Incohérence physique dans The Big Bang Theory ?

[invite9e0c90d6]

Bonsoir, je suis resté perplexe après avoir regardé l'épisode The Vengeance Formulation de la série The Big Bang Theory. Dans cet épisode, Sheldon doit donner une interview à la radio nationale depuis son bureau concernant ses travaux sur les monopôles magnétiques. Seulement Kripke, l'un de ses collègues sournois ( ) décide de lui faire une petite blague : il fait passer un tuyau dans le bureau de Sheldon relié à une bombonne d'hélium qu'il ouvre au moment du début de l'interview. La voix de Sheldon devient aigüe et il est ridiculisé devant tous les auditeurs de l'émission.

Voilà je pense que ce passage est une incohérence, dûe au fait que l'onde sonore produite par Sheldon n'a pas changé de milieu avant d'arriver au téléphone qui lui aussi baignait dans l'hélium, sa voix n'aurait donc pas dû être modifiée. Qu'en pensez-vous ?

Pour ceux qui l'ont regardé en français, le problème ne se pose pas, sa voix n'est pas modifiée (ce qui doit rendre ce passage vraiment bizarre pour le public francophone ).
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[invite64686f3d]

Bonsoir,

Si j'applique ton raisonnement à la lettre, alors toute personne entendant Sheldon doit l'entendre avec sa voix naturelle puisque :

Voilà je pense que ce passage est une incohérence, dûe au fait que l'onde sonore produite par Sheldon n'a pas changé de milieu avant d'arriver [à l'oreille de l'auditeur] qui lui aussi baignait dans l'hélium, sa voix n'aurait donc pas dû être modifiée. Qu'en pensez-vous ?

Tu vois donc que d'emblée, quelque chose ne va pas. En fait tu te trompes parce que la modification de la voix n'est pas due à un changement de milieu du son (que tu viens de toute façon d'invalider) mais à une modification de la fréquence de vibration du gaz contenu dans la gorge lors de son passage dans les cordes vocales (ceci précisément parce qu'on a changé de gaz). Après le son se propage toujours dans l'air.

[invite2313209787891133]

Bonjour

Ce qui me semble incohérent c'est plutôt le fait que si on respire un air suffisamment enrichi en hélium c'est qu'il a été appauvri en oxygène, et respirer cet air quelques minutes provoquerait des évanouissements, voire la mort par asphyxie...

[GillesH38a]

oui, il n'y a pas d'incohérence dans le fait qu'on entende une voix aiguë : c'est vraiment la fréquence de résonance du larynx qui est modifiée par la vitesse du son bien plus grande dans He que dans l'air , et la fréquence du signal est conservée ensuite quelle que soit la chaine de transmission - c'est la longueur d'onde qui change, pas la fréquence. En revanche, on ne fait effectivement l'expérience qu'en inhalant une breve bouffée d'helium - respirer dans une atmosphère inerte c'est comme etre en apnée ...

[A voir en vidéo sur Futura]

[Edelweiss68]

Bonjour,

Quelle est la concentration minimale à avoir en hélium dans l'air inspiré pour entraîner une modification audible de la voie ? Et quelle concentration maximale peut-il y avoir pour qu'il y ait assez d'oxygène ?

Dans certaines bouteilles de plongée les gaz sont dilués avec de l'hélium. Est-ce que les plongeurs qui remontent à la surface et parlent ont la voix modifiée ?

[obi76]

Bonjour,

comme toujours, c'est subjectif. A partir de quel décalage en fréquence tu considère que c'est "audible" ? Si tu arrive à répondre à cette question, le calcul est tout simple après

[Edelweiss68]

comme toujours, c'est subjectif. A partir de quel décalage en fréquence tu considère que c'est "audible" ? Si tu arrive à répondre à cette question, le calcul est tout simple après

Je ne sais pas, c'était pour en avoir une idée justement, en moyenne.

[obi76]

On a :


Avec la constante adiabatique de l'air et de l'hélium (1.4 et 1.67 respectivement) et Y la fraction massique de l'air dans le mélange air+He.

Apuka calculer

[Edelweiss68]

Merci. Comment ça mon message est trop petit ?

[mach3]

En revanche, on ne fait effectivement l'expérience qu'en inhalant une breve bouffée d'helium - respirer dans une atmosphère inerte c'est comme etre en apnée ...

non, c'est pire encore. Quand tu es en apnée, il te reste une bonne quantité d'air dans tes poumons et tant que la concentration en O2 dans l'air de tes poumons est suffisante, ton sang gardera une concentration en O2 acceptable. Du coup avec une bonne capacité pulmonaire et de l'entrainement on peut tenir plusieurs minutes.
Quand tu respires de l'hélium c'est totalement différent. Une inspiration d'hélium et tes poumons sont rempli d'un gaz à presque 0% d'oxygène, ton sang va donc libérer son oxygène dans tes poumons jusqu'à ce que les concentrations s'équilibrent. En quelques inspirations, le sang s'appauvri très rapidement, passant sous le seuil critique (perte de connaissance, décès...).

m@ch3

[LPFR]

Bonjour.
@Obi77: êtes-vous sur de votre formule? Je suis surpris que les densités de l'hélium et de l'air n'y figurent pas. Le gamma joue, mais pas autant que la densité.
Effectivement, respirer que de l'hélium uniquement ne peut pas durer. La fois où j'ai fait la manip, j'ai failli tomber dans les pommes.
Mais on peut respirer un mélange d'hélium et oxygène. Et les voix sont complètement altérés et incompressibles pour les non initiés. On les a entendues dans le documentaire sur les expériences de la Comex en grande profondeur réelle ou simulée. Avec de l'hélium ou de l'hydrogène comme gaz principal et un chouïa d'oxygène (quand même).
Au revoir.

