Compter les nœuds et franchir le mur du son : comment nous avons appris à mesurer la vitesse

Quelque part dans l'Atlantique dans les années 1620, un officier de marine avait besoin de savoir à quelle vitesse son navire avançait. Il n'avait ni GPS, ni compteur de vitesse, ni instrument capable de lire la vélocité depuis l'eau elle-même. Alors un matelot attrapa un panneau de bois, le jeta par-dessus la poupe, et compta les nœuds sur une corde à mesure qu'ils glissaient entre ses doigts. Ce décompte correspondait à la vitesse du navire. La méthode était rudimentaire, ingénieuse et suffisamment précise pour traverser les océans. Elle nous a aussi donné une unité de mesure que les pilotes et les capitaines utilisent encore quatre cents ans plus tard.

Le loch à bateau

Le dispositif s'appelait un loch à bateau (chip log en anglais), et sa conception était d'une élégante simplicité. Un panneau de bois plat (le « chip »), à peu près triangulaire et lesté sur un bord pour qu'il se tienne droit dans l'eau, était attaché à une longue corde. Des nœuds étaient noués le long de la corde à intervalles réguliers, généralement environ 47 à 48 pieds (environ 14,4 à 14,6 mètres). L'autre extrémité de la corde s'enroulait autour d'un moulinet tenu par le matelot.

Voici comment cela fonctionnait. Un matelot jetait le chip par-dessus bord. Le panneau frappait l'eau et agissait comme une petite ancre flottante, restant plus ou moins en place tandis que le navire s'en éloignait. À mesure que la corde se déroulait, le matelot comptait combien de nœuds passaient entre ses mains pendant un sablier de 28 secondes. Le nombre de nœuds correspondait à la vitesse du navire en milles nautiques par heure.

Le calcul derrière l'espacement des nœuds est simple. Un mille nautique (environ 6 076 pieds) divisé par 3 600 secondes par heure, puis multiplié par l'intervalle de 28 secondes du sablier, donne environ 47 pieds. De légères variations dans l'espacement des nœuds et la durée du sablier étaient courantes d'un navire à l'autre, mais le principe tenait. Chaque intervalle entre deux nœuds représentait un mille nautique par heure de vitesse. Cinq nœuds comptés en 28 secondes, et vous faisiez cinq nœuds.

Le loch à bateau était utilisé depuis au moins la fin du XVIe siècle et est resté un instrument de navigation standard jusqu'au XIXe siècle. Le American Practical Navigator de Bowditch, toujours publié aujourd'hui par la National Geospatial-Intelligence Agency, documente la méthode en détail.

Le nœud aujourd'hui

Le nœud a survécu bien après la mise à la retraite du loch à bateau. Un nœud équivaut à un mille nautique par heure, soit exactement 1,852 km/h. Ce « exactement » est important. En 1929, la Conférence hydrographique internationale de Monaco a adopté 1 852 mètres comme longueur officielle du mille nautique.

Le concept d'origine était d'une minute d'arc de latitude le long d'un méridien. Sur une Terre parfaitement sphérique, cela donnerait une distance unique et fixe. Mais la Terre n'est pas une sphère. C'est un sphéroïde aplati, légèrement aplati aux pôles et renflé à l'équateur. Une minute de latitude varie d'environ 1 842,9 mètres à l'équateur à environ 1 861,7 mètres aux pôles. La norme de 1 852 mètres était un compromis, partageant la différence.

Le nœud n'est pas une relique archaïque qui survit par tradition. C'est l'unité de vitesse standard dans toute la navigation aérienne et maritime moderne, dans le monde entier. Les contrôleurs aériens, les pilotes de ligne, les officiers de marine et les marins marchands communiquent tous en nœuds. Essayez de convertir des nœuds en kilomètres par heure ou des kilomètres par heure en nœuds et vous verrez à quelle fréquence cette conversion revient pour quiconque travaille près de l'eau ou dans les airs.

Vitesse vs vélocité

Avant d'aller plus loin, une distinction qui mérite d'être faite : la vitesse (speed) et la vélocité (velocity) ne sont pas la même chose. La vitesse est un scalaire, c'est-à-dire qu'elle n'a que la magnitude. La vélocité est un vecteur, c'est-à-dire qu'elle a à la fois une magnitude et une direction.

Une voiture roulant à 60 km/h sur un circuit circulaire a une vitesse constante mais une vélocité en perpétuel changement, car sa direction change à chaque instant. Un satellite en orbite fait la même chose à plus grande échelle. Il se déplace à une vitesse constante (environ 28 000 km/h en orbite basse terrestre), mais sa vélocité change en permanence car la gravité courbe continuellement sa trajectoire. Ce changement continu de vélocité est ce qui maintient le satellite en orbite plutôt que de le laisser filer en ligne droite. La gravité fournit l'accélération centripète.

