mise à jour le 8 Février 2006

 

CONFÉRENCE
"ARC EN CIEL ET COULEURS"

Par MICHEL BLAY 
Dr de recherche au CNRS, Directeur des Archives
de l'Histoire et de la Philosophie des Sciences.
Organisée par l'IAP

98 bis Av Arago, Paris 14 ème

 

le mardi 7 Février 2006

 

Photos : JPM pour l'ambiance, transparents de MB tirés de son excellent livre "les couleurs du Ciel" chez Belin

 

 

 

BREF COMPTE RENDU

 

 

 

 

Michel Blay est historien des sciences et nous parle ce soir devant un nombreux public, de l'arc en ciel et de la notion de couleurs au cours des siècles.

 

 

 

 

DANS LE PASSÉ LOINTAIN

 

 

L'arc en ciel est un phénomène qui combine Soleil, bruine , angle de vision correct et qui a été analysé très tôt par nos glorieux anciens comme Aristote dans ses "Météorologiques". Mais pour les Anciens, la vue sortait des yeux et allait vers l'objet vu, ici les nuages par exemple.

De même pour eux, les couleurs correspondaient à un affaiblissement de la lumière.

 

L'idée que c'est la lumière qui entre dans l'œil et qui provoque une sensation de vue, vient de Mésopotamie vers l'an 1000 notamment avec Alhazen. On trouve les premières dissections d'yeux dans les manuels arabes de cette époque.

 

 

 

QU'EST CE QUE LA LUMIÈRE?

 

Les premières théories apparaissent vers 1300 avec Dietrich de Freiberg.

 

 

Son idée est d'utiliser un globe en verre rempli d'eau pour simuler une goutte d'eau.

 

 

Voici les dessins présentés par M Blay du manuscrit de D de Freiberg expliquant les différents trajets des rayons lumineux issus du Soleil qui traversent la goutte se réfléchissent sur la face opposée puis ressortent vers l'œil.

 

 

Il montre aussi que si les rayons subissent deux réflexions avant de ressortir cela produit le deuxième arc observé.

 

Il comprend donc parfaitement le mécanisme de formation de (des) arcs, par contre il n'explique pas la production des couleurs.

 

On pense toujours que les couleurs sont produites par un affaiblissement de la lumière : le bleu est la plus affaiblie et le rouge la moins.

 

 

 

 

Il ne se passera pas grand chose avant le milieu du XVIème siècle.

 

 

 

ET DESCARTES VINT!

 

C'est Descartes le vrai initiateur de l'optique.

C'est lui qui explique tout, voir par exemple son dessin "de la goutte d'eau à la genèse de l'arc" de 1637.

 

Cette explication tirée du Discours des Météores (les météores signifiaient à l'époque tout phénomène situé entre la Terre et la Lune) fait suite au Discours de la Méthode pour lequel il est très connu.

 

 

Il assimile la lumière à des mouvements de boules de matière remplissant tout l'espace, ces boule peuvent tourner sur elles mêmes et changer de vitesse au moment du passage d'un milieu à un autre.

 

Les boules se propagent et arrivent jusqu'à l'œil , c'est l'amorce de la théorie ondulatoire de la lumière pourrait-on dire.

 

Il effectué aussi une expérience avec un prisme que l'on voit sur la figure suivante.

 

Les "boules" touchent le prisme dont la face opposée est masquée par une petite ouverture, et sont affectées alors d'un mouvement de rotation, les différentes couleurs proviennent du fait que certaines boules tournent plus ou moins vite.

 

Les différentes couleurs seraient le fait que les rayons correspondants effectuent des trajets différents dans le prisme

 

 

 

 

Il applique ses théories des boules à l'Arc en ciel et met en place le concept de rayon efficace.

 

 

 

On voit ici un tableau original de Descartes dans lequel il notait les angles d'incidence sur une goutte d'eau et le résultat sur les rayons sortants.

 

Il étudie donc toutes les trajectoires possibles des rayons lumineux et met en évidence la fait principal de l'arc en ciel, il existe un MAXIMUM ou une DIRECTION PRIVILÉGIÉE qui donne naissance à ce phénomène.

L'angle se situe aux alentours de 41° comme on le voit sur le tableau. (angle ONP).

 

De la même façon il trouve l'angle du deuxième arc et explique la bande sombre d'Alexandre.

 

 

 

 

 

 

 

 

NEWTON, LE PATRON ARRIVE!

 

 

C'est Isaac Newton, le génie du XVIIème siècle, qui établit la théorie classique définitive et introduit la notion de calcul des couleurs.

Il commence très tôt en 1665. il écrit son mémoire sur l'Optique en 1666, il est pour la notion corpusculaire de la lumière.

 

Michel Blay nous montre cet extraordinaire document écrit de la main de Newton.

Ce feuillet est extrait des premiers carnets de notes de Newton sur ses expériences relatives à l'observation au travers d'un prisme. (Newton C.U.L. ms Add 3996 fol 122)

 

Puis vient l'expérience fondamentale de 1704 sur le prisme.

