Physique

Termes et concepts

• Masse
• Poids
• Inertie
• Équilibre
• Élasticité
• Médium
• Lois du mouvement de Newton
• Déplacement
• Vitesse
• Vélocité
• Quantités scalaires/vectorielles
• Force
• Travail
• Intensité et pression du son
• Énergie : potentielle, cinétique, thermique et acoustique
• Loi de la conservation de l’énergie

L’esprit scientifique travaille avec les mathématiques, cet élégant langage qui explore au-delà des trois dimensions et du temps. Ce n’est pas si différent de l’esprit spirituel, que les ancêtres humains de toute la Terre ont appelé le « cœur ». Lui aussi parle un langage qui explore au-delà des dimensions physiques et du temps.

Alors que les mathématiques calculent, le cœur ressent. Les mathématiques et l’intuition nous permettent de voyager dans des mondes que l’œil ne peut pas voir et où le temps peut plier, ou même s’arrêter, dans le cas d’une singularité (trou noir).

Toutes les réalités ne sont pas visibles, diraient mes oncles haïdas. Nous ne pouvons pas voir le vent lui-même. Nous ne pouvons que voir et entendre ses effets. Mais cela ne veut pas dire que nous ne pouvons pas faire l’expérience du vent. Nous pouvons sentir le vent directement. Cela nous inspire un sentiment de mystère. C’est le monde de la musique et de l’intuition.

Malgré ce qu’en dit l’empirisme de David Hume au XVIII^e siècle, l’être humain est plus que la somme de cinq sens. Même si la nature ne nous a donné que cinq sens physiques, nous avons notre intuition, un mécanisme intérieur qui nous amène à percevoir l’existence d’autres façons de savoir. Quelque chose au fond de nous nous attire vers le mystérieux, vers les nombreuses combinaisons et permutations que nous n’avons pas encore vues. Les mathématiques nous permettent ensuite de prédire quelles pourraient être ces combinaisons et permutations. En même temps, l’expérimentation nous fournit les moyens de tester à la fois les mathématiques et les intuitions. L’esprit et le cœur peuvent donc se renforcer mutuellement. Ils réunissent la sagesse intuitive des Aînés autochtone et la discipline académique des scientifiques.

La présente section traite de la physique de la musique. Grâce aux mathématiques et au cœur, nous apprenons à ressentir la musique de l’Univers et à travailler avec elle, et non contre elle. Les scientifiques savent que les parcelles de musique désincarnées qui parviennent à nos oreilles après avoir dérivé de manière invisible dans l’air qui nous entoure sont soumises aux mêmes lois de la physique qui régissent nos vies et nos mouvements dans le monde naturel. En bref, la musique elle-même est soumise aux mêmes forces qui maintiennent l’Univers en équilibre et qui influent sur nos vies. Ainsi, le « pourquoi » et le « comment » de la musique sont en harmonie avec les lois de la physique. Ces lois nous permettent de créer les sons qui inspirent les musiciens et les auditeurs depuis des milliers d’années.

Propriétés physiques liées aux instruments de musique

Examinons maintenant la physique des éléments que les musiciens utilisent pour créer des sons musicaux. Parmi eux figurent la peau du tambour, les cordes et la caisse du violon, le long tube de la flûte, les cailloux et la peau du hochet, ainsi que l’air avec lequel toutes ces pièces sont en contact. Les descriptions ci-dessous concernent les qualités de base de chaque corps physique : masse, poids, inertie, élasticité et passage par un médium.

La masse correspond à la quantité de matière contenue dans un objet. Les mesures de la masse les plus courantes sont le gramme (g) et le kilogramme (kg).

Le poids fait référence à la force que la gravité exerce sur la masse d’un objet, c’est-à-dire la traction vers le bas qui maintient le corps en contact avec la surface de la Terre. La masse d’un objet est toujours constante, mais son poids peut changer si l’effet gravitationnel change. Dans l’espace extra-atmosphérique, par exemple, un objet garde sa masse, mais perd de son poids. Son essence innée demeure la même, quelles que soient ses interactions avec d’autres influences. Les enseignements scientifiques et autochtones adhèrent à ce principe. Les forces qui changent notre vraie nature ne sont pas externes. Elles doivent venir de l’intérieur.

L’inertie est la propriété d’un corps qui résiste aux perturbations de son mouvement. Si un objet est au repos, il restera au repos. S’il est en mouvement uniforme le long d’une ligne droite, il poursuivra ce mouvement jusqu’à ce qu’une force ou des forces extérieures agissent sur lui.

Ainsi, l’inertie soulève deux possibilités.

1. Si un objet ne bouge pas, il restera parfaitement immobile jusqu’à ce que quelque chose le fasse bouger.
2. Si un objet se déplace en ligne droite, il continuera d’avancer pour toujours, à moins que quelque chose n’en fasse changer la vitesse ou la direction.

