Ondes mécaniques

Lorsque l'on jette un caillou sur la surface parfaitement calme et plane de l'eau d'un lac, on crée une perturbation : une ou plusieurs petites vagues circulaires se forment, dont le diamètre grandit. Cette perturbation se propage dans le milieu aquatique. Au bout de quelques instants le calme revient, la perturbation est passée.

Une perturbation qui se propage dans un milieu matériel s'appelle une onde mécanique. Cette perturbation peut modifier la position d'un objet lors de son passage : elle possède donc de l'énergie. Ensuite, l'objet déplacé retourne à sa place initiale : l'onde ne le transporte pas avec elle.

Exemple : un bateau est soulevé par la vague de la houle mais n'est pas emporté avec elle sur tout son trajet horizontal (doc. 1).

Une onde mécanique progressive est une perturbation qui se propage dans un milieu, sans transport de matière mais avec transport d'énergie.

Le bateau bouge localement verticalement mais revient à sa position initiale après passage de l'onde.

Lorsqu'un évènement perturbe un milieu, ce milieu subit localement une déformation : les molécules ou les atomes se déplacent. Ils vont et viennent autour de leur position initiale, avec un écart maximal appelé amplitude. Ce mouvement est appelé oscillation.

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

On en conclut que les ondes mécaniques ont besoin d'un support pour se propager (l'air, l'eau, le métal, le bois, etc.).

• Perturbation : bouleversement, modification d'un équilibre ou d'une situation invariable jusque-là.
• Propagation : fait de se déplacer, de s'étendre.
• Amplitude : écart entre la valeur maximale d'une grandeur et sa valeur moyenne « au repos ».
• Élongation : distance entre la position actuelle d'un point et sa position d'équilibre.

Le déplacement local des particules du milieu et celui de l'onde sont perpendiculaires.

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 (doc. 2). Si la perturbation se produit dans la même direction que la propagation, l'onde est dite longitudinale (doc. 3).

Retrouvez plus d'informations sur des ondes mécaniques particulières :

les ondes sonores en Enseignement scientifique

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Le déplacement local des particules du milieu et celui de l'onde ont la même direction.

Une onde progressive qui se propage atteint un point A à un instant t_{\mathrm{A}}, puis un point B à un instant t_{\mathrm{B}}.

Le décalage temporel entre ces instants est appelé retard et noté \tau (tau). Il s'exprime en seconde dans le système international.

Le retard est la durée nécessaire à l'onde progressive pour parcourir la distance d entre 2 points A et B du milieu de propagation (doc. 4).


Le retard peut être mesuré pour n'importe quelle valeur de la perturbation véhiculée par l'onde.

• Célérité : vitesse de propagation de la perturbation, pour un phénomène ondulatoire.

• Une onde peut-elle ne pas être progressive ? Oui, certaines ondes sont qualifiées de stationnaires. Elles résultent de la superposition de plusieurs ondes de même fréquence.


• Attention aux unités dans les calculs (vitesses en m·s^-1, distances en m, durées en s).

On lance une pierre dans un lac et elle tombe dans l'eau à une distance L=9\text{,}3 m de la rive.
Calculer le retard de l'onde créée à la surface de l'eau, quand elle arrive sur le rivage, si sa célérité est v=5\text{,}0 km·h^-1.

Visualisez une

onde stationnaire

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Lorsque le phénomène qui crée l'onde est périodique (vibration des ailes d'un moustique, gouttes qui tombent d'un robinet sur la surface de l'eau dans l'évier, etc.), les différentes ondes successives n'en forment plus qu'une appelée onde périodique.


Une onde périodique apparaît quand la perturbation se répète, identique à elle-même, sur un intervalle de temps régulier appelé période. Visuellement, un motif se répète (voir doc. 5).

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

Un motif qui se répète est représenté en rouge.

Une onde périodique présente une double périodicité :

• un point, à un instant sur un « sommet » de l'onde périodique, 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) (doc. 6) ;
• deux points espacés qui suivent le même mouvement oscillent de la même façon, avec la même amplitude, en raison de la régularité de l'onde. La distance qui sépare ces points est appelée longueur d'onde ou période spatiale. On la note \lambda (lambda) et elle s'exprime en mètre.

La longueur d'onde \lambda est la distance parcourue par l'onde ayant une célérité v pendant une période T : \lambda=v \cdot T.

Si le phénomène physique qui crée l'onde varie de manière sinusoïdale, l'onde a alors une forme de « sinusoïde » (doc. 7).


Les trois bateaux oscillent simultanément de façon identique. Le bateau rouge et le vert sont séparés d'une longueur d'onde.

• Période : durée au bout de laquelle le phénomène périodique se reproduit de manière identique. Notée T, en s.
• Fréquence : nombre de périodes dans une seconde. Notée f, en Hz :
  1 Hz =\dfrac{1}{s}=1 s^-1.
• Longueur d'onde : plus petite distance entre deux points du milieu qui oscillent simultanément de manière identique.

Le ballon suit la forme de la vague (sinusoïdale ici) et revient à sa position initiale régulièrement.

• Il existe une période spatiale et une période temporelle. Si l'énoncé ne précise pas de laquelle il s'agit, par défaut le mot période désigne la période temporelle.


• Sur un graphique sauf exception, la période temporelle ou la période spatiale se mesurent à partir de l'axe des abscisses.