P1 Cours : Ondes progressives mécaniques Page 1
P1 : Ondes mécaniques progressives
1. Qu'est ce qu'une onde mécanique ?
Dans une cuve à onde observons la chute d'une goutte d'eau.
Observations : Apparition de vagues circulaires. La surface de l'eau redevient plane après le passage de l'onde.
Interprétation : La surface de l'eau est perturbée temporairement par le passage d'une vague. Le milieu est dit élastique car il revient à son état initial après le passage de l'onde
Observations : Plaçons un bouchon flottant dans la cuve à onde.
Le bouchon subit un déplacement vertical lors du passage de la perturbation mais il n'est pas entrainé vers le bord de la cuve.
Interprétation : La matière n'est pas transportée par l'onde.
Une onde transporte de l'énergie. Elle transporte par exemple l'énergie d'un séisme de son épicentre vers les côtes.
Définition : Une onde mécanique est la propagation d'une perturbation dans un milieu élastique. Il n'y a pas de transport de matière mais transport d'énergie.
Exemples d'ondes mécaniques progressives : houle, onde sonore, onde sismique, vibration d'une corde, ressort
Application 1 : dans les 5 exemples précédents indiquer la nature du milieu matériel élastique, dessiner la perturbation, dans combien de dimensions peut se propager ces ondes ?
Milieu
matériel Dessin perturbation
Nombre de dimension de
propagation Houle
Onde sonore
Les molécules d'air sont mises en mouvement Corde
Ressort
P1 Cours : Ondes progressives mécaniques Page 2 Onde
sismique
Conclusion : Une onde mécanique se propage, à partir de la source, dans toutes les directions de propagation qui lui sont offertes.
2. Différents types d'ondes mécanique 2.1. Onde transversale
Secouons verticalement l'origine O d'une corde tendue horizontalement. La perturbation de courte durée (ou signal) se propage le long de la corde. Chaque point P se soulève verticalement puis reprend sa position initiale alors que le signal se déplace horizontalement le long de la corde. On dit que l'onde est transversale.
Définition : Une onde est dite transversale si elle provoque une perturbation de direction perpendiculaire à la direction de propagation de l'onde.
P1 Cours : Ondes progressives mécaniques Page 3 2.2. Onde longitudinale
Pinçons quelques spires proches de l'origine O d'un ressort tendu horizontalement. La perturbation de courte durée (ou signal) se propage le long du ressort. Chaque point P se déplace horizontalement puis reprend sa place. Le signal se déplace également horizontalement le long du ressort. On dit que l'onde est longitudinale.
Définition : Une onde est dite longitudinale si elle provoque une perturbation de direction parallèle à la direction de propagation de l'onde.
Application 2 : Classer les 5 exemples d'onde vu dans l'application 1 en ondes transversales et ondes longitudinales
Exemples d'ondes transversales Exemples d'ondes longitudinales
Cas particulier des ondes sonores :
Expérience 1 : on place un réveil dans une cloche à vide.
Observation :
Interprétation : Les ondes sonores ont besoin d'un milieu matériel (l'air ici) pour exister : Ce sont des ondes mécaniques.
Expérience 2 : on place une bougie devant un haut-parleur Observation :
Interprétation : l'onde sonore est longitudinale
Le son est une onde mécanique longitudinale de compression dilatation.
Le son peut se propager dans les gaz, les liquides et dans certains solides. (par exemple dans la Terre les ondes P sismiques sont des ondes sonores). Les matériaux non élastiques ne permettent pas la propagation du son et sont appelés des isolants phoniques (par exemple le polystyrène)
Vidéos : http://guilhaumont.fr/opale/ts_p_omp/co/trans.html
P1 Cours : Ondes progressives mécaniques Page 4 3. Caractéristiques d'une onde progressive
3.1. Définitions
Une onde progressive se propage d'un point à un autre en transportant l'énergie. Une onde stationnaire ne transporte pas d'énergie.
3.2. Croisement de deux ondes
Deux ondes peuvent se croiser sans se perturber.
Exemples : cas d'une corde
Cas des ondes sonores
Vidéos : http://guilhaumont.fr/opale/ts_p_omp/co/prop.html
3.3. Vitesse de propagation d'une onde
On appelle vitesse ou célérité d'une onde la vitesse de propagation de la perturbation.
où c est la célérité de l'onde (en m.s-1), d la distance parcourue par la perturbation (en m) pendant la durée (en s)
La célérité d'une onde dépend du milieu de propagation.
Une onde matérielle se propage plus vite dans un milieu plus rigide. Elle se propage moins vite dans un milieu ayant une masse volumique (le milieu est plus difficile à mettre en mouvement, il a une plus grande inertie)
Par exemple pour les ondes sonores :
Milieu de propagation air à 25°C eau fer
Célérité c (en m.s-1) 340 1500 6000
Hello Bonjour
Zone où les
perturbations se superposent : on ne comprend pas
Entend distinctement "Hello"
Entend distinctement "Bonjour"
P1 Cours : Ondes progressives mécaniques Page 5 Application 3 : Calcul du temps de propagation pour entendre un train dans les rails, dans l'air ?distance train-indien = 5,0 km.
Remarque : L'absorption du son dans les solides est plus faible que dans l'air. La propagation dans le rail se fait suivant une dimension contrairement à la propagation du son dans l'air qui se fait dans les 3 dimensions de l'espace.
Application 4 : la vitesse des ondes sismiques est plus grande dans la croute terrestre composé de roches dures ou dans un bassin sédimentaire ?
Application 5 : la vitesse du son est plus grande dans l'huile ou dans l'eau ? Densité de l'huile d = 0,92
3.4. Retard lors de la propagation d'une onde
La perturbation au point M' à l'instant t' est la même que celle qui était présente auparavant au point M.
On appelle retard, τ, le temps nécessaire à la perturbation pour se propager du point M au point M'.
Où MM' est la distance entre les points M et M' (en mètres) et c la célérité de l'onde (en m.s-1)
Application 6 : Sur le graphique 2.1) 1,0 cm représente 20 cm. t1 = 70 ms ; t2 = 140 ms.
Combien de temps met la perturbation pour atteindre le point a ?
Quelle est la distance parcourue par l'onde entre le temps t1 et le temps t2 ?
En déduire la célérité de l'onde entre les temps t1 et t2 ?
En supposant que la célérité de l'onde est constante quel temps sera nécessaire à l'onde pour parcourir le chemin du point b au point c.
En déduire la valeur du temps t3.
Application 7 : Sur le graphique 2.2) 1,00 cm représente 5,00 cm. Δt = t2 – t1 = 40,0 ms.
Quelle est la distance parcourue par l'onde entre le temps t1 et le temps t2 ?
En déduire la célérité de l'onde entre les temps t1 et t2 ?
En déduire le temps t1