L’élasticité est la propriété d’un objet qui permet à une force extérieure de le déformer par rapport à son état original sans le casser. Elle permet à l’objet de revenir à son état d’origine une fois que la force extérieure cesse d’être exercée. Lorsque quelque chose produit un son, l’élasticité joue un rôle important. Toutefois, l’élasticité ne s’applique pas aux médiums comme l’air.

Le médium est le matériau à travers lequel les vibrations se déplacent d’un endroit à l’autre. Le mot « médium » vient du mot latin medius, qui signifie « milieu ». Ainsi, vous pouvez imaginer un médium comme un « milieu » ou un « intermédiaire » qui transporte les vibrations d’un instrument jusqu’à vos oreilles. Ce médium peut être un liquide comme l’eau ou un gaz comme l’air. Tous les instruments de musique (tambours, instruments à cordes, flûtes, etc.) produisent des vibrations que nous entendons sous forme de sons. La musique est la source sonore et l’air est son médium jusqu’à nous, tout comme l’eau est le médium sonore pour les baleines à bosse.

Une corde de guitare ou de violon vibre, mais elle produit peu de sons par elle-même, car elle ne transmet pas bien ces vibrations dans l’air. La corde a trop peu de surface pour déplacer beaucoup d’air. Quelque chose doit rendre ces sons plus forts pour qu’on puisse les entendre sous forme de musique. Le corps de la guitare, en revanche, a beaucoup de surface. Les cordes passent sur un chevalet qui s’appuie sur la face avant de l’instrument. Les vibrations de la corde sont ainsi transmises au corps beaucoup plus grand de la guitare, qui peut faire vibrer beaucoup plus d’air qu’une petite corde ne peut le faire. Les mouvements vibratoires de la caisse de résonance de la guitare excitent le médium qu’est l’air, qui transporte les vibrations.

C’est ce qui produit les sons musicaux que nous entendons. Les musiciens autochtones et les scientifiques, dans leur travail respectif, réagissent différemment à la musique. Les artisans autochtones n’essaient généralement pas d’analyser pourquoi le corps d’un instrument amplifie les sons des cordes, des peaux ou des colonnes d’air en vibration. C’est ce que font les scientifiques et les physiciens. L’Univers est probablement assez grand pour englober les deux façons de savoir, voire davantage.

Ce que la science explique, les musiciens et les auditeurs le vivent.

Le mouvement dans les instruments de musique

La production de musique nécessite le mouvement d’une partie de l’instrument de musique ou de l’air qu’il contient. Nous discutons ici des quantités physiques associées à ce mouvement. Un instrument restera silencieux jusqu’à ce que des vibrations y soient produites ou, comme le dirait un physicien, jusqu’à ce qu’il soit perturbé de son état de repos ou d’équilibre. Cela est lié à la première loi du mouvement de Newton :

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Tout objet dans un état de mouvement uniforme a tendance à rester dans cet état de mouvement à moins que quelque chose n’applique une force extérieure.

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Ainsi, si un instrument de musique (ici appelé « corps musical ») est initialement au repos, rien ne peut arriver tant que rien ne le perturbe. Quelque chose doit perturber le corps musical pour libérer les sons qu’il peut produire. La musique est donc un art du mouvement : une main ou un archet excitant les cordes d’un violon, un flot d’air provenant de la bouche traversant une flûte, un musicien agitant un hochet ou un percussionniste battant du tambour.

Les termes suivants mesurent et définissent ces perturbations.

Un déplacement se produit lorsqu’une pièce de l’instrument de musique initialement au repos est déplacée vers une nouvelle position. Lorsque nous étudions cet effet, nous devons tenir compte à la fois de la magnitude (la distance sur laquelle la pièce a été déplacée) et de la direction dans laquelle la pièce se déplace.

La vitesse mesure le déplacement qui se produit dans un temps donné. On exprime généralement la vitesse en mètres par seconde ou en kilomètres par heure. Nous calculons la vitesse, que nous appellerons (V), en établissant le quotient de la distance (d) parcourue et du temps (t) de déplacement :

V = d/t

Une autre façon de le dire est que la vitesse est égale à la distance divisée par le temps.

« Vélocité » est un terme que nous utilisons souvent comme synonyme de vitesse. Bien que nous ne traitions pas de cela ici, soulignons que la notion de « vélocité » est plus informative que celle de la seule « vitesse », car elle indique la direction dans laquelle le déplacement a lieu. Techniquement, la vitesse est une quantité « scalaire », tandis que la vélocité est une quantité « vectorielle ».

Mouvement et son dans un instrument de musique

La première loi du mouvement de Newton s’applique à la musique, car un corps en mouvement poursuit ce mouvement à moins qu’une force opposée le pousse dans une autre direction. Par exemple, lorsqu’un joueur pince la corde d’une guitare, la « force opposée » peut être la tension exercée sur la corde puissamment tendue qui tente de reprendre sa position de repos.

Cette valse entre l’inertie, le mouvement et les forces opposées crée des vibrations que nous entendons sous forme de sons. En physique, ces actions et leurs incidences sur les corps musicaux sont les suivantes…

La force est toute cause externe qui fait bouger un corps ou, s’il est déjà en mouvement, change sa vitesse ou sa direction. Ainsi, dans un objet comme une corde de guitare, une force crée un état de déséquilibre (état non égalisé) lorsqu’elle modifie l’état de repos naturel de la corde.

