3. Expériences en optique et sur la propagation des ondes
Les recherches de Mach sur la propagation des ondes et sur la dynamique des gaz ont un lien avec ses travaux de psychophysiologie : il les aborda comme portant sur des faits perceptibles à l'œil humain, et il s'efforça, pour visualiser les phénomènes aérodynamiques, de dépasser l'emploi de plaques enduites de suie en mettant au point une technique expérimentale raffinée (interféromètre de Mach-Zehnder élaboré avec son fils Ludwig).
S'intéressant aux effets mécaniques des étincelles dans une décharge électrique, il mit en évidence des phénomènes d'onde de choc, qu'il étudia ensuite dans le cas de projectiles et de jets de gaz à haute pression. L'onde de choc correspond à un changement brusque des paramètres physiques – densité, pression, température... – sur le front de la perturbation. Au contraire de l'onde acoustique, c'est une onde non linéaire, et Mach étudia, par visualisation, sa figure de réflexion irrégulière (effet Mach ou réflexion de Mach). Il réalisa ces travaux de 1873 à 1893. À partir de 1886, il effectua des recherches en balistique, au cours desquelles il découvrit les phénomènes supersoniques, interprétant comme des effets d'onde de choc les résultats d'expériences effectuées sur sa suggestion par Salcher à Fiume (l'actuelle Rijeka). Il montra l'importance du rapport ω/v (dénommé en 1929 nombre de Mach) de la vitesse ω du projectile à celle, v, du son, et détermina l'angle α entre l'enveloppe du cône gazeux et la direction de propagation en fonction du rapport v/ω : sin α = v/ω, si ω>v. Les découvertes de Mach dans le domaine de l'aérodynamique supersonique se sont avérées extrêmement fécondes ultérieurement, et les aérodynamiciens utilisent encore des appareils optiques basés sur ceux mis au point par Mach.
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