Onde

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Propagation d'une onde.

Des ondes ce sont des oscillations de natures possibles très diverses qui se propagent comme sur la figure dans l'espace, soit dans un milieu, soit dans le vide et le résultat est qu'elles transportent un déplacement d'énergie.

Une onde est constituée d'éléments serrés qui poussent leurs voisins à tout de rôle pour avoir de la place et ainsi de suite, ce qui détermine la vitesse de déplacement de l'onde, fixée par le temps de déplacement de chaque élément plus le temps de transfert de la poussée au voisin. Mais chaque élément reste après à sa place originale immobile, seule la poussée se propage. Il n'y a pas déplacement du milieu.

Chaque domino tombe poussé par son voisin en une vague qui se propage, mais reste au même endroit après comme pour une vague sur l'eau

Une analogie très visible et évidente est celui de dominos alignés qui tombent les uns après sur les autres sous forme d'une onde de chutes mutuelles avec une vitesse de propagation ou de déplacement déterminée par ce temps de chute sur le voisin, donc comme fixé par la gravitation.

Par exemple, si on lance un caillou sur une surface d'eau, un lac ou un bassin, à l'endroit où le caillou heurte l'eau, celle-ci est poussée de tous les cotés surtout vers le bas avec le caillou, puis remonte au dessus du caillou qui descend au fond de l'eau. Mais une fois que le caillou est sous l'eau, l’eau qui remonte au dessus du point d'impact par inertie ne se contente pas de redescendre à sa place. Ce mouvement que l'eau a commencé de faire en poussant l'eau plus loin se continue sous forme d'une vague à la surface de l'eau comme sur la figure, en cercles qui vont loin.

Alors qu'à l'endroit où le caillou est entré dans l'eau, la surface de l'eau redevient bien lisse, l'ondulation de l'eau qui a démarré de là continue de se déplacer dans toutes les directions. On voit un cercle qui s'agrandit. Toutefois, ce cercle qui se déplace n'est pas du à l'eau qui a été heurtée par le caillou qui s'enfuirait à toute vitesse, mais à la transmission du mouvement de cette eau sous forme de vague qui s'éloigne petit à petit de l'endroit du choc.

La vitesse de propagation d'une vague sur l'eau est due à la gravitation terrestre comme pour les dominos, avec la même loi de propagation, plus l'eau est profonde plus elle est rapide. Comme pour les dominos la vitesse croit avec la hauteur des dominos ou la profondeur de l'eau (exactement en racine carrée fixée par le temps de chute de la hauteur de chaque domino ou de l'eau sur la profondeur). Dans la mer de 4km de profondeur d'un raz-de-marée la vitesse est très rapide comme un avion à plus de 100m/s exactement comme si on avait des dominos de 4km de haut séparés par une distance d'un peu moins de 4km.

Onde se propageant sur une corde visible.

Catégories d'ondes[modifier | modifier le wikicode]

On peut classer les ondes en deux catégories :

Les ondes mécaniques[modifier | modifier le wikicode]

Ce sont les ondes qui ont besoin d'une matière (d'un milieu) pour se déplacer.

En plus des vagues à la surface de l'eau ou dans toute la profondeur d'eau (raz-de-marée), on peut citer dans cette catégorie :

  • les secousses des tremblements de terre qui produisent des ondes sonores puissantes dans le sol (vibrations infrasons de 5 à 15 fois par seconde qui partent de l'épicentre) ;
  • le son. Pendant qu'un son se produit, les molécules de l'air sont compressées et dilatées plusieurs fois par seconde. L'oreille humaine perçoit les compressions et dilatations de l'air entre 25 fois par seconde pour les sons très graves et 16 000 fois par seconde pour les sons très aigus.

Un son peut se propager dans l'eau, dans un métal, il peut traverser une vitre en la faisant vibrer, mais le son ne peut pas se propager dans le vide, il lui faut de la matière pour se propager.

Les ondes électromagnétiques[modifier | modifier le wikicode]

Les rayonnements électromagnétiques parmi lesquels on peut citer les ondes radio, les infrarouges, la lumière visible, les ultraviolets et les rayons X et gammas très énergétiques, n'ont pas besoin de matière pour se propager et peuvent le faire dans le vide. Ainsi, nous pouvons profiter la la lumière et de la chaleur su soleil, ou la nuit, voir de très lointaines étoiles. On peut aussi communiquer avec des satellites et des vaisseaux spatiaux qui sont quelquefois très loin de la Terre.

Caractéristiques[modifier | modifier le wikicode]

Les caractéristiques principales d'une onde sont sa vitesse de propagation (ou célérité) et sa fréquence. On donne également la longueur d'onde, qui peut se calculer avec les deux premières valeurs, et qui est surtout employée pour les rayonnements électromagnétiques comme les ondes radio.

Vitesse de propagation[modifier | modifier le wikicode]

Onde d'une secousse avançant sur une corde.

On appelle la vitesse de propagation d'une onde sa célérité, pour ne pas confondre avec la vitesse de déplacement d'un vrai objet, puisque dans le cas d'une onde, la matière comme un nageur dans les vagues a un petit mouvement, mais qui n'est pas un déplacement à la vitesse de l'onde qui passe en faisant monter et descendre le nageur.