Une corde de guitare, par exemple, est sous tension. Lorsqu’on déplace la corde, la tension produit toujours une force de rappel. Toute force, aussi faible soit-elle, déplacera un objet. Cependant, pour produire de la musique, la force doit être suffisante pour créer une vibration assez puissante pour être audible. Plus les masses sont petites, moins il faut de force pour perturber leur état de repos ou leur mouvement uniforme. La perturbation de l’équilibre des plus grandes masses (par exemple, des cordes plus épaisses) exige une plus grande force.

La science a judicieusement nommé une unité de force : un « newton (N) ». Bien que nous n’ayons pas besoin d’utiliser la formule ici, soulignons qu’un newton équivaut à la force nécessaire pour accélérer le déplacement d’un kilogramme dans une direction donnée d’un mètre par seconde, chaque seconde. En d’autres termes, dans un monde sans friction, comme dans l’espace, la même force accélérerait le corps dans la même direction, de plus en plus vite. Chaque seconde, la force continuerait de pousser l’objet d’un mètre par seconde plus rapidement.

Le travail est ce qui arrive à un corps.

Le travail est égal à la force multipliée par le déplacement du corps dans la direction dans laquelle la force le déplace. Contrairement à la force, le travail est une quantité scalaire.

Au XIX^e siècle, James Prescott Joule a élaboré une formule pour mesurer le travail. Nous avons désigné son unité sous le nom de « joule (J) ».

La formule de Joule pour le travail est simple. Pour calculer les joules de travail (J), on multiplie la force en newtons (N) par la distance (d) sur laquelle un corps se déplace en mètres dans la direction où la force le propulse. L’équation ci-dessous calcule le travail.

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Formule pour le calcul du travail

J = N x d

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En d’autres mots, si une force constante déplace un corps d’un mètre, le travail que la force applique (en joules) est égal à la puissance de la force (en newtons).

La pression est égale à la force par unité de surface. Le son audible, par exemple, fait vibrer l’air. Techniquement, les ondes sonores sont des changements rapides de la pression atmosphérique, généralement des centaines ou des milliers de changements par seconde. La formule qui mesure la pression acoustique calcule le nombre de newtons par mètre carré (N/m²). On mesure en décibels (dB) le niveau d’intensité sonore. Pour les lecteurs férus de mathématiques, mentionnons que les décibels sont à peu près proportionnels au logarithme commun pour le rapport entre la pression acoustique et celle du seuil de l’audition.

L’énergie est la capacité de travailler. Tout corps physique contient de l’énergie. Le présent chapitre traite de quatre types d’énergie qui influent sur la musique : l’énergie potentielle, l’énergie cinétique, l’énergie thermique et l’énergie acoustique.

Un corps retient de l’énergie potentielle lorsqu’il est au repos. L’énergie est dormante jusqu’à ce que quelque chose produise un travail qui déplace, fait tomber ou étire le corps. Cela libère l’énergie du corps.

L’énergie cinétique est dégagée quand un objet bouge. Par exemple, si vous laissez tomber un poids lourd, vous déployez de l’énergie cinétique (l’énergie du mouvement). En outre, au fur et à mesure que l’objet tombe, la friction entre celui-ci et l’air à travers lequel il se déplace le ralentit. Cette friction transforme une partie de l’énergie cinétique du poids de l’objet en énergie thermique. La troisième loi du mouvement de Newton couvre cet aspect, y compris la manière dont un instrument de musique transforme l’énergie en son et en chaleur.

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Pour chaque action, il y a une réaction égale et opposée.

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La forme finale, l’énergie acoustique, prend la forme de l’air qui vibre, c’est-à-dire les sons que nous entendons comme de la musique. La loi de la conservation de l’énergie affirme que si l’énergie peut changer de forme, elle ne peut être ni créée ni détruite. Par exemple, lorsqu’un instrument de musique vibre, l’air conduit ce mouvement sous forme de chaleur et d’énergie acoustique, qui draine l’énergie mécanique de l’instrument (énergie potentielle plus énergie cinétique). La physique prédit mathématiquement que l’énergie mécanique perdue par l’instrument sera exactement égale à la somme de l’énergie acoustique rayonnée et de la chaleur dissipée.

Conclusion. Dans cette section, nous avons expliqué les corps, les forces et les lois qui régissent leurs interactions. Tous ces éléments entrent en jeu lorsqu’un instrument produit des sons musicaux.

Encore une fois, deux grandes cultures ont interprété le même Univers à leur façon. La « Volonté du Créateur » et les « lois de la physique » expriment la même vérité. Les lois de la physique semblent être les mêmes partout dans un cosmos si vaste que la lumière qui voyage à près de 300 000 kilomètres par seconde mettrait des milliards d’années à le traverser.

L’essentiel est que, d’une certaine manière, la musique remplira l’Univers du début à la fin.