Les ondes

1. Qu’est-ce qu’une onde ?
2. Propagation et déplacement
3. Propagation et énergie
4. Célérité
5. Les différentes sortes d’ondes
6. Les ondes périodiques

Qu’est-ce qu’une onde ?

Définition: une onde correspond à une “perturbation” temporaire qui se produit en un point de l’espace et qui se transmet à certains points voisins qui eux-même transmettent cette perturbation à leurs voisins et ainsi de suite.

Cette définition amène à préciser la signification du terme “perturbation”.

Il désigne une grandeur physique dont la valeur s’écarte (augmente ou diminue) de celle possédée initialement dans un état d’équilibre.

Quelques exemple de perturbations:

• Comprimer un ressort (perturbation de la longueur)
• Allonger un élastique (perturbation de la longueur)
• Allumer un radiateur dans une pièce de température stable (perturbation de la température)

Cette définition précise aussi que la perturbation en question est “temporaire”, en effet une fois que celle ci est transmise aux points voisins, les grandeurs physiques “perturbées” retrouvent leur valeur initiale et la gardent à moins qu’une nouvelle perturbation ne soit produite survienne.

Propagation et déplacement

Une onde ne transmet pas de la matière mais une perturbation, la matière peut éventuellement se mettre en mouvement et s’écarter temporairement de sa position d’équilibre mais elle retrouve ensuite sa position initiale.

Puisqu’une onde est n’est pas un transfert de matière on ne dit pas qu’elle se “déplace” mais plutôt qu’elle se “propage“.

Propagation et énergie

L’onde ne transmet pas de la matière mais de l’énergie dont la valeur dépend de la nature de la perturbation et de son intensité.

Du fait de la conservation de l’énergie, plus l’onde se répartie dans un espace vaste et moins l’énergie est spatialement “concentrée”. Par conséquent l’énergie transmise en un point de l’espace est en général d’autant plus faible que ce point est distant de la source de perturbation.

Par exemple:

• Un son semble de moins en moins fort au fur et à mesure qu’on s’éloigne de la source sonore.
• La lumière d’une lampe est perçue avec de moins en moins d’intensité si l’on s’en éloigne.

Remarque: il peut s’ajouter à cela des phénomènes d’amortissement c’est à dire qu’une partie de l’énergie transmisse est convertie (en énergie thermique) et ne participe plus à la propagation.

Célérité

Définition: La célérité correspond à la vitesse à laquelle une onde se propage dans un milieu donné

Cette grandeur est notée “c” (minuscule), elle s’exprime dans les mêmes unités qu’une vitesse (en mètre par seconde, kilomètre par heure etc)

Si une onde se propage sur une distance “d” en une durée Δt alors sa célérité est le rapport de cette distance par cette durée d’où la relation suivante:

c = d ÷ Δt

Si la distance est en mètre et la durée en seconde alors la célérité est en mètre par seconde

Si la distance est en km et la durée en heure alors la célérité est kilomètre par heure etc.

Exemple

si une onde se propage sur distance de 10 mètre en deux seconde alors

c = d ÷ Δt

c = 10 ÷ 2

c = 5 m/s

On peut également exprimer la distance de propagation: d = c . Δt

On peut aussi exprimer la durée de propagation : Δt = d ÷ c

La célérité d’une onde dépend:

• de la nature de l’onde (de la grandeur physique perturbée)
• de la nature du milieu (vide, solide, liquide, gaz, métal, bois, etc)
• des caractéristiques physiques du milieu (température, densité, pression…)

Les différentes sortes d’ondes

• Les ondes mécaniques

La perturbation qui se propage consiste en la déformation d’un milieu matériel, qui peut être étiré, comprimé, abaissé, élevé… Par définition une telle onde ne peut pas se propager dans le vide elle nécessite une matière (solide, liquide, ou gazeuse)

Exemple d’onde mécanique:

• une vague ( remarque: le mot onde est traduit en anglais par “wave” qui signifie aussi “vague”)
• ondulation d’un ruban chinois
• ondulation d’un fouet
• son
• onde sismique

Remarque: une ola dans un stade présente certaines caractéristiques d’une onde, à un moment donnée un “colonne” de spectateurs se lèvent puis retrouvent leur position initiale tout en laissant les voisins de la colonne suivante se lever à leur tour et ainsi de suite

• Les ondes électromagnétiques

Elles propagent des variations de “champ” électrique et de “champ” magnétique possibles dans certaines matières mais aussi dans le vide.

Elle peuvent prendre des diverses telles que la lumière visible, les micro-ondes, les ondes radio, les infrarouges, les ultraviolet, la rayons X ou encore les rayons gamma.

• Les onde sonores

Il s’agit d’une catégorie particulière d’ondes mécaniques qui correspondent à la propagation de surpressions dans la matière qui se trouve alors temporairement comprimée puis détendue détendue. Selon leur fréquence il peut s’agir de sons audibles, d’ultrasons ou d’infrasons

Les ondes périodiques

Définition: une onde est dite périodique si la perturbation qu’elle propage se répète de manière identique à intervalles de temps constants.

La périodicité d’une onde dépend en général de la périodicité de sa source et si la source est périodique alors l’onde qu’elle génère possède la même période.

Si par exemple une tige est immergée de deux centimètres pendant 50 secondes, retirée pendant 50 secondes puis que l’opération se répète de manière identique alors les vagues produites sont des ondes périodiques (de période 100 secondes).

Certaines ondes sont systématiquement périodiques, c’est le cas en particulier des ondes sonore et des ondes électromagnétiques.

Comme tout phénomène périodique une telle onde est caractérisée par sa période, sa fréquence et son amplitude mais elle est aussi associée à une autre grandeur: la longueur d’onde qui reflète une périodicités spatiale et pas seulement une périodicité temporelle.