[obi76]

Bonjour LPFR,

effectivement, je me suis un peu pressé. J'avais simplifié la constante des gaz parfaits mais on ne peut pas, puisque ce n'est pas la même pour le gaz et l'hélium. il doit y avoir un dans la racine...

Mea culpa

[Edelweiss68]

il doit y avoir un dans la racine...

Ça me plait beaucoup moins...

[LPFR]

Re.
La formule peur la vitesse du son est :



Peut-être que l'on peut faire des interpolations séparées pour gamma et pour rhô:



A+

[invite9e0c90d6]

En effet il semblerait que je me sois trompé
Merci pour vos éclaircissements.

[apzo11]

Quand tu respires de l'hélium c'est totalement différent. Une inspiration d'hélium et tes poumons sont rempli d'un gaz à presque 0% d'oxygène, ton sang va donc libérer son oxygène dans tes poumons jusqu'à ce que les concentrations s'équilibrent. En quelques inspirations, le sang s'appauvri très rapidement, passant sous le seuil critique (perte de connaissance, décès...).

m@ch3

Bonjour,
L'intérêt de l'hélium en plongée "loisirs" est de limiter la pression partielle d'azote, (l'hélium remplace l'azote) car c'est cette pression qui augmente avec la profondeur qui est responsable de "l'ivresse des profondeurs".
Dans la boureille du plongeur il ya donc de l'hélium mais aussi de l'oxygène ce qui permet au plongeur de ne pas passer sous le seuil critique que tu décris.

[GillesH38a]

non, c'est pire encore. Quand tu es en apnée, il te reste une bonne quantité d'air dans tes poumons et tant que la concentration en O2 dans l'air de tes poumons est suffisante, ton sang gardera une concentration en O2 acceptable.

c'est vrai c'est encore bien pire.

pour la vitesse du son, je signale que où M est la masse molaire moyenne, et elle est en réalité indépendante de la densité, elle ne dépend que de la température (un des premiers résultats surprenants de la théorie cinétique des gaz). il suffit en fait de mettre la masse molaire moyenne (en volume). 50 % d'hélium mélangé à l'air suffisent déjà à la rendre égale à 0,5 * 4 + 0,5 * 29 = 16,5 soit pratiquement deux fois plus faible - et donc une fréquence racine(2) = 1,4 fois plus haute, bref ça vous change un ténor en alto et une alto en soprano !

[invite2313209787891133]

On a :


Avec la constante adiabatique de l'air et de l'hélium (1.4 et 1.67 respectivement) et Y la fraction massique de l'air dans le mélange air+He.

Apuka calculer

Bonjour

C'est plus compliqué que ça : Pour celui qui as déjà fait l'expérience de parler après avoir respiré de l'hélium on se rend compte que la voix est soit aiguë, soit normale; il n'y a pas de phase intermédiaire.
On ne peux donc pas relier une concentration à une fréquence.

[obi76]

En partant de l'hypothèse que la longueur d'onde est constante (et c'est le cas), ça ne dépend que de la vitesse du son non ? Il faudrai juste voir le comportement de ce que j'ai écris. D'un autre coté dans toutes les expériences que j'ai pu voir, l'hélium était inhalé à partir d'un ballon de baudruche, donc une concentration pas loin des 100%...

[invite2313209787891133]

Non, la fréquence ne dépend pas de la vitesse du son mais de la fréquence de vibration des cordes vocales. Même si le son se déplace à une vitesse différente dans le larynx sa vitesse redevient "normale" dans l'air.

[obi76]

Les dites cordes qui entrent en résonance dans une cavité. En admettant que la géométrie de cette cavité reste la même, la fréquence d'oscillation va jouer :

La voix d'un individu qui a inhalé de l'hélium change temporairement de timbre vers les harmoniques élevés — la vitesse du son dans l'hélium est presque trois fois celle dans l'air — et comme la fréquence fondamentale d'une cavité remplie de gaz est proportionnelle à la vitesse du son, l'inhalation d'hélium correspondra à une augmentation des fréquences de résonance de l'appareil phonatoire qui modulent la fréquence fondamentale donnée par les cordes vocales10,31,32. Un effet opposé, de baisse de timbre, peut être obtenu en inhalant un gaz dense, comme l'hexafluorure de soufre.

[invite2313209787891133]

En effet, je n'avais pas pensé à ça. Par contre il reste un point à élucider, pour quelle raison la modification de la fréquence (et non du timbre comme il est dit sur Wikipédia) n'est pas progressive ?

[obi76]

Justement c'est ce que je disais : je n'ai jamais vu l'expérience avec une dilution de l'helium dans l'air...

[invite2313209787891133]

Je l'ai expérimenté 2 ou 3 fois (et jusqu'à maintenant je ne m'étais jamais posé la question de savoir pourquoi le changement de fréquence n'est pas progressif), sinon on trouve facilement des vidéos sur YouTube.

[LPFR]

Bonjour.
Obi76 a raison. Ce que l'hélium ou l'hydrogène modifient ce sont les fréquences des formants de la voix.

Même si on aspire de l'hélium pur, on se retrouve avec un mélange dans les poumons car il reste un volume résiduel non négligeable. Pour avoir de l'hélium "pur" il faudrait faire plusieurs respirations.
Au revoir.