La célérité d'une vague sur l'eau en surface se voit facilement et n'est pas très élevée ; on peut marcher ou courir à la même vitesse. Dans une bassine peu profonde les vaguelettes vont moins vite à quelques cm par seconde ; La vitesse d'une vague dépend de sa longueur d'onde et de la profondeur.

Elle ralentit si la profondeur de l'eau est réduite comme au bord de la mer sur une plage. La vague s'écrase, car le haut de la vague avec plus de profondeur continue plus vite que le bas de la vague moins profond freinée par le sable. Mais à grande profondeur, une vague de fond sur 4km de profondeur comme un tsunami ou raz-de-marée après un tremblement sous marin à plus de 4km de profondeur avance très vite, à plus de 100m par seconde, comme un avion, et au bord de la plage elle devient énorme, destructrice, et gonflée par son ralentissement à faible profondeur à quelques mètres par seconde.

La célérité du son est nettement plus importante, environ 340 mètres par seconde ou 1 200 kilomètres par heure, mais on peut assez facilement la mesurer avec un chronomètre et en connaissant la distance d'où vient un son (en faisant une division).

Une vague sur l'eau est assez similaire à un vague de dominos comme sur la figure, car plus les dominos sont grands ou hauts pour tomber de très haut les uns sur les autres, plus la vague a une grande vitesse, et par le même mécanisme de chute les vagues dans l'eau aussi vont bien plus vite si elles remuent l'eau sur une grande profondeur.

La célérité la plus rapide possible d'une onde est la vitesse de la lumière, environ 300 000 kilomètres par seconde.

Fréquence[modifier | modifier le wikicode]

C'est le nombre de fois que l'onde oscille par seconde. Son unité est le hertz noté Hz. S'il y a une vague par seconde, la fréquence est de 1 Hz. S'il y a deux vagues par seconde, la fréquence est de 2 Hz.

Les sons que l'on peut entendre ont des fréquences d'environ 25 Hz à 16 000 Hz. Les fréquences les plus faibles correspondent aux sons très graves, les fréquences élevées à des sons très aigus.

Les ondes radio FM ont une fréquence de 88 000 000 à 108 000 000 vibrations par seconde soit 88 MHz à 108 MHz. Les ondes des téléphones mobiles sont autour du Gigahertz (milliard d'oscillations par secondes).

Longueur d'onde[modifier | modifier le wikicode]

Vagues en bord de mer, la longueur entre deux sommets est la longueur d'onde.

La longueur d'onde est la distance entre deux "vagues" de l'onde. Plus elles sont rapprochées, plus la longueur d'onde est faible (et donc la fréquence élevée) et plus elles sont éloignées, plus la longueur d'onde est grande (et la fréquence faible).

La longueur d'onde est notée λ (lambda) et peut se calculer en fonction de la fréquence F de l'onde et de sa vitesse de propagation V :

Interférences[modifier | modifier le wikicode]

Interference of Waves.jpeg
bulle de savon avec interférences colorées
bulle de savon avec interférences colorées

Les ondes peuvent être superposées et réaliser des interférences, par exemple en faisant des vagues en jetant deux pierres en même temps dans une mare, une bassine, ou lorsque elles suivent deux chemins différents pour arriver au même endroit derrière une barrière comme une pile de pont. Voir le lien interférences très visuel.

Les interférences sur la mer si constructives avec la même phase augmentent leurs amplitudes au point de démolir des gros bateaux dans les tempêtes (vagues scélérates énormes). Si opposées en phase, elles peuvent donner un quasi calme plat momentané à certains endroits ou moments.

Les interférences peuvent aussi être sonores avec battements audibles entre deux fréquences presque identiques émises par deux instruments de musique pas tout à fait accordés entre eux.

En recevant mal la télévision ou la radio sur une antenne portative on observe ces interférences en recevant mal la télé à certains endroits et bien mieux en d'autres endroits séparés les plus proches les uns des autres d'une demi longueur d'onde. En effet on passe d'une différence de phase nulle à opposée de 180°. Ainsi, si on ne reçoit pas trop bien, on peut mesurer la longueur d'onde télévision facilement, de l'ordre de 50 cm. Pareil pour les sons avec un sonomètre. Pareil pour la lumière avec les yeux ou une photodiode.

Avec un téléphone portable en affichant le niveau reçu des ondes micro-ondes on peut voir les interférences et la longueur d'onde de l'ordre de 30 cm pour un giga- Hertz en fréquence (milliard d'oscillations par seconde ).

interférence sur film de savon ou d'huile
interférence sur film de savon ou d'huile

L'existence d'interférences observées est une preuve de l'existence d'ondes, comme découvert en 1927 pour les particules de matière, électrons et atomes, très étrange mais réelle, observation à la base de la mécanique quantique.

Une fine couche d'huile qui est tombée sur une flaque d'eau donne des irisations de couleurs qui sont des interférences de la lumière provoquées par la fine couche d'huile entre les deux surfaces d'huile séparées de quelques microns.

Sur les bulles de savon fines on voit toutes sorte de couleurs qui sont des interférences de la lumière par la fine épaisseur de la bulle de savon.

Liens internes[modifier | modifier le wikicode]

Tu peux lire la définition de onde sur le Dico des Ados.
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