2.1. Types d’ondes

Ondes mécaniques

Que voulons-nous dire quand nous disons que quelque chose est une onde ? Une onde est une perturbation qui se déplace ou se propage à partir de l’endroit où elle a été créée. Les ondes transfèrent de l’énergie d’un endroit à un autre, mais elles ne transfèrent pas nécessairement de matière, masse. La lumière, le son et les vagues dans l’océan sont des exemples courants d’ondes. Les ondes sonores et les vagues sur l’eau sont des ondes mécaniques ; c’est-à-dire qu’elles ont besoin d’un support matériel pour voyager. Le milieu peut être un solide, un liquide ou un gaz, et la vitesse de l’onde dépendra des propriétés matérielles du milieu dans lequel elle se déplace. Par exemple, le son se propage à \(331\,\text{m/s}\) dans de l’air sec à \(0°C\) et à \(343\,\text{m/s}\) dans de l’air sec à \(20°C\). D’autres exemples de vitesse du son dans différents milieux sont donnés dans la table

Cependant, la lumière n’est pas une onde mécanique ; Elle peut voyager dans le vide, comme les parties vides de l’espace. Nous en reparlerons dans un prochain chapitre. Les ondes mécaniques regroupent toutes les ondes qui ont besoin d’un support matériel pour se déplacer

Ondes

Une onde est la propagation d’une perturbation dans un milieu avec transport d’énergie mais sans transport de matière.

Une onde familière que vous pouvez facilement imaginer est la vague sur l’eau. Pour les vagues sur l’eau, la perturbation se situe à la surface de l’eau, par exemple la perturbation créée par une pierre jetée dans un étang ou par un nageur qui éclabousse la surface de l’eau à plusieurs reprises. Pour les ondes sonores, la perturbation est causée par un changement de pression de l’air, par exemple lorsque le cône oscillant à l’intérieur d’un haut-parleur crée une perturbation. Pour les tremblements de terre, il existe plusieurs types de perturbations, qui comprennent la perturbation de la surface de la Terre elle-même et les perturbations de pression sous la surface. Les ondes radio, invisibles, sont faciles à comprendre en utilisant une analogie avec les ondes sur l’eau. Parce que les vagues sur l’eau sont courantes et visibles, la visualisation des vagues sur l’eau peut vous aider à étudier d’autres types de vagues, en particulier celles qui ne sont pas visibles.

Les vagues sur l’eau ont des caractéristiques communes à toutes les ondes, telles que :

1. L’amplitude

2. La période

3. La fréquence

4. La longueur d’onde

dont nous discuterons dans la section suivante.

Alerte aux idées fausses

Beaucoup de gens pensent que les vagues sur l’eau poussent l’eau d’une direction à l’autre. En réalité, cependant, les particules d’eau ont tendance à rester à un seul endroit, sauf pour monter et descendre en raison de l’énergie de la vague. L’énergie se déplace vers l’avant à travers l’eau, mais les particules d’eau restent au même endroit. Si vous vous sentez poussé dans un océan, ce que vous ressentez est l’énergie de la vague, pas le ruissellement de l’eau. Si vous mettez un bouchon dans de l’eau qui a des vagues, vous verrez que l’eau le déplace principalement de haut en bas.

Ondes progressives

Une onde progressive est une perturbation qui se propage sans transport de matière dans un milieu en restant identique à elle-même.

La propagation de vaguelettes à la surface de l’eau, les ondes sismiques ou les ondes radioélectriques des réseaux de téléphonie mobile sont des exemples d’ondes progressives.

Les ondes progressives peuvent se propager dans toutes les directions de l’espace. Si l’onde ne se propage que dans une direction, on dit que l’onde est progressive à une dimension.

Impulsions et ondes périodiques

Si vous laissez tomber un caillou dans l’eau, seules quelques vagues peuvent être générées avant que la perturbation ne s’estompe, alors que dans une piscine à vagues, les vagues sont continues. Une onde d’impulsion - ou simplement impulsion - est une perturbation soudaine dans laquelle une seule onde ou quelques ondes sont générées, comme dans l’exemple du caillou. Le tonnerre et les explosions créent également des impulsions.

Fig. 2.1 Une impulsion sur une corde à quatre instants successifs

Une onde périodique répète la même oscillation pendant plusieurs cycles, comme dans le cas de la piscine à vagues, et est associée à un simple mouvement harmonique. Chaque particule dans le milieu subit un mouvement harmonique simple dans des ondes périodiques en se déplaçant périodiquement d’avant en arrière dans les mêmes positions.

Fig. 2.2 Un exemple d’une onde périodique triangulaire.

Le cycle diurne (levers et couchers du Soleil), les saisons, les battements du cœur, les cycles de calcul d’un ordinateur, etc. sont des phénomènes périodiques. La chute de gouttes d’eau à intervalles de temps réguliers dans un récipient contenant de l’eau créera aussi une onde périodique.

