1.

Présentation

ondulatoire, mouvement, transfert d'énergie d'un point à un autre sans transfert de matière, par la propagation d'ondes mécaniques ou électromagnétiques.

Cette oscillation ondulatoire peut affecter des molécules de gaz — comme le font les ondes sonores dans l'atmosphère —, les molécules d'un liquide, comme les vagues à la surface de la mer, ou les atomes d'un solide, comme les ondes qui se propagent le long d'une corde ou d'un ressort. Dans tous les cas, les particules de matière ne font qu'osciller autour d'une position d'équilibre, l'énergie de la vibration se déplaçant au cours du processus. De telles ondes sont appelées mécaniques lorsque l'énergie est transmise par le biais d'un support matériel. Seule l'onde électromagnétique se dispense de support : ses oscillations affectent des champs électriques et magnétiques, sans nul besoin d'un milieu solide, liquide ou gazeux. (Voir électronique).

2.

Les différents types d'ondes

Les ondes sont classées selon leur mode de vibration, déterminé par rapport à leur direction de propagation. Lorsque la vibration est parallèle à la direction du mouvement, l'onde est dite longitudinale. Ce type d'onde a nécessairement besoin d'un support matériel pour se propager, générant sur son passage des états alternatifs de compression (densité et pression maximales) et de raréfaction (densité et pression minimales). Les ondes sonores sont un bon exemple d'ondes longitudinales, les molécules de l'air se densifiant et se raréfiant de façon ondulatoire entre la source sonore et l'oreille de l'observateur.

L'onde est transversale lorsque les vibrations se manifestent à angle droit par rapport à la direction de propagation. Une onde transversale peut être mécanique, comme celle qui fait vibrer une corde tendue, ou électromagnétique, comme c'est le cas pour la lumière, les rayons X et les ondes radio (la vibration des champs électriques et magnétiques s'y effectue à angle droit par rapport à la direction de propagation de l'onde).

De nombreux mouvements ondulatoires, comme ceux que l'on observe à la surface d'un liquide, sont une combinaison de mouvements longitudinaux et transversaux. Lors du passage d'une vague, par exemple, les molécules du liquide effectuent un mouvement en boucle, retournant à leur point de départ sans déplacement matériel, alors que l'onde, elle, se propage.

3.

Amplitude, fréquence et longueur d'onde

Une onde peut être définie par trois grandeurs : son amplitude, sa longueur d'onde et sa fréquence. Dans la vibration transversale d'une onde mécanique, l'amplitude représente son déplacement ou « battement » maximal par rapport à l'axe de propagation. Dans le cas d'une onde électromagnétique, l'amplitude représente l'intensité maximale du champ électrique ou magnétique associé.

La longueur d'onde d'un mouvement ondulatoire est définie, pour sa part, comme étant la distance entre deux points semblables de deux cycles successifs, comme par exemple entre deux points d'amplitude maximale (appelés ventres) ou entre deux points d'amplitude minimale (appelés nœuds). Dans le cas d'une onde longitudinale, la longueur d'onde est définie de façon similaire comme étant la distance entre deux compressions ou deux raréfactions successives.

Les ondes, tant transversales que longitudinales, se déplacent à des vitesses données. On appelle fréquence du mouvement ondulatoire le nombre de cycles qui se succèdent en un point donné par unité de temps. Une équation simple établit que la fréquence d'une onde est égale à sa vitesse divisée par sa longueur d'onde : elle correspond donc au nombre de vibrations par seconde, dont l'unité est le hertz (Hz), du nom du physicien allemand Heinrich Hertz.

4.

Comportement des ondes

La vitesse de propagation d'une onde dans un milieu dépend de l'élasticité et de la densité de ce dernier. Une onde transversale, par exemple, se déplace sur une corde tendue à une vitesse qui dépend de la tension de la corde et de sa masse par unité de longueur. Pour doubler la vitesse de l'onde, il faut multiplier la tension de la corde, ou diviser sa masse par quatre ; de même pour réduire la vitesse de moitié, il faut quadrupler la masse de la corde ou diviser sa tension par quatre. Les ondes électromagnétiques, pour leur part, ont une vitesse dans le vide de près de 300 000 km/s, appelée vitesse de la lumière. Toutefois, cette vitesse diminue lorsque les ondes électromagnétiques traversent un milieu matériel, comme l'air de l'atmosphère, l'eau ou un cristal.

Lorsque deux ondes se rencontrent en un point, le déplacement résultant est la somme géométrique des déplacements produits par chacune des deux ondes. Si les deux vibrations ont lieu dans la même direction, elles se renforcent et leurs amplitudes s'additionnent. Si les vibrations sont dans des directions opposées, les ondes se combattent et leurs amplitudes se soustraient, phénomène appelé interférence. Voir aussi Diffraction.

Lorsque deux ondes de même longueur d'onde et de même amplitude se déplacent à la même vitesse mais dans des directions opposées, on obtient des ondes stationnaires. Par exemple, si une corde est attachée à un mur par l'une de ses extrémités et secouée à l'autre bout, des ondes se déplacent jusqu'au mur où elles rebondissent en sens opposé. Si la réflexion est parfaitement efficace, l'onde réfléchie est décalée par rapport au train d'ondes incident d'une demi longueur d'onde. Des interférences ont alors lieu et le déplacement résultant en tout point et à tout moment se trouve être la somme des déplacements individuels des ondes. On observe qu'il n'y a pas de mouvement aux points où les crêtes de l'onde incidente se superposent aux creux de l'onde réfléchie. Mais à mi-chemin entre de tels nœuds, les ondes se rencontrent en phase, c'est-à-dire que les crêtes se superposent l'une l'autre, de même que les creux. En ces points, l'amplitude de l'onde résultante est alors deux fois plus grande que celle de l'onde incidente. Globalement, la corde se trouve divisée en sections (mesurant une longueur d'onde) par les nœuds qui ne se déplacent pas le long de la corde, alors qu'entre les nœuds, la corde vibre de manière transversale et amplifiée.

Les ondes stationnaires affectent notamment les cordes des instruments de musique. Une corde de violon vibre dans son ensemble lorsqu'on lui applique l'archet ou qu'on la pince, les deux extrémités constituant des nœuds auxquels s'ajoutent d'autres nœuds à la moitié, aux tiers et aux autres fractions de la longueur de la corde, l'ensemble vibrant de concert. La plus longue vibration produit la note de musique fondamentale, les vibrations superposées de plus courtes longueurs d'onde produisant les différentes harmoniques.

En mécanique quantique (voir Quantique, théorie), la structure de l'atome peut s'expliquer par analogie avec un système d'ondes stationnaires. Ainsi les dernières percées de la physique moderne s'appuient sur la théorie des ondes et des mouvements ondulatoires.

Voir Séisme ; Optique.