Pourquoi un bâton plongé dans l'eau paraît-il "cassé" ?

La lumière se propage d'un point A émetteur à un point B récepteur en ligne droite. Une propriété qui se modifie lorsque la lumière change de milieu originel, par exemple de l'eau vers l'air. Ce changement de direction des ondes lumineuses d'un milieu à un autre est la réfraction. Le meilleur exemple pour l'illustrer est le bâton plongé dans l'eau.

	L'eau est un milieu plus réfringent que l'air donc le rayon lumineux y change de trajectoire. Photo © DR

Une trajectoire contrée

Voir un bâton à moitié plongé dans l'eau "brisé" ne relève en rien de la folie. Pas de panique. La physique vient à notre rescousse. La lumière se propage dans l'air à vitesse constante. Dès qu'elle pénètre dans un autre milieu, sa vitesse est modifiée et c'est ce qui se passe avec l'eau. Les ondes lumineuses interagissent avec les molécules d'eau ralentissant par conséquent sa vitesse de propagation. En physique, on dit que l'eau est un milieu plus réfringent que l'air.

Dès que le rayon lumineux arrive à la surface de l'eau, il est immédiatement dévié de sa trajectoire initiale. L'angle qu'il forme avec la normale, droite perpendiculaire à la surface de l'eau, est plus petit que l'angle d'incidence. En fait le rayon réfracté se rapproche de la normale. Inversement lorsque le rayon lumineux passe de l'eau à l'air. En effet, l'extrémité immergée du bâton émet des rayons lumineux qui en arrivant à la surface sont également déviés dans l'air pour être perçus par notre œil. Cette fois l'angle formé entre le rayon sortant et la normale est plus grand.

Cette "cassure" de trajectoire des rayons lumineux explique pourquoi nous observons un bâton brisé alors qu'il est en parfait état.

Culte du moindre parcours

Une autre explication beaucoup plus imagée cette fois a été avancée par le mathématicien Fermat au XVIIe siècle. Puisque la lumière voyage beaucoup moins rapidement dans l'eau que dans l'air à cause d'interactions moléculaires, elle va combler cette perte de temps en changeant de direction.

Pour bien comprendre, imaginez un maître-nageur devant secourir une personne en train de se noyer en mer. L'homme est naturellement plus rapide sur la terre ferme que dans l'eau. Le sauveteur va donc courir un peu plus longtemps sur la plage avant de plonger dans l'eau pour sauver le baigneur. Certes il ne va pas directement chercher l'individu mais il sera plus rapide et plus efficace en modifiant sa trajectoire.

Pour la lumière, c'est exactement la même chose. Pour contrer le ralentissement de sa propagation dans l'eau, elle change de direction d'où l'illusion d'une cassure du bâton.

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