Ce n'est pas du pédantisme. La distinction entre vitesse et vélocité est fondamentale en mécanique et apparaît constamment en ingénierie et en physique.

Ernst Mach et la vitesse du son

Ernst Mach (1838-1916) était un physicien et philosophe autrichien qui a étudié les ondes de choc et les projectiles supersoniques à une époque où la plupart des gens considéraient le son comme quelque chose qui se produisait simplement, et non comme quelque chose se déplaçant à une vitesse mesurable et variable.

Le nombre de Mach est un rapport : la vitesse d'un objet divisée par la vitesse locale du son. Mach 1 signifie que l'objet se déplace exactement à la vitesse du son. Mach 2 correspond à deux fois la vitesse du son.

Le mot « locale » est crucial. La vitesse du son n'est pas une constante. Elle varie avec la température, et la température varie avec l'altitude. Au niveau de la mer par temps standard (15 degrés Celsius selon l'Atmosphère standard internationale), le son se propage à environ 340 m/s, soit environ 1 225 km/h. À une altitude de croisière typique de 11 000 mètres, où la température chute à environ moins 56,5 degrés Celsius, la vitesse du son tombe à environ 295 m/s (1 062 km/h).

Cela signifie que Mach 1 à l'altitude de croisière correspond à une vitesse sol sensiblement différente de Mach 1 au niveau de la mer. Un avion à Mach 0,85 et 35 000 pieds se déplace à environ 903 km/h. Le même nombre de Mach au niveau de la mer correspondrait à environ 1 041 km/h. Les pilotes et les ingénieurs raisonnent en nombre de Mach précisément parce que les effets aérodynamiques de l'approche de la vitesse du son dépendent du rapport, pas de la vitesse absolue.

Franchir le mur

Le 14 octobre 1947, Chuck Yeager monta à bord du Bell X-1 (un avion propulsé par fusée qu'il avait nommé « Glamorous Glennis ») et fut largué depuis le ventre d'un bombardier B-29 au-dessus de Rogers Dry Lake, en Californie, puis grimpa sous la poussée de ses fusées jusqu'à environ 43 000 pieds. Il atteignit Mach 1,06, soit environ 1 127 km/h, devenant la première personne à voler plus vite que le son en vol horizontal.

Cinquante ans et un jour plus tard, le 15 octobre 1997, Andy Green pilota le ThrustSSC à travers le Black Rock Desert dans le Nevada à 1 227,985 km/h (763,035 mph, Mach 1.02). C'était le premier record de vitesse terrestre supersonique, certifié par la FIA. Deux réacteurs d'un chasseur Phantom de la Royal Air Force propulsaient le véhicule.

Pour mettre en perspective l'évolution de la vitesse depuis lors : la sonde Parker Solar Probe de la NASA, lancée en 2018, a dépassé les 690 000 km/h (430 000 mph) lors de ses passages rapprochés autour du Soleil, chaque orbite successive repoussant le record. À ces vitesses, la sonde parcourt environ 0,064 % de la vitesse de la lumière, ce qui en fait l'objet le plus rapide jamais construit par l'humanité. Convertissez des miles par heure en kilomètres par heure et les chiffres sont vertigineux dans les deux cas.

Tableau de référence des unités de vitesse

Unités de vitesse courantes et leurs équivalents, arrondis pour un usage pratique :

Pour des conversions précises entre toutes les unités de vitesse, essayez km/h vers mph ou nœuds vers km/h.

Des nœuds de corde aux sondes solaires

Le matelot comptant les nœuds sur une corde mouillée dans les années 1600 et les ingénieurs suivant la télémétrie de la sonde Parker Solar Probe font la même chose : mesurer la vitesse de déplacement d'un objet à travers l'espace dans le temps. Les outils ont changé au-delà de toute reconnaissance. La physique, non. Distance divisée par temps. C'est tout ce que la vitesse a jamais été.

Ce qui a changé, c'est l'échelle. L'humanité est passée de la mesure de quelques nœuds en plein océan au chronométrage d'un objet à plus de 0,06 % de la vitesse de la lumière en environ quatre siècles. Le nœud, né d'une corde, d'un morceau de bois et d'un sablier de 28 secondes, est encore utilisé quotidiennement. Certaines unités méritent leur longévité.

Sources: Bowditch, "American Practical Navigator" (National Geospatial-Intelligence Agency); International Hydrographic Organization; NASA Glenn Research Center; International Standard Atmosphere (ISA); NASA History Division; FIA (Federation Internationale de l'Automobile); Smithsonian National Air and Space Museum