Optique des milieux isotropes et anisotropes et course d'orientation
Résumé
Une analogie est proposée entre la propagation de la lumière dans différents milieux isotropes et anisotropes d'une part, et le déplacement d'un sportif courant dans différents milieux naturels (champs, forêts) d'autre part. L'analogue de la vitesse de la lumière dans le milieu (proportionnelle à l'inverse de l'indice optique) est ici la vitesse de course du coureur, qui dépend du terrain traversé. Si le sportif essaie de minimiser son temps de course entre deux points imposés (les balises de la course d'orientation), il a intérêt, toutes choses égales par ailleurs, à ce que son trajet suive les lois de l'optique géométrique, c'est-à-dire les lois de la réfraction de la lumière de Descartes-Snell transposées à son problème (conséquences du principe optimal de Fermat). Dans le cas des milieux anisotropes, la vitesse du coureur dépend de la direction de déplacement : ainsi en remontant un terrain en pente, on court plus vite en coupant les courbes de niveau de façon oblique que le long de la ligne de plus grande pente. Il peut y avoir alors plusieurs chemins optimaux, comme pour les milieux anisotropes biréfringents. L'originalité de la course en pleine nature par rapport à l'optique est que la vitesse de propagation dépend non seulement de la direction mais aussi du sens de propagation (suivant que l'on remonte ou descend la pente dans une direction donnée la vitesse diffère). En physique on considère au contraire très généralement que la vitesse de la lumière est la même dans les deux sens pour une direction donnée. Quelques indications sur une expérimentation conduite par un groupe de lycéens de Saint-Etienne pour valider ces hypothèses sont données. Pour maintenir une vitesse constante dans des conditions d'effort identiques, on se base sur une fréquence cardiaque constante, mesurée en route par cardio-fréquencemètre avec visualisation au poignet du coureur. Dans cette hypothèse de dépense énergétique constante, on peut prédire la forme de la loi de vitesse en fonction de la pente pour le cas anisotrope : la vitesse de course, qui sert à lutter contre les forces de frottement, diminue en montant une pente plus raide, une partie de l'énergie dépensée étant convertie en énergie potentielle de gravitation. Les expérimentations conduites par les lycéens s'accordent avec les prévisions. Quelques pistes de nature théorique sont proposées.
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