Le rayon prisonnier
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Le rayon prisonnier



  1. #1
    invite9455dcfd

    Le rayon prisonnier


    ------

    Bonjour,

    Voilà ma question :

    Un rayon de lumière idéal qui pénètre par un petit trou à l’intérieur d’une cavité de forme quelconque et dont les parois sont lisses et idéalement réfléchissantes finit t’il toujours par ressortir par ce même trous ?



    A priori je dirais que oui. Je vois deux cas de figure :

    Soit le rayon fini par rencontrer une paroi orthogonale à sa direction auquel cas il fait demi-tours jusqu’à la sortie, soit il ne tombe jamais sur une telle surface et alors chaque reflation engendrera un rayon différant à l’intérieur de la cavité.

    On peut penser que dans le second cas tous les points de la surface finiront par être visité par le rayon, lequel devrait donc ressortir. Ceci dit, le rayon étant idéal, il se peut que la trajectoire d’une infinité de rayons ne remplisse qu’un volume local de la cavité et épargne certaine zone de la surface, mais quelque chose me dit que la continuité de la surface ne permettrait pas cela (une surface fractale pourrait certainement emprisonner un tel rayon).

    En tout cas je n’ai pas trouvé de contre exemple.


    Existe-t-il un théorème ?

    Quelqu’un à t’il une idée sur la question ?

    Merci.

    -----

  2. #2
    invitea3eb043e

    Re : Le rayon prisonnier

    Supposons pour simplifier que le rayon entre par un plan principal (contenant le centre) et qu'il reste donc dans un même plan.
    L'angle d'incidence est i et garde cette valeur par la suite. A chaque réflexion,le point d'impact tourne de pi - 2 i (fais un dessin).
    Pour qu'il revienne dans le trou après n réflexions, c'est qu'il a tourné de n*(pi - 2 i) qui doit être un nombre entier de fois 2 pi.
    Si on pousse le vice jusqu'à prendre pour i un nombre irrationnel fois pi (genre pi*e/4) alors le rayon ne reviendra jamais exactement en place.

  3. #3
    invité576543
    Invité

    Re : Le rayon prisonnier

    Citation Envoyé par Jeanpaul Voir le message
    Supposons pour simplifier que le rayon entre par un plan principal (contenant le centre) et qu'il reste donc dans un même plan.
    L'angle d'incidence est i et garde cette valeur par la suite. A chaque réflexion,le point d'impact tourne de pi - 2 i (fais un dessin).
    Pour qu'il revienne dans le trou après n réflexions, c'est qu'il a tourné de n*(pi - 2 i) qui doit être un nombre entier de fois 2 pi.
    Si on pousse le vice jusqu'à prendre pour i un nombre irrationnel fois pi (genre pi*e/4) alors le rayon ne reviendra jamais exactement en place.
    Il manque quelque chose. Ce que tu proposes c'est une cavité de section circulaire, la section étant celle du rayon incident x la normale du point d'impact sauf erreur de ma part. Suffit de prendre un cylindre et de tirer dans un plan perpendiculaire à l'axe...

    Ca donne le contre-exemple recherché...

    Cordialement,

  4. #4
    invitea3eb043e

    Re : Le rayon prisonnier

    J'avais fait l'hypothèse d'une cavité de dimensions finies, le cylindre devrait avoir un couvercle réfléchissant.
    De toutes façons, si le trou est infiniment petit, on sent bien que le rayon n'arrivera pas à ressortir en un nombre fini de ricochets.

  5. A voir en vidéo sur Futura
  6. #5
    invite9455dcfd

    Re : Le rayon prisonnier

    Merci pour ce contre-exemple efficace. Mais je ne peux résister à la tentation de reformuler ma question en supposant cette fois-ci que le trou n’est pas infiniment petit mais doté d'une surface, aussi petite soit t'elle...

  7. #6
    invitea3eb043e

    Re : Le rayon prisonnier

    Là, j'ai l'impression que c'est un problème de toute autre ampleur, pas sûr qu'on sache le résoudre.
    Il peut arriver des catastrophes au sens qu'un très léger écart dans l'angle d'incidence change complètement la suite des réflexions à un moment donné.
    Appel aux spécialistes.

