LE MODELE DES ONDES.
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Cette équation présente une
symétrie spatiale
(invariance en changeant
x
en
-x
) et
une
symétrie temporelle
(invariance par renversement du temps).
2°) Ondes stationnaires et ondes progressives.
Une dernière distinction concerne le mouvement global de l'onde. Lorsque les points de vibration maximale (par exemple) se
déplacent (comme dans le cas des rides de l'eau), on parle d'onde progressive.
Lorsque, au contraire, les points de vibration maximale restent immobiles, on parle d'onde stationnaire. Une onde stationnaire
s'obtient en général en faisant interférer deux ondes progressives de même fréquence, se propageant suivant des directions dis-
tinctes. Elle peut également s'obtenir en limitant l'extension spatiale d'une onde progressive, par exemple en intercalant un obstacle
dans le cas d'une onde acoustique, ou en fixant l'une des extrémités dans le cas d'une corde vibrante. Il s'agit d'ailleurs dans les
deux cas du même phénomène, car la limitation de la progression de l'onde donne naissance à une onde réfléchie qui interfère
avec l'onde initiale. Il y a mieux : en bloquant l'extension spatiale de l'onde de toutes parts, on montre que seules les ondes sta-
tionnaires ayant certaines fréquences bien déterminées peuvent subsister (ces fréquences particulières dépendent de la nature et
de la géométrie du volume où les ondes sont confinées). Ces ondes particulières, appelées modes propres du système, intervien-
nent notamment en acoustique pour la production des sons des instruments de musique et en électromagnétisme, pour la con-
ception des cavités des accélérateurs de particules .
Ondes stationnaires :
On cherche des solutions stationnaires à l'équation des ondes, par la méthode dite de séparation des va-
riables sous la forme : (x, t) = f(x).g(t) (découplage des variables d'espace et de temps).
On montre que les solutions physiquement acceptables conduisent à des solutions ondulatoires de la
forme :
(x, t) = [a1cos(t) + a2sin(t)] . [b1cos(kx) + b2sin(kx)],
les constantes a1, a2, b1 et b2 dépendant des "conditions aux limites" (l'analogue des conditions initiales pour
une équation différentielle ordinaire).
Ondes progressives :
Une autre démarche pour résoudre l'équation des ondes consiste à chercher des solutions avec une dé-
pendance spatio-temporelle en x v.t.
On montre que les solutions cherchées s'écrivent sous la forme :
(x, t) = f(x - v.t) + g(x + v.t),
les fonctions f et g étant des fonctions quelconques (au moins toutefois de classe C2).
La dépendance en (x - v.t) représente une propagation vers les x , et vers les x
pour celle en (x + v.t ).
3°) L'onde progressive harmonique (ou monochromatique).
Parmi toutes les fonctions f (ou g) possibles décrivant une onde progressive, on étudie celles dont le pro-
fil est sinusoïdal. On dit aussi: monochromatique dans le langage de l'optique,
ou harmonique dans le langage de la musique.
Par la suite, on notera O.P.H (ou O.P.M.) une Onde Progressive Harmonique (ou Mo-
nochromatique).
Structure d'une O.P.H.
On écrit l'onde sous la forme:
v
x
txAtx
cos).(),(
.
A(x) représente l'amplitude de l'onde (qui peut éventuellement dépendre de la position au point considé-
ré);
est la pulsation temporelle de l'onde. En notant f sa fréquence et T sa période :
.
représente la phase de l'onde; c'est pourquoi
v
est dite "vitesse de phase" de l'onde, souvent no-
tée v.
On note
, la quantité scalaire homogène à une longueur, appelée longueur d'onde, représentant
la période spatiale de l'onde.