Dans le cadre de sa nouvelle exposition Ecoute-voir consacrée à l’acoustique, le Musée d’histoire des sciences présente un appareil de démonstration fort rare inventé au 19e siècle par le physicien anglais Charles Wheastone (1802-1875) pour représenter la propagation des ondes. Récemment acquise par le Musée suite à un don, cette Wave Machine (machine à ondes) est un appareil qui démontre mécaniquement le comportement ondulatoire de la lumière.
La machine consiste en un caisson métallique rectangulaire fixé sur un support en bois. La caissette est munie de fentes verticales et horizontales dans lesquelles coulissent des barrettes métalliques surmontées de billes blanches en verre. Les billes représentent les particules d’éther, la matière qui était supposée servir de support aux ondes lumineuses pour se propager dans le vide, selon la théorie physique de l’époque.
Dans sa configuration originelle, la machine présente sur l’une de ses faces une onde linéaire, sur l’autre une onde sinusoïdale horizontale et sur le dessus une onde circulaire polarisée. Ces différentes ondes peuvent être mises en mouvement en introduisant par un des côtés de la machine des glissières en bois horizontales et verticales en forme d’ondes. En coulissant dans la machine, ces glissières mettent en mouvement les barrettes métalliques sur lesquelles sont fixées les boules blanches. Du coup, celles-ci changent d’aspect et forment des motifs forts variés – ondes planes, spirales, hélices qui sont le résultat de la combinaison d’ondes oscillant dans des plans différents.
Au-delà de son esthétisme, cette machine à ondes est un très bel exemple de ce que les historiens des sciences anglo-saxons, appellent philosophical instruments (en français instruments philosophiques), qui définissent des dispositifs expérimentaux destinés à reproduire et étudier des phénomènes naturels. La camera obscura qui reproduit le fonctionnement de l’œil et de l’appareil photographique est un des instruments philosophiques les plus anciens et les plus connus.
Au cours du 19e siècle, une pléthore de nouveaux instruments philosophiques ont été inventés pour démontrer ou visualiser de manière nouvelle certains principes optiques: kaléidoscope (réflexion), zootrope et thaumatotrope (perception rétinienne), le stéréoscope (profondeur de champ), ou encore le kaléïdophone (visualisation de deux mouvements ondulatoires rectilignes).
Détail étonnant, le kaléidophone comme le stéréoscope ont tous deux été inventés par Charles Wheatstone, le concepteur de la machine à ondes décrite ci-dessus. Scientifique autodidacte et musicien, Charles Wheatstone est l’auteur de nombreuses inventions dans divers domaines de la physique : électricité, optique, acoustique, etc. Il a occupé pendant plus de 40 ans la chaire de physique expérimentale du King’s College à Londres.
Un exemplaire de kaléïdophone appartenant aux collections du Musée est visible dans l’exposition Ecoute-voir. Il provient des ateliers de Rudolf Koenig (1832-1901), célèbre constructeur parisien d’instruments d’acoustique expérimentale. L’appareil permet de visualiser la combinaison de deux ondes perpendiculaires l’une à l’autre. Six tiges de sections rectangulaires différentes sont fixées verticalement sur une base en fonte. Chacune d’entre elles est coiffée d’une petite bille en verre. En éclairant cette bille avec un faisceau lumineux, on obtient par réflexion un point lumineux. Lorsque l’on fait vibrer la tige obliquement (à la fois dans le sens de la longueur et de la largeur), le point lumineux commence à décrire des courbes formant des figures dites de Lissajous propres aux dimensions de chaque tige.
Le fonctionnement de la machine à ondes et du kaléïdophone sont à découvrir dans deux vidéos de la série « L’instrument en mouvement » visibles dans la nouvelle exposition et sur le site internet du musée. Et pour les visiteurs qui se rendraient au Musée d’histoire des sciences, un dispositif interactif inspiré du kaléïdophone, offre à chacun la possibilité de créer ses propres figures de Lissajous.
Pour voir le fonctionnement de la machine à ondes, vous pouvez consulter cette vidéo sur notre chaine YouTube :
Bibliographie
Blaserna Pietro & Helmholtz Heinrich, Le son et la musique. Germer Baillière, Paris, 1877.
Brenni Paolo, Le triomphe de l’acoustique expérimentale. La revue du Musée des arts et métiers, Paris, septembre 1995.
Gires Francis, Encyclopédie des instruments de l’enseignement de la physique. ASEISTE, Niort, 2016.
Guillemin Amédée, Le son, Hachette, Paris, 1878.
Holland Julian, Charles Wheatstone and the representation of waves, in Rittenhouse, Vol.13 (1999) et Vol. 14 (2000)
Tyndall John, Le Son, trad. Abbé Moignot, Paris, 1869.