Un caillou tombe dans une mare : des cercles s’éloignent du point d’impact, mais le bouchon posé sur l’eau ne part pas avec eux, il monte et descend sur place. Ce qui voyage, ce sont les ondes mécaniques : une perturbation qui se transmet de proche en proche en transportant de l’énergie, sans transporter de matière. Du son aux séismes en passant par la houle, la même description scientifique s’applique.
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Qu’est-ce qu’une onde mécanique ?
Une onde mécanique progressive est la propagation d’une perturbation dans un milieu matériel (solide, liquide ou gaz), de proche en proche, sans déplacement d’ensemble de la matière. Chaque point du milieu reproduit, avec un certain retard, le mouvement du point qui le précède.
Trois idées sont à retenir. D’abord, il faut un milieu matériel : le son ne se propage pas dans le vide, contrairement à la lumière. Ensuite, la perturbation transporte de l’énergie : une vague peut casser une digue, une onde sismique peut détruire un immeuble. Enfin, la matière ne voyage pas : chaque point oscille autour de sa position d’équilibre puis y revient.
Ondes transversales et ondes longitudinales
On classe les ondes selon la direction du mouvement des points du milieu par rapport à la direction de propagation.
- Onde transversale : les points se déplacent perpendiculairement à la direction de propagation (onde le long d’une corde, onde sismique S).
- Onde longitudinale : les points se déplacent parallèlement à la direction de propagation, en créant des zones de compression et de dilatation (onde sur un ressort, son dans l’air, onde sismique P).
Ne pas dire que « l’onde transporte de l’eau » ou « de l’air » : seule l’énergie (et l’information) se déplace. Un bouchon sur l’eau oscille sur place pendant que la vague passe.
La célérité : à quelle vitesse se propage l’onde ?
La célérité v d’une onde est la vitesse de propagation de la perturbation. Elle ne dépend pas de la source mais uniquement du milieu (nature, température, tension d’une corde…). On la mesure en repérant le retard τ pris par le signal entre deux points distants de d.
v = d ÷ τ soit τ = d ÷ v
v en m/s, d en m, τ (retard) en s.
| Milieu | Célérité approximative |
|---|---|
| Air à 0 °C | 331 m/s |
| Air à 20 °C | 343 m/s |
| Eau à 20 °C | 1,48 × 103 m/s |
| Acier | 5,9 × 103 m/s |
Deux microphones sont distants de d = 1,20 m. Un claquement est reçu par le second avec un retard τ = 3,5 ms sur le premier. Célérité : v = d ÷ τ = 1,20 ÷ (3,5 × 10−3) ≈ 3,4 × 102 m/s (deux chiffres significatifs, comme la durée).
Ondes périodiques : période et fréquence
Si la source produit une perturbation qui se répète identique à elle-même, l’onde est dite périodique. La période T est la durée d’un motif élémentaire (en secondes). La fréquence f est le nombre de motifs par seconde (en hertz, Hz).
f = 1 ÷ T
f en hertz (Hz), T en secondes (s). Exemple : T = 2,0 ms donne f = 500 Hz.
La fréquence est imposée par la source et ne change pas quand l’onde passe d’un milieu à un autre. La célérité, elle, change.
La longueur d’onde : une double périodicité
Une onde périodique est périodique dans le temps (en un point fixé, le mouvement se répète toutes les T) et périodique dans l’espace (à une date fixée, l’aspect du milieu se répète tous les λ). La longueur d’onde λ est la plus petite distance entre deux points qui vibrent exactement de la même façon (par exemple deux crêtes consécutives). Pendant une période T, l’onde avance d’une longueur d’onde.
λ = v × T = v ÷ f
λ en m, v en m/s, T en s, f en Hz.
Un diapason émet un son de fréquence f = 440 Hz dans l’air à 20 °C (v = 343 m/s). Période : T = 1 ÷ 440 ≈ 2,27 × 10−3 s. Longueur d’onde : λ = v ÷ f = 343 ÷ 440 ≈ 0,78 m.
Retard, phase et opposition de phase
Un point M situé à la distance d de la source S reproduit le mouvement de S avec le retard τ = d ÷ v : son élongation à la date t est celle de la source à la date t − τ. Deux points d’une onde périodique séparés d’une distance d vibrent :
- en phase (mouvements identiques) si d = k × λ, avec k entier (λ, 2λ, 3λ…) ;
- en opposition de phase (mouvements opposés à chaque instant) si d = (k + ½) × λ (λ/2, 3λ/2…).
Sur une corde, λ = 0,50 m et v = 2,0 m/s. Deux points M1 et M2 sont distants de d = 1,25 m. Le rapport d ÷ λ = 1,25 ÷ 0,50 = 2,5 : ils vibrent en opposition de phase. Le retard entre eux vaut τ = d ÷ v = 1,25 ÷ 2,0 ≈ 0,63 s.
Quelques ondes mécaniques à connaître
- Le son : onde longitudinale dans l’air, de fréquences audibles de 20 Hz à 20 kHz environ.
- La houle : onde à la surface de l’eau ; une bouée monte et descend avec la période de la houle.
- Les ondes sismiques : les ondes P (longitudinales, plus rapides) arrivent avant les ondes S (transversales, plus lentes) ; l’écart entre les deux arrivées permet de situer l’épicentre.
L’essentiel à retenir
- Une onde mécanique progressive transporte de l’énergie, sans transport de matière, dans un milieu matériel.
- Elle est transversale si les points oscillent perpendiculairement à la propagation, longitudinale s’ils oscillent dans la direction de propagation.
- La célérité dépend du milieu : v = d ÷ τ.
- La période T (s) et la fréquence f = 1 ÷ T (Hz) sont imposées par la source.
- La longueur d’onde est λ = v × T = v ÷ f : c’est la double périodicité spatiale et temporelle.
- En phase si d = kλ ; en opposition de phase si d = (k + ½)λ.