Dans cet article de blog, nous nous concentrerons sur « Le principe de résonance et ses exemples en architecture et dans la vie quotidienne ».

Introduction

Vous souvenez-vous, enfant, de donner des coups de pied pour vous balancer plus haut sur une balançoire ? Pouvez-vous imaginer que le principe de ce geste simple – que nous effectuons naturellement, sans aucune instruction – puisse faire s’écrouler en un instant même les structures les plus robustes que l’on puisse imaginer ?

Le principe de résonance

La résonance est un phénomène où l'amplitude augmente et l'énergie s'accumule lorsqu'une force extérieure de même fréquence est appliquée à un objet qui vibre déjà à une fréquence spécifique. L'effondrement du pont de Tacoma Narrows, dans l'État de Washington aux États-Unis, en est un exemple souvent cité. Ce pont suspendu, construit au-dessus d'un détroit près de la côte, était maintenu par des câbles reliés à des piles de chaque côté ; étroit et long d'environ 853 mètres, il avait été conçu pour résister à des vents allant jusqu'à 53 mètres par seconde, alors que la vitesse du vent au moment de l'effondrement n'était que de 19 mètres par seconde. Lorsque ce vent a frappé le tablier mince, il a provoqué des vibrations dont la fréquence correspondait à la fréquence naturelle du pont, déclenchant un phénomène de résonance qui a amplifié les vibrations. Finalement, le pont n'a pas pu résister à ces vibrations et s'est effondré.
Pour comprendre ce phénomène, prenons l'exemple d'une expérience simple. Lorsqu'un poids suspendu à une corde oscille, si on le pousse légèrement dans le sens de son mouvement au bon moment, l'amplitude de l'oscillation augmente progressivement. Lorsque la durée de l'oscillation correspond à celle de nos poussées, l'amplitude croît : c'est précisément le principe de la résonance.
Appliquer ce processus aux bâtiments pourrait soulever la question suivante : « La résonance ne commence-t-elle que si le bâtiment tremble déjà ? » Or, dès que le vent frappe un bâtiment, celui-ci se met à vibrer. Les bâtiments d'une certaine hauteur étant constamment exposés au vent, on peut les considérer comme des systèmes en vibration permanente. Bien entendu, leur conception est optimisée pour minimiser l'impact interne, si bien qu'il est généralement difficile de ressentir les vibrations induites par le vent à l'intérieur du bâtiment.
Il est important de noter que chaque bâtiment possède sa propre fréquence naturelle. De même que le son produit par le tapotement de plusieurs verres remplis de quantités d'eau différentes, les bâtiments vibrent également à leurs propres fréquences naturelles. Lorsqu'une structure vibre, elle le fait toujours à sa fréquence naturelle spécifique.
Une autre question se pose : comment le vent provoque-t-il les vibrations d’un bâtiment ? Imaginez agiter votre bras sous l’eau. Même en le déplaçant droit et avec force, vous sentirez une oscillation latérale due à la résistance de l’eau. L’air étant lui aussi un fluide, lorsqu’il souffle contre un bâtiment, il lui induit des vibrations similaires à celles provoquées par l’agitation de votre main sous l’eau.
Le problème survient lorsque la fréquence des vibrations causées par le vent correspond à la fréquence naturelle du bâtiment. Si cette situation persiste, le bâtiment se trouve dans la même situation délicate que le pendule de l'exemple précédent. Lorsqu'une force extérieure maintient une amplitude constante et que sa fréquence correspond à la fréquence naturelle du bâtiment, l'amplitude augmente progressivement jusqu'à dépasser la limite de résistance de la structure, pouvant entraîner son effondrement. De même que David a vaincu le géant Goliath, même une brise qui nous paraît légère peut faire s'écrouler un bâtiment.

Les risques et les applications de la résonance

Cela dit, il n'y a pas lieu de s'inquiéter systématiquement lorsqu'on se trouve dans un bâtiment. Grâce aux enseignements tirés des catastrophes passées, le domaine de l'ingénierie des vibrations a progressé, et la plupart des bâtiments sont conçus, dès la phase de planification, pour minimiser la résonance induite par le vent. De plus, la réglementation impose l'installation d'amortisseurs (absorbeurs de vibrations) dans les bâtiments dépassant une certaine hauteur afin de réduire la résonance, ce qui diminue considérablement le risque réel.
En revanche, la résonance n'est pas un phénomène à éviter à tout prix. De nombreuses technologies qui nous entourent exploitent la résonance. L'imagerie par résonance magnétique (IRM) en est un parfait exemple : elle génère des vibrations à une fréquence correspondant à la fréquence de résonance naturelle des noyaux d'hydrogène du corps humain afin d'obtenir des images internes. Elle crée ces images en détectant l'énergie émise lorsque les noyaux d'hydrogène entrent en résonance, ce qui provoque une augmentation de leur énergie avant leur retour à leur état initial.
De plus, les sons produits par les instruments de musique, tels que les instruments à cordes et à vent, sont d'excellents exemples de résonance. Les instruments à cordes produisent du son grâce à la résonance de leurs cordes, tandis que les instruments à vent utilisent la résonance de l'air contenu dans leurs tubes ; selon l'endroit où le musicien tient l'instrument ou la manière dont il le manipule, la résonance se produit à des fréquences spécifiques, produisant ainsi les notes souhaitées.
Ainsi, bien que la résonance puisse menacer la vie humaine, comprendre sa nature et l'utiliser à bon escient peut aussi en faire un outil précieux pour la civilisation. La prochaine fois que vous assisterez à un concert ou passerez une IRM, repensez à l'histoire de David et Goliath. En réfléchissant à la fois au pouvoir destructeur d'une douce brise et aux bienfaits que la résonance apporte à nos vies, votre quotidien deviendra un peu plus intéressant.