Onde progressive

Dans l'explication précédente, tu t'es déjà initié aux ondes mécaniques. Rappelle-toi qu'une Onde mécanique est une perturbation d'un milieu matériel. Parlant des ondes, elles sont réparties en ondes stationnaires et ondes progressives.

Définition : onde progressive

Les ondes progressives sont des oscillations produites par le transfert d'énergie d'un endroit à un autre. Elles diffèrent des ondes stationnaires en ce qu'elles progressent (se déplacent) dans le milieu dans lequel elles se propagent.

Figure 1. Les vagues océaniques sont un exemple d'ondes mécaniques progressives. Source : Tony Hisgett, Flickr (CC BY 2.0).

Les oscillations produites par les crêtes et les creux de la vague se déplacent d'un endroit à l'autre. Tu peux considérer ces mouvements comme la propagation ou la progression de la vague d'un point A à un point B. Une crête est un point de hauteur maximale, tandis qu'un creux est un point de hauteur minimale de la vague.

Onde progressive — exemple

Les ondes progressives se produisent dans la nature lorsqu'un objet oscille et produit des ondes qui se déplacent dans l'espace. L'espace peut être un liquide, un gaz, un solide ou le vide.

• Parmi les ondes se déplaçant dans un liquide, il y a, par exemple, les vagues de l'océan.
• Parmi les ondes se déplaçant dans un gaz, il y a, par exemple, le son qui se déplace dans l'air.
• Parmi les ondes se déplaçant dans un solide, il y a, par exemple, une Onde mécanique progressive se déplaçant dans le sol après un tremblement de terre.
• Parmi les ondes se déplaçant dans le vide, il y a, par exemple, les Ondes électromagnétiques telles que la lumière provenant du soleil.

Les propriétés des ondes progressives

Lorsque les ondes progressives se déplacent d'un point à un autre, les ondulations se répètent si les ondes sont produites en permanence. Les quatre principales caractéristiques d'une onde progressive sont sa Longueur d'onde, sa période, sa fréquence et sa vitesse.

La longueur d'onde des ondes progressives

Elle est définie comme la longueur entre le début et la fin d'une seule ondulation. Prenons l'exemple d'une onde progressive sinusoïdale comme dessinée dans la figure ci-dessous :

Figure 2. La Longueur d'onde est la longueur totale d'un cycle d'ondes du début à la fin.

La longueur d'onde d'une onde progressive est liée à son énergie. La quantité d'énergie diffère en fonction de la nature de l'onde. Dans les vagues océaniques, les petites longueurs d'onde correspondent à des vagues de faible énergie, tandis que pour les ondes électromagnétiques, les longueurs d'onde plus courtes impliquent des énergies plus importantes.

La période des ondes progressives

La distance entre deux points correspondants de deux ondulations successives n'est autre que la longueur d'onde. Le temps que prend l'onde pour traverser cette distance est appelé la période \(T\), qui est mieux définie comme le temps entre deux crêtes ou deux creux. Elle est mesurée en secondes. Restons dans le même exemple d'une onde progressive sinusoïdale dans la figure ci-contre :

Figure 3. Le temps que met une vague à se déplacer entre les points qui marquent son début et sa fin (points verts) est la période de la vague. Celle-ci peut être calculée comme la différence de temps entre les moments \(t_1\) et \(t_2\).

La vitesse des ondes progressives

Si l'on divise la longueur d'onde par la période de l'onde, on obtient le temps que met l'onde à avancer. C'est la vitesse de l'onde qui se mesure en \(m/s\). \[V=\frac{\lambda}{T}\]

La fréquence des ondes progressives

La période nous indique de combien de secondes l'onde a besoin pour compléter un seul cycle complet. L'inverse de la période nous donne l'inverse de sa définition. Ainsi, l'inverse de la période est défini comme le nombre de cycles complétés en une seule seconde. C'est la fréquence ! \[f=\frac{1}{T}\]

L'unité du SI de la fréquence est le Hertz, \(Hz\).

Le cycle des ondes progressives

Le schéma complet d'une onde, de la crête au creux, est appelé cycle d'onde. La vitesse à laquelle se déplace le cycle d'onde est liée à la fréquence et à la longueur d'onde.

Comment mesure-t-on les propriétés des ondes progressives ?

Pour mesurer les propriétés d'une onde progressive, nous avons besoin d'un point de référence. Les propriétés liées à la longueur d'onde et à la distance crête-à-crête de l'onde nécessitent des points de référence sur les axes horizontal et vertical. Pour trouver les propriétés liées aux cycles des ondes, nous devons commencer par mesurer la durée d'un cycle ou la période de l'onde.

Mesure de la longueur d'onde et de la distance crête-à-crête des ondes.

Pour mesurer la longueur d'onde, nous devons prendre un point de référence et trouver le point qui lui est correspondant dans l'ondulation suivante. La distance entre les deux est la longueur d'onde. Pour simplifier, nous pouvons prendre une crête, qui est plus facile à identifier (comme nous l'avons dit précédemment, la crête et le creux représentent les hauteurs maximale et minimale de la vague). En mesurant la distance entre deux maximums consécutifs, on obtient la longueur d'onde.

Figure 4. La distance entre deux crêtes adjacentes nous donne la longueur d'onde.

Pour mesurer l'amplitude de l'onde, nous devons mesurer la distance entre la crête et le creux, puis la diviser par deux, puisque l'amplitude est la valeur maximale qu'atteint l'onde par rapport à l'axe horizontal.

Figure 5. L'amplitude de l'onde est la moitié de la distance crête-à-crête.

\[H= Max - Min\] \[Amplitude = A=\frac{H}{2}\]

Mesure de la période et de la fréquence des ondes

Pour mesurer les propriétés liées au cycle de l'onde, nous devons mesurer le temps que met cette dernière à se déplacer d'un point à un autre. Là encore, nous devons choisir un point fixe, la crête ou le creux étant les meilleures options.

Si nous mesurons le temps qu'il faut pour passer d'une crête (ou d'un creux) au suivant, nous obtenons la période de l'onde.

Figure 6. La différence de temps entre A et B (deux crêtes) nous donne la période de l'onde. Nous devons mesurer la différence entre \(t_b\) et \(t_a\), ou \(T=t_b - t_a\).