Les propriétés des ondes mécaniques - Maxicours

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Les propriétés des ondes mécaniques

Objectifs : Connaître et exploiter les propriétés générales des ondes mécaniques. Définir la célérité d'une onde mécanique.
1. Mécanisme de propagation

Une onde mécanique se propage de proche en proche dans un milieu matériel élastique.
Par exemple, la compression d'un ressort se transmet de spire à spire.

Remarque :
o Les solides permettent la propagation des ondes transversales et longitudinales, alors que,
o les fluides (liquides ou gaz) ne propagent que les ondes longitudinales.
Ainsi, les ondes d'un tremblement de Terre ne se propagent pas dans le coeur terrestre qui est liquide, mais seulement dans la croûte terrestre.

2. Direction d'une onde mécanique

Une onde mécanique se propage, à partir de sa source, dans toutes les directions qui lui sont offertes, ainsi :

o Dans un milieu à une dimension : 
par exemple, une corde ou un ressort, la propagation sera unidirectionnelle.

o Dans un milieu plan :
comme une étendue d'eau ou la croûte terrestre, la propagation sera bidimensionnelle.

o Dans un milieu tridimensionnel :
comme l'air, l'océan, la propagation se fera dans toutes les directions de l'espace considéré.
3. Célérité d'une onde mécanique

La propagation d'une onde dans un milieu matériel se fait toujours à la même vitesse pour tous les petits mouvements, quelle que soit leur amplitude.

Dans le cas d'une onde, la vitesse est appelée célérité.
Pour une onde qui parcourt une distance d (en mètres) pendant une durée t (en secondes), la célérité V (en m. s-1) s'exprime par la relation V=d/t.

Propriétés :

Plus un milieu est inerte et moins les ondes mécaniques s'y propagent vite (plus la célérité de l'onde est faible).
L'inertie d'un corps augmente avec la masse de ce corps (exemple : l'inertie de l'air augmente avec la pression de l'air).

o Plus la rigidité d'un milieu est grande, plus les ondes mécaniques s'y propagent vite (plus la célérité est grande).
Plus un corps résiste à la déformation, plus il est rigide (exemple : l'acier est plus rigide que le caoutchouc).

4. Transport d'énergie
Une onde mécanique transporte de l'énergie sans transport de matière. Cette énergie a été fournie au milieu matériel par la source de l'onde.

Remarque :
Si on néglige la perte d'énergie au cours de la propagation, on peut considérer que l'énergie se conserve. Ainsi, dans un milieu à une dimension, l'amplitude de la déformation est constante quelle que soit la distance de la source.

Par exemple, en comprimant quelques spires d'un ressort, on lui fournit de l'énergie. Lorsque le ressort se détend, les spires cèdent cette énergie aux spires voisines. De proche en proche, toutes les spires s'écartent de leur position d'équilibre et l'énergie se propage ainsi sans perte jusqu'au bout du ressort.

Par contre, dans un milieu bidimensionnel ou tridimensionnel, au cours de la propagation l'énergie se répartie sur une surface ou un volume de plus en plus grand. L'énergie qui arrive en un point donné est donc d'autant plus faible que l'on s'éloigne de la source et par conséquent, l'amplitude de la déformation est d'autant plus faible.

Par exemple, lorsqu'une pierre est jetée à la surface d'une étendue d'eau, une déformation se créée et se propage à la surface de l'eau. Plus cette déformation s'éloigne de la source, plus l'amplitude de cette dernière diminue.

5. Superposition d'ondes

Deux ondes mécaniques peuvent se croiser sans se perturber.
Au croisement, les amplitudes des deux ondes s'ajoutent algébriquement, puis après le croisement chaque perturbation reprend sa forme initiale et continue à se propager sans avoir subi de modification.


L'essentiel

La célérité, V, d'une onde mécanique est caractéristique du milieu matériel. Elle est d'autant plus grande que le milieu est rigide et d'autant plus faible que le milieu est inerte.

V = d/t avec :
o d = distance en m ;
o t = durée en s ;
o V = célérité de l'onde en m.s-1.

 

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