  8. #7
    invite6b1e2c2e

    Re : Le rayon prisonnier

    Bonjour,

    En fait, les rayons sont solutions des équations des ondes : Si tu considères un milieu homogène où les ondes se déplacent à vitesse constante, ce que tu te demandes sans le savoir, c'est si il y a la condition de contrôle géométrique (j'y peux rien c'est son nom) cf livre de Jacques Louis Lions : Titre type théorie du contrôle et applications, appendice B, livre de 1988 (c'est un peu mon livre de chevet...) .

    En fait, tu peux te convaincre en faisant des dessins tordus 2d que quelquefois tes ondes vont se retrouver bloquer dans une cavité, et là, ça ne va plus marcher.

    __
    rvz

  9. #8
    invite35452583

    Re : Le rayon prisonnier

    Citation Envoyé par rocinante Voir le message
    Merci pour ce contre-exemple efficace. Mais je ne peux résister à la tentation de reformuler ma question en supposant cette fois-ci que le trou n’est pas infiniment petit mais doté d'une surface, aussi petite soit t'elle...
    En fait, on peut facilement se convaincre que l'on peut emprisonner le rayon.
    Je prends un rayon vertical passant par l'origine. Je construis une cloison horizontale à partir de x=1/8.
    Et je décide du chemin que va emprunter mon rayon !
    Il passera successivement par
    (0;-1) puis ( 1/4 ;0)
    (1/2;-1) puis ( 3/8 ;0)
    (3/4;-1) puis (13/16;0)
    (7/8;-1) puis (29/32;0)...
    Ces conditions donnent les tangentes en ces points (enfin pour ceux sur (Ox) c'est (Ox) elle-même). Il suffit de tracer une courbe évitant de passer par les rayons ce qui est faisable car les rayons sont presque verticaux et les tangentes presqu'horizontales. Pour finir on complète par une courbe à droite et une à gauche pour fermer la cavité.
    En raffinant un peu, on se convainc aussi en réhaussant un peu les points bas progressivement que l'on peut éviter les points d'inflexion inévitables de cette construction pour faire une partie concave sur la gauche (il faudra un point d'inflexion pour recoller à la première tangente quand même).
    On peut poursuivre "après l'infini" : le rayon a été rendu parallèle à (Oy) tandis que les deux parois sont restée pour une devenue pour l'autre parallèle à (Ox).

  10. #9
    invite35452583

    Re : Le rayon prisonnier

    Nouvelle question (l'EDIT n'a pas marché je suis trop long)
    Peut-on emprisonner un rayon avec une courbe convexe lisse ayant un trou constitué par un segment ?

  11. #10
    invite9455dcfd

    Re : Le rayon prisonnier

    Merci pour cet autre contre-exemple. Je me demande toutefois si les « cavité-prison » ne sont pas des singularités, c'est-à-dire que la probabilité pour qu’un rayon quelconque pénétrant une cavité quelconque reste prisonnier, est nul ou quasi nul… Mais je suppose que cela nous mène trop loin….

    En fait ma question initiale était une généralisation d’un problème plus simple : je cherche à démontrer le plus simplement possible qu’aucun rayon ne peut rester prisonnier de l’espace existant entre deux sphère réfléchissante. Est-il possible de le faire en quelques lignes ?

  12. #11
    invitea3eb043e

    Re : Le rayon prisonnier

    Le problème posé au début était pour moi un problème de maths (posté dans un formum de maths).
    Si on tient compte des phénomènes physiques, les choses prennent une tout autre tournure.
    Le fait que des rayons puissent ou non s'échapper de 2 miroirs sphériques en vis à vis est le problème de la stabilité des cavités laser. Il existe des cas qu'on trouve dans la littérature :
    http://fr.wikipedia.org/wiki/Cavit%C3%A9_laser
    Un cas limite est la cavité confocale où les foyers des 2 miroirs coïncident (les 2 miroirs n'ayant pas forcément le même rayon).
    Le calcul n'est pas très compliqué, il fait appel à la diffraction mais ce n'est pas élémentaire non plus.

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