Le corps humain est le siège de nombreux phénomènes périodiques (rythme cardiaque, rythme respiratoire, activité cérébrale, etc…). L’analyse de ces phénomènes consiste à mesurer leurs caractéristiques (période, fréquence, amplitude) et permet d’établir un diagnostic médical. L’utilisation d’appareils (électrocardiogramme, électroencéphalogramme, etc…) rend possible l’étude des signaux dont les variations sont rapides.

Fig. 2.3 Extrait d’électrocardiogramme : l’intervalle de temps entre deux battement (= période) vaut \(0.83\,\text{s}\). Ceci permet de déduire qu’il y a \(1.2\) battements par seconde (= fréquence) ou \(72\) battements par minute

Considérons la vague sur l’eau simplifiée dans la Fig. 2.4. Cette onde est une perturbation de haut en bas de la surface de l’eau, caractérisée par un modèle d’onde sinusoïdale. La position la plus haute s’appelle la crête et la plus basse est le creux. Il provoque un mouvement harmonique simple de haut en bas d’une mouette lorsque les crêtes et les creux des vagues passent sous l’oiseau.

Fig. 2.4 Une vague océanique idéalisée passe sous une mouette qui se déplace de haut en bas dans un simple mouvement harmonique.

Ondes longitudinales et ondes transversales

Les ondes mécaniques sont classées en fonction de leur type de mouvement et se répartissent en deux catégories : transversales ou longitudinales. Notez que les ondes transversales et longitudinales peuvent être périodiques. Une onde transversale se propage de sorte que la perturbation est perpendiculaire à la direction de propagation. Un exemple d’onde transversale est illustré à la Fig. 2.5, où une femme déplace un ressort de jouet de haut en bas, générant des ondes qui se propagent loin d’elle-même dans le sens horizontal tout en perturbant le ressort du jouet dans le sens vertical.

Fig. 2.5 Dans cet exemple d’onde transversale, l’onde se propage horizontalement et la perturbation dans le ressort jouet se fait dans la direction verticale.

En revanche, dans une onde longitudinale, la perturbation est parallèle à la direction de propagation. La Fig. 2.6 montre un exemple d’onde longitudinale, où la femme crée maintenant une perturbation dans la direction horizontale—qui est la même direction que la propagation de l’onde—en étirant puis en comprimant le ressort jouet.

Fig. 2.6 Dans cet exemple d’onde longitudinale, l’onde se propage horizontalement et la perturbation dans le ressort jouet se fait également dans le sens horizontal.

Remarque

Les ondes longitudinales sont parfois appelées ondes de compression ou ondes primaire \(\text{P}\), et les ondes transversales sont parfois appelées ondes de cisaillement.

Les ondes peuvent être transversales, longitudinales ou une combinaison des deux. Les ondes sur les cordes des instruments de musique sont transversales (comme le montre la Fig. 2.7), de même que les ondes électromagnétiques, telles que la lumière visible. Les ondes sonores dans l’air et l’eau sont longitudinales. Leurs perturbations sont des variations périodiques de pression qui se transmettent dans les fluides.

Fig. 2.7 L’onde sur une corde de guitare est transversale. Cependant, l’onde sonore sortant d’un haut-parleur fait vibrer une feuille de papier dans une direction qui montre que cette onde sonore est longitudinale.

Le son dans les solides peut être à la fois longitudinal et transversal. Essentiellement, les vagues sur l’eau sont également une combinaison de composantes transversales et longitudinales, bien que la vague sur l’eau simplifiée illustrée dans la Fig. 2.4 ne montre pas le mouvement longitudinal de l’oiseau.

Les ondes sismiques sous la surface de la Terre ont également des composantes longitudinales et transversales. Les ondes longitudinales d’un tremblement de terre sont appelées ondes de pression ou ondes \(\text{P}\), et les ondes transversales sont appelées ondes de cisaillement ou ondes \(\text{S}\). Ces composants ont des caractéristiques individuelles importantes ; Par exemple, ils se propagent à des vitesses différentes. Les tremblements de terre ont également des ondes de surface qui sont similaires aux ondes de surface sur l’eau.

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Introduction à la notion d’onde

La physique du surf

Beaucoup de gens aiment surfer dans l’océan. Pour certains surfeurs, plus la vague est grosse, mieux c’est. Dans une zone au large de la côte centrale de la Californie, les vagues peuvent atteindre des hauteurs allant jusqu’à \(15\) mètres à certaines périodes de l’année (Fig. 2.8).

