Une onde est une perturbation qui se propage d'un endroit à un autre en transportant de l'énergie, sans transporter de matière. Lorsqu'une onde se déplace, les particules du milieu vibrent autour de leur position, mais elles ne voyagent pas avec l'onde.
Il existe deux grandes familles d'ondes.
Les ondes mécaniques ont besoin d'un milieu matériel pour se propager, comme l'air, l'eau ou un solide. Le son, les vagues et les ondes sismiques en sont des exemples.
L'onde d'une goutte d'eau tombée forme des cercles concentriques.
L'onde se déplace mais une balle qui flotte restera au même endroit.
Les ondes électromagnétiques n'ont pas besoin de matière et peuvent se propager dans le vide. Elles comprennent notamment la lumière, les ondes radio, les micro-ondes, les infrarouges, les ultraviolets, les rayons X et les rayons gamma.
Parmi les ondes électromagnétiques, nous trouvons :
Les ondes radio permettent la diffusion de la radio, de la télévision, du Wi-Fi, du Bluetooth, du GPS et de la téléphonie mobile.
Les micro-ondes servent aux fours à micro-ondes mais aussi aux communications avec les satellites.
Les ultrasons sont utilisés pour les échographies médicales, le sonar des bateaux et certains capteurs de distance.
Les rayons X permettent d'observer l'intérieur du corps sans intervention chirurgicale.
Les fibres optiques transportent des informations grâce à la lumière sur de très longues distances.
Caractéristiques des ondes
Chaque onde est caractérisée par plusieurs grandeurs physiques.
L'amplitude mesure l'importance de la perturbation.
La fréquence indique le nombre de vibrations par seconde et s'exprime en hertz (Hz).
La longueur d'onde est la distance qui sépare deux points identiques de l'onde.
La vitesse de propagation dépend de la nature de l'onde et du milieu traversé. Le son se propage dans l'air à environ 340 m/s, alors que la lumière se déplace dans le vide à près de 300 000 km/s.
Au cours de leur propagation, les ondes peuvent être réfléchies, comme un écho sur une montagne, réfractées lorsqu'elles passent d'un milieu à un autre,
ou absorbées par certains matériaux qui récupèrent une partie de leur énergie.
Toutes les ondes, mécaniques ou électromagnétiques ont des caractéristiques communes.
L'amplitude
L'amplitude correspond à l'importance maximale de la perturbation par rapport à sa position d'équilibre. Elle indique à quel point l'onde est “forte” ou “marquée”.
Pour une vague, elle représente la hauteur des crêtes. Pour une onde sonore, une grande amplitude produit un son plus fort. Pour une onde lumineuse, une amplitude plus importante correspond à une lumière plus intense.
L'amplitude est liée à l'énergie transportée par l'onde : plus l'amplitude est grande, plus l'onde transporte d'énergie.
Cette énergie peut provoquer des effets visibles ou mesurables.
Une vague déplace de l'eau, un son fait vibrer un tympan, et la lumière échauffe un objet ou permet la vision. Plus l'amplitude de l'onde est grande, plus l'énergie transportée est importante.
Les ondes périodiques
Certaines ondes se répètent régulièrement au cours du temps. On parle alors d'onde périodique. La perturbation reproduit toujours le même motif après une durée fixe appelée période.
La période, notée T, est la durée nécessaire pour que le phénomène se reproduise une fois complètement. Elle s'exprime en secondes (s).
Plus la période est courte, plus les répétitions sont rapprochées dans le temps. Plus elle est longue, plus les répétitions sont espacées.
C'est le cas d'une corde de guitare qui vibre régulièrement, d'un diapason, des vagues qui arrivent à intervalles constants ou encore de la lumière monochromatique émise par un laser.
En revanche, certaines ondes ne sont pas périodiques. Une explosion, un claquement de mains ou un éclair produisent une perturbation unique. On peut mesurer leur vitesse de propagation, mais elles ne possèdent pas de fréquence ni de longueur d'onde uniques.
La fréquence
La fréquence, notée f, correspond au nombre de répétitions de l'onde chaque seconde. Elle se mesure en hertz (Hz). Une fréquence de 100 Hz signifie que le phénomène se répète cent fois par seconde.
