Ondes mécaniques

A

Une onde mécanique progressive

• Une onde mécanique est une perturbation qui se propage dans un milieu matériel. Elle peut modifier la position d’un objet lors de son passage grâce à l'énergie qu'elle possède. L'objet déplacé revient ensuite à sa place initiale : l'onde ne le transporte pas.
  


• Une onde mécanique progressive est une perturbation qui se propage identique à elle-même dans un milieu, sans transport de matière mais avec transport d’énergie.

B

Propagation de l’onde

• Une perturbation dans un milieu provoque une déformation.
  ❯ Les molécules ou les atomes vont et viennent autour de leur position initiale, avec un écart maximal appelé amplitude.
  ❯ Ce mouvement est appelé oscillation.
  


• La perturbation se propage de proche en proche : le déplacement local met en mouvement les particules voisines à leur tour poussées, qui poussent les suivantes avant de revenir à leur position initiale.


• Les ondes mécaniques ont donc besoin d’un support pour se propager (l’air, l’eau, le métal, le bois, etc.).

C

Ondes transversales et longitudinales

• Lors du passage de l’onde, les atomes ou les molécules du milieu sont momentanément mis en mouvement.
  
  ❯ Si la perturbation se produit dans une direction perpendiculaire à la direction de propagation de l’onde, on dit que l’onde est transversale.
  
  ❯ Si la perturbation se produit dans la même direction que la propagation, l’onde est dite longitudinale.

A

De l’interaction à la force

• Deux objets sont en interaction s'ils agissent de manière réciproque l'un sur l'autre.


• Chaque action est modélisée par une force, elle-même représentée par un vecteur portant quatre caractéristiques :
  • un sens ;
  • une direction ;
  • une intensité ;
  • un point d’application.

B

La célérité

• La célérité est la vitesse de propagation d'une onde progressive.
  


• Si deux points $\text{A}$ et $\text{B}$ sont séparés d’une distance $d_{\text{AB}}$ avec $\tau$ le retard de l’onde entre $\text{A}$ et $\text{B.}$, alors la célérité de l’onde se calcule : $v=\frac{d_{\text{AB}}}{\tau }$.


• Dans le système international, l’unité est le m·s^-1. Elle dépend du type d’onde et du milieu.

A

Des ondes mécaniques particulières

• Une onde périodique est l'ensemble des ondes successives d'un phénomène périodique.
  

❯ Elle apparait quand la perturbation se répète, identique à elle-même, sur un intervalle de temps régulier appelé période.

❯ Visuellement, un motif se répète.

❯ Une onde périodique de période $T$ (exprimée en s) est aussi caractérisée par sa fréquence $f$ (en Hertz, de symbole Hz) :

$f=\frac{1}{T}$

B

La double périodicité

• Une onde périodique présente une double périodicité :
  
  ❯ un point est soumis régulièrement à la même perturbation : il descend, puis remonte en suivant la forme de l’onde. La durée nécessaire pour retrouver la même position est la période temporelle (notée $T$ et exprimée en secondes) ;
  
  ❯ deux points espacés qui suivent le même mouvement oscillent de la même façon, avec la même amplitude. La distance qui sépare ces points est appelée longueur d’onde ou période spatiale (noté $\lambda$ (lambda) et exprimée en mètre).
  Longueur d’onde $\lambda$ = distance parcourue par l’onde ayant une célérité $v$ pendant une période $T$ :
  $\lambda =v\cdot T.$

❯ Une onde progressive est sinusoïdale si les variations de sa perturbation dans le temps se font en suivant une fonction mathématique de type sinus ou cosinus.

❯ L’onde est définie par son amplitude $A$, sa période et sa valeur à un instant donné ($t=0$, par exemple).

❯ L’onde sonore ci-dessous est une onde de pression : si cette onde est sinusoïdale, c’est que la grandeur physique pression évolue de manière sinusoïdale au cours du temps.

❯ L’élasticité du milieu n’est jamais totale : l’énergie n’est pas intégralement restituée à l’onde. Celle-ci est donc progressivement amortie et son amplitude finit par atteindre la valeur nulle.

❯ L'amortissement n’a pas été étudié ici. Par ailleurs des ondes peuvent se superposer entraînant alors des phénomènes d’interférences qui seront traités en terminale.