Fig. 2.8 Un surfeur négocie un décollage raide un jour d’hiver en Californie sous les yeux de son ami. (crédit : Ljsurf, Wikimedia Commons)

Comment les vagues atteignent-elles des hauteurs aussi extrêmes ? En dehors des causes inhabituelles, comme lorsque les tremblements de terre produisent des vagues de tsunami, la plupart des vagues énormes sont causées simplement par des interactions entre le vent et la surface de l’eau. Le vent pousse contre la surface de l’eau et transfère de l’énergie à l’eau dans le processus. Plus le vent est fort, plus l’énergie transférée est importante. Au fur et à mesure que les vagues commencent à se former, une plus grande surface entre en contact avec le vent, et encore plus d’énergie est transférée du vent à l’eau, créant ainsi des vagues plus hautes. Les tempêtes intenses créent les vents les plus rapides, soulevant des vagues massives qui partent de l’origine de la tempête. Les tempêtes de longue durée et les tempêtes qui affectent une plus grande zone de l’océan créent les plus grosses vagues car elles transfèrent plus d’énergie. Le cycle des marées dues à l’attraction gravitationnelle de la Lune joue également un petit rôle dans la création d’ondes.

Les vagues océaniques réelles sont plus compliquées que le modèle idéalisé de l’onde transversale simple avec une forme sinusoïdale parfaite. Les vagues océaniques sont des exemples d’ondes progressives orbitales, où les particules d’eau à la surface suivent un chemin circulaire de la crête au creux de la vague qui passe, puis reviennent à leur position d’origine. Ce cycle se répète à chaque vague qui passe.

Au fur et à mesure que les vagues atteignent le rivage, la profondeur de l’eau diminue et l’énergie de la vague est comprimée dans un volume plus petit. Cela crée des vagues plus hautes - un effet connu sous le nom de haut-fond.

Étant donné que les particules d’eau le long de la surface se déplacent de la crête vers le creux, les surfeurs font du stop sur l’eau en cascade, glissant le long de la surface. Si les vagues de l’océan fonctionnent exactement comme les vagues transversales idéalisées, le surf serait beaucoup moins excitant car il s’agirait simplement de se tenir debout sur une planche qui se balance de haut en bas sur place, tout comme la mouette de la figure précédente.

Utiliser la science pour mieux surfer !

Des informations supplémentaires et des illustrations sur les principes scientifiques qui sous-tendent le surf peuvent être trouvées dans la vidéo (en anglais) Utiliser la science pour mieux surfer !.

Si nous vivions dans un univers parallèle où les vagues de l’océan étaient longitudinales, à quoi ressemblerait le mouvement d’un surfeur ?

1. Le surfeur se déplacerait d’un côté à l’autre/d’avant en arrière verticalement sans mouvement horizontal.

2. Le surfeur avancerait et reculerait horizontalement sans mouvement vertical.

Vérifiez votre compréhension

Questions 1

Qu’est-ce qu’une onde ?

1. Une onde est une force qui se propage à partir de l’endroit où elle a été créée.

2. Une onde est une perturbation qui se propage à partir de l’endroit où elle a été créée.

3. Une onde est de la matière qui donne du volume à un objet.

4. Une onde est de la matière qui fournit une masse à un objet.

réponse

Réponse 2.

Une onde est une perturbation qui se propage à partir de l’endroit où elle a été créée.

Questions 2

Toutes les ondes ont-elles besoin d’un milieu pour se déplacer ? Expliquer.

1. Non, les ondes électromagnétiques n’ont besoin d’aucun milieu pour se propager.

2. Non, les ondes mécaniques n’ont besoin d’aucun milieu pour se propager.

3. Oui, les ondes mécaniques et électromagnétiques nécessitent un milieu pour se propager.

4. Oui, toutes les ondes transversales ont besoin d’un milieu pour se déplacer.

réponse

Réponse 1.

Non, les ondes électromagnétiques n’ont besoin d’aucun milieu pour se propager.

Questions 3

Qu’est-ce qu’une impulsion ?

1. Une impulsion est une perturbation soudaine avec une seule onde générée.

2. Une impulsion est une perturbation soudaine avec seulement une ou quelques ondes générées.

3. Une impulsion est une perturbation progressive avec seulement une ou quelques ondes générées.

4. Une impulsion est une perturbation progressive avec une seule onde générée.

réponse

Réponse 1.

Une impulsion est une perturbation soudaine avec une seule onde générée.

Questions N

L’affirmation suivante est-elle vraie ou fausse ? Un caillou tombé dans l’eau est un exemple d’impulsions.

1. Faux

2. Vrai

réponse

Vrai.

Le caillou provoque une impulsion d’onde (une seule vague) et non une onde périodique (une succession de vagues).

Questions 5

Quelles sont les catégories d’ondes mécaniques en fonction du type de mouvement ?

1. Ondes transversales et longitudinales

2. Uniquement les ondes longitudinales

3. Uniquement les ondes transversales

4. Seules les ondes de surface

réponse

Réponse 1.

Il y a les ondes transversales et les ondes longitudinales

Questions 6

Dans quelle direction les particules du milieu oscillent-elles en onde transversale ?

1. Parallèle à la direction de propagation de l’onde transversale

2. Perpendiculaire à la direction de propagation de l’onde transversale

réponse

Réponse 2.

Les particules oscillent perpendiculairement à la direction de propagation de l’onde transversale.
Pour une onde longitudinale, les particules oscillent parallèlement à la direction de propagation.