La fréquence est liée à la période par la relation :
f = 1 / T
où f est la fréquence en hertz et T la période en secondes.
Plus la fréquence est élevée, plus les répétitions sont rapides. À l'inverse, une faible fréquence correspond à des répétitions plus espacées.
La longueur d'onde
La longueur d'onde, ou cycle, , notée λ (lambda), correspond à la distance séparant deux points identiques successifs de l'onde, comme deux crêtes successives.
La longueur d'onde s'exprime en mètres (m).
La vitesse de propagation
La vitesse de propagation d'une onde, aussi appelée célérité, correspond à la distance qu'elle parcourt pendant une durée donnée. Le terme célérité est souvent employé en sciences pour éviter toute confusion avec la vitesse d'un objet matériel. En effet, une onde transporte une perturbation. C'est donc la perturbation qui avance, et non la matière elle-même sur de longues distances.
La célérité se calcule avec la relation :
v = d / t
où v est la vitesse de propagation en mètres par seconde (m/s), d la distance parcourue en mètres et t la durée en secondes.
La vitesse d'une onde dépend principalement du milieu de propagation. Par exemple, le son d'une voix et celui d'un instrument de musique se propagent à la même vitesse dans l'air lorsqu'ils parcourent le même trajet.
La vitesse des ondes mécaniques dépend des propriétés du milieu, comme sa densité, son élasticité et parfois sa température.
Le son se propage par exemple à environ 340 m/s dans l'air, 1 500 m/s dans l'eau et plus de 5 000 m/s dans certains solides, comme l'acier.
Les ondes électromagnétiques, comme la lumière, atteignent leur vitesse maximale dans le vide : environ 300 000 km/s, soit 3 × 108 m/s. Dans les matériaux transparents comme le verre ou l'eau, leur vitesse diminue.
Elles gardent la même fréquence, mais leur longueur d'onde diminue.
Relation entre vitesse, fréquence et longueur d'onde
Pour une onde périodique, la vitesse de propagation, la fréquence et la longueur d'onde sont liées par la relation :
v = λ × f
où v est la vitesse de propagation, λ la longueur d'onde et f la fréquence.
Cette relation permet de calculer une grandeur inconnue :
λ = v ÷ f pour calculer la longueur d'onde.
f = v ÷ λ pour calculer la fréquence.
Une onde sonore se propage dans l'air à 340 m/s et possède une fréquence de 170 Hz. Sa longueur d'onde vaut :
λ = 340 ÷ 170 = 2 m.
Deux compressions successives de cette onde sont donc séparées de 2 mètres.
Influence du milieu de propagation
Dans un même milieu, la vitesse de propagation d'une onde est constante. Si la fréquence augmente, la longueur d'onde diminue afin que la relation v = λ × f reste toujours vérifiée.
Ainsi, les sons graves possèdent de grandes longueurs d'onde, tandis que les sons aigus ont des longueurs d'onde plus courtes.
Une onde mécanique peut se propager dans l'air, dans l'eau, dans une corde tendue ou dans un solide. Une même source produit donc la même fréquence, mais la longueur d'onde change selon le milieu, puisque la vitesse change.
Par exemple, un son grave et un son aigu peuvent tous les deux se propager dans l'air, mais ils n'ont pas la même fréquence ni la même longueur d'onde. En revanche, si l'on compare un même son dans l'air et dans l'eau, sa fréquence reste la même, mais sa vitesse et sa longueur d'onde changent.
Lorsqu'une onde pénètre dans un autre milieu, sa vitesse peut changer. Sa longueur d'onde est alors modifiée, tandis que sa fréquence reste identique car elle dépend uniquement de la source qui produit l'onde.
L'atténuation
Au cours de sa propagation, une onde perd souvent une partie de son énergie. On parle alors d'atténuation.
Cette diminution peut être due à l'éloignement de la source, à l'absorption par le milieu ou à la diffusion de l'énergie dans plusieurs directions.
On observe l'atténuation avec la distance lorsqu'un son devient moins fort, une lumière paraît moins intense ou qu'une vague s'affaiblit en avançant.
