🎺 Les tuyaux sonores : orgue, flûte et clarinette
Un orgue n'a pas de cordes : ce qui vibre, c'est l'air enfermé dans ses tuyaux ! Souffle dans un tuyau transparent, regarde les tranches d'air danser d'avant en arrière, promène un micro comme en TP… et découvre pourquoi la clarinette a un son si « creux » et pourquoi les plus grands tuyaux d'orgue font trembler les vitraux sans qu'on les entende vraiment.
🧪 Mode d'emploi : règle les curseurs (à droite, ou sous l'animation sur téléphone), lance avec ▶, observe les mesures et relève les 🎯 défis. Le bouton ⛶ agrandit l'animation, idéal sur téléphone à l'horizontale.
Ce que tu vois
- Les points représentent des tranches d'air : elles vont et viennent le long du tuyau (onde longitudinale). Certaines ne bougent pas du tout (nœuds N), d'autres bougent beaucoup (ventres V).
- À un bout ouvert, l'air est libre de bouger : il y a un ventre de déplacement, et la pression y reste celle de l'atmosphère (nœud de pression). À un bout fermé, l'air est bloqué : nœud de déplacement, ventre de pression.
- Les zones orange (surpression) et bleues (dépression) se forment là où les tranches d'air se rapprochent ou s'écartent : là où l'air bouge le moins, la pression varie le plus.
- Le tuyau ne peut vibrer qu'à certaines fréquences, les fréquences propres. Dans un tuyau bouché, les raies de rang pair sont impossibles : il ne reste que f1, 3f1, 5f1…
- Deux nœuds voisins sont toujours séparés d'une demi-longueur d'onde λ/2 : c'est ainsi qu'on mesure λ en TP avec un micro.
Expériences à faire
- Tuyau ouvert de 1 m : passe du mode 1 au mode 2 puis 3. Comment évoluent la fréquence, le nombre de nœuds et la longueur d'onde ?
- Promène le micro dans le tuyau en mode 3 : où le son est-il le plus fort ? Où s'annule-t-il ? Mesure λ/2 entre deux nœuds.
- Bouche le tuyau sans changer sa longueur : la note monte-t-elle ou descend-elle ? De combien ?
- Remplis le tuyau d'hélium : pourquoi la note monte-t-elle ? Est-ce pour cela que la voix devient aiguë après avoir respiré de l'hélium ?
- Écoute le « son complet » d'un tuyau ouvert, puis d'un tuyau bouché : lequel ressemble à une flûte, lequel à une clarinette ?
La physique derrière l'animation
- Dans un tuyau, l'onde sonore se réfléchit aux deux bouts : l'onde aller et l'onde retour se superposent en une onde stationnaire, avec des nœuds (amplitude nulle) et des ventres (amplitude maximale) qui ne se déplacent pas.
- Tuyau ouvert aux deux bouts : ventre de déplacement à chaque bout, donc L = n λ / 2 et fn = n v / (2L) (n = 1, 2, 3…). Toutes les harmoniques sont présentes.
- Tuyau fermé à un bout : ventre au bout ouvert et nœud au fond, donc L = (2n − 1) λ / 4 et f = (2n − 1) v / (4L) : seules les harmoniques de rang impair existent.
- Relation v = λ f ; dans l'air, v ≈ 343 m/s à 20 °C et augmente avec la température (v ∝ √T) ; v ≈ 1 007 m/s dans l'hélium.
- Hauteur d'une note : la fréquence du fondamental (La3 = 440 Hz) ; timbre : l'ensemble des harmoniques présents. Modèle simplifié : la « correction de bout » (l'onde déborde un peu du tuyau) est négligée.
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