Pourquoi la vitesse du son est-elle si lente ?

Le son dans l'air est une onde de pression : une région d'air légèrement comprimé pousse l'air voisin, qui pousse le suivant, et ainsi de suite. Rien ne se déplace si ce n'est la perturbation elle-même. La vitesse à laquelle elle se propage dépend de la rapidité avec laquelle les molécules peuvent transmettre cette poussée, ce qui est limité par la vitesse à laquelle les molécules elles-mêmes se déplacent entre deux collisions. Dans l'air à température ambiante, la vitesse moléculaire moyenne est d'environ 500 m/s, et la vitesse du son qui en résulte est de 343 m/s, un peu plus faible parce que l'énergie se répartit entre plusieurs formes de mouvement moléculaire. Pour un gaz, la formule est la racine carrée de γRT/M : elle dépend de la température, de la masse moléculaire et du rapport des chaleurs spécifiques, et de rien d'autre. La pression et l'altitude, à elles seules, n'interviennent pas.

Un air plus chaud signifie des molécules plus rapides et un son plus rapide. C'est pourquoi la vitesse du son diminue avec l'altitude dans la basse atmosphère, non parce que l'air est moins dense mais parce qu'il est plus froid. Dans l'atmosphère standard internationale, elle chute de 340 m/s au niveau de la mer (15 °C) à 295 m/s à 11 km (−56,5 °C), puis reste constante dans la basse stratosphère, où la température est uniforme. Pour l'aviation, cela a une conséquence pratique : un avion volant à une vitesse vraie fixe a un nombre de Mach plus élevé à mesure qu'il monte, c'est pourquoi les avions de ligne atteignent leur limite de Mach de croisière en altitude. Les gaz plus légers transmettent le son plus vite ; dans l'hélium, elle est de près de 1000 m/s, ce qui rend une voix aiguë après l'avoir inhalé.

La lumière est une onde électromagnétique. Elle n'a besoin d'aucun milieu et se propage à 299 792 km/s, soit presque 900 000 fois plus vite que le son dans l'air. C'est la différence entre voir l'éclair et entendre le tonnerre trois secondes plus tard pour chaque kilomètre de distance. Les milieux plus denses et plus rigides transmettent une poussée plus efficacement : le son voyage à environ 1480 m/s dans l'eau et à environ 5900 m/s dans l'acier, parce que les molécules sont liées entre elles et répondent presque comme un seul bloc, plutôt que par des collisions aléatoires.

À l'échelle humaine, 343 m/s n'est pas lent : cela représente 1235 km/h, à peu près la vitesse d'une balle de fusil. Elle ne paraît lente que face à la lumière, ou face aux avions modernes. L'avion habité à réaction le plus rapide, le SR-71, croisait à plus de trois fois la vitesse du son, et les engins spatiaux en rentrée la dépassent de plus de vingt fois. La vitesse du son n'est lente qu'en ce sens que l'ingénierie a appris à la dépasser.