 

 

 

Les rayons solaires (S) arrivent par la droite et passent au travers d'une petite ouverture (F) dans le volet et sont dirigés vers le prisme (ABC), les couleurs se dispersent et passent maintenant dans une autre petite fente (G) qui analyse chaque couleur.

Ce faisceau coloré passe maintenant dans une autre fente (d) et sur un autre prisme (abc) afin de voir si il disperse.

Résultat : pas de dispersion, le faisceau coloré apparaît en MN.

 

Les couleurs ne sont plus décomposées, ce si=ont des rayons homogènes (on dirait maintenant monochromatique).

 

Toutes ces mesures et observations ont conduit Newton à expliquer précisément la formation des arcs et des couleurs de l'arc en décrivant pour chaque couleur le trajet lumineux.

 

C'est la base de la théorie mathématique de l'Arc en ciel.

 

On se pose aussi souvent la question du nombre de couleurs de l'arc en ciel, dans l'antiquité on en comptait trois, mais à l'époque de Newton on en voyait 7, car cela était un peu magique , cela correspondait à un octave en musique avec ses 7 tonalités principales.

 

 

 

 

 

Le temps avançant très vite, la présentation s'arrête là. C'est Daniel Kunth qui tend le micro au public, et M Blay répond à une longue série de questions, dont celle ci : y a t il un troisième arc de visible ?, réponse oui, mais pas facile à voir, il est ….dans le dos quand on voit l'arc principal.

 

 

 

 

Mon seul regret : pas une photo en couleur d'un arc en ciel n'a été projetée, aussi j'en profite pour réparer ce manquement par une photo d'arc, ce n'est pas la plus belle sur le marché, mais comme dit l'autre c'est moi qui l'ai faite; elle a été prise de ma fenêtre et l'on voit parfaitement les deux arcs et la bande sombre d'Alexandre.

 

 

 

 

 

 

ANNEXE : EXPLICATION MODERNE DE L'ARC

(tirée de ma présentation sur les couleurs du ciel et phénomènes lumineux).

 

 

 

­Les gouttes d’eau jouent le rôle de prismes

­Si on considère tous les angles d’incidence des rayons lumineux sur la gouttelette, on prouve  que:

­Il existe une ZONE PRÉFÉRENTIELLE où la lumière s’accumule (un calcul mathématique pas trop trapu le démontre)

­Cet angle entre le rayon lumineux (la direction du soleil) et le rayon sortant donnant naissance à l’arc en ciel est de 138° (ou 42° suivant la façon de compter), il ne dépend pas de la taille des gouttes

­Mais cet angle dépend de n (indice de réfraction), ce qui donne naissance à l’arc de toutes les couleurs, le violet dévié au max et le rouge le moins dévié (extérieur)

 

 

­En fait ce qui se produit pour UNE goutte d’eau se produit pour TOUTES les gouttes d’eau

 

­Toutes les gouttes d’eau émettant préférentiellement de la lumière à 42° de NOTRE LIGNE DE VISÉE , on voit donc bien logiquement un CERCLE centré sur cette ligne de visée qui nous est PERSONNELLE

­Chacun voit donc son PROPRE ARC EN CIEL

­Du sommet d’une montagne (ou d’un avion) on verrait un cercle entier, du sol, ce cercle est interrompu par l’horizon

­Chaque couleur a son propre arc en ciel

­Pour le bleu il est de 40° Pour le rouge de 42°

­Ces rayons se répartissent sur un cône dont le sommet est l’observateur d’ou ARC

 

 

 

­Dans de bonnes conditions atmosphériques, on voit généralement un 2ème arc plus faible et inversé. Pourquoi?

(voir dessin ci contre)

Arc primaire :1 réflexion   Arc secondaire :2 réflexions

­On remarquera que l’arc secondaire est situé AU DESSUS du primaire 51° au lieu de 42)

­Et que bien logiquement ses couleurs SONT INVERSÉES

 

­Les zones des deux arc étant des zones où la densité de lumière est forte (par définition), il en résulte qu’il y a entre ces deux arcs

­Une bande sombre, appelée bande sombre d’Alexandre, philosophe grec de la ville de Aphrodisias qui le premier remarqua le phénomène

 

 

 

 

 

 

 

 

 

POUR ALLER PLUS LOIN.

 

Bien entendu le livre de Michel Blay : Les figures de l'Arc en ciel aux éditions Belin. Ce livre a déjà été commenté sur ce site.

Il l'a aussi été plus profondément par l'Union des Professeurs de Physique et Chimie.

 

 

L'explication du phénomène de l'Arc en ciel.

 

Toute l'optique géométrique par l'Université du Maine (Le Mans)

 

Comment expliquer les arcs en ciel par l'École Normale Sup de Lyon

 

Comme d'habitude notre ami Gérard Villemin a une très bonne explication sur ce sujet sur son site.

 

About Rainbows par l'University Corporation for Atmospherics Research (anglais).

 

Rainbow par Wikipedia et la biographie de Newton (anglais).

 

Biographie de René Descartes chez Wikipedia (français).

 

 

Rappel : sur ce site la présentation sur les couleurs du ciel.

 

 

 

 

C'est tout pour aujourd'hui!

 

 

Bon ciel à tous

 

 

http://www.planetastronomy.com/