s'est produit à 680m (2 fois 340m) de votre localisation. Simple, non ?

Ce qu'il faut faire sous un orage

Je vais d'abord vous citer 2 règles sur la foudre, ou l'électricité en général :

• L'électricité est une grosse fainéante, qui passe toujours par le chemin le plus court. Donc entre le ciel et la terre, la foudre va essayer de trouver le point culminant. C'est donc pour ça que les paratonnerres se trouvent en haut des grands immeubles (ou de la tour Eiffel par exemple). 
• En physique, il existe également un phénomène appelé effet de pointe, qui fait qu'un objet pointu modifie la structure des champs autour de lui, et que l'électricité est plus propice à venir le chatouiller en cas de foudre. Encore une fois, les paratonnerres, la tour Eiffel, ont cette forme pointue !

Conclusion ? Eh bien, si vous vous trouvez sous un orage, faites-vous petit ! Dans un champ, allongez-vous par terre et rentrez les fesses, car l'électricité cherche le point culminant. Si vous vous tenez debout, votre tête sera ce point le plus haut, et vous risquez d'être tenus au courant ! Si vous avez un parapluie, évitez de le pointer vers le ciel, c'est une forme pointue qui en plus vous grandit ! Dans ce cas vous vous transformez en paratonnerre vivant... Aussi, ne vous tenez jamais sous un arbre, car ce dernier est un paratonnerre naturel, il vaut donc mieux ne pas être là si la foudre lui tombe dessus.

[source]

Pour aller plus loin

Le Palais de la Découverte : Si vous avez l'occasion de passer par Paris, allez y voir les exposés sur l'électricité, ils sont fantastiques : pour les petits comme les grands, vous découvrirez en vous amusant la magie de l'électrostatique et de la magnétostatique. Croyez-moi 2h d'un exposé ludique seront bien plus efficaces que des années d'école !

Expérience de dilatation de l'air : du bon esprit expérimental comme je les aime, facile à reproduire à la maison par les enfants

Equation d'état d'un gaz parfait : comment évolue le volume d'un gaz en fonction de sa température ?

Edit du 31/07/10: Je viens de voir cette émission sur Arté dédiée à la foudre, dans la série "La Terre en colère". Très intéressant : http://documentaires.france5.fr/documentaires/la-terre-en-colere/foudre