Ondes mécaniques

Chapitre 2 : Ondes mécaniques
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CHAPITRE 2
Ondes mécaniques
I. Généralités
1) Perturbation d’un milieu au repos
Définition d’une perturbation
On appelle perturbation toute modification temporaire et locale d’un milieu.
Expérience : que se passe-t-il si on exerce une perturbation sur un milieu matériel ?
• expérience a : on fait tomber une goutte sur un plan d’eau au repos
• expérience b : on déplace très rapidement et verticalement l’extrémité d’une corde
posée sur un support horizontal
• expérience c : on pince brièvement quelques spires d’un ressort posé horizontalement
Dans ces trois expériences, on observe que :
- la déformation se propage tout au long du milieu matériel
- la déformation est une perturbation, car le milieu matériel revient dans son état initial :
le repos
- globalement, la matière ne s’est pas déplacée
2) Définitions
Définition d’une onde mécanique
On appelle onde mécanique le phénomène de propagation d’une perturbation dans un
milieu matériel sans qu’il y ait transport de matière.
Remarque importante
Une onde mécanique ne peut pas se propager dans le vide, puisque, par définition, elle se
propage au sein de la matière.
Dans les trois expériences, on a donc affaire à une onde mécanique. Le milieu de propagation
de cette onde est :
- la surface de l’eau pour l’expérience a
- la corde pour l’expérience b
- le ressort pour l’expérience c
Définition de la source d’une onde
On appelle source de l’onde l’endroit où naît la perturbation.
Dans les trois expériences, la source de l’onde est :
- le point d’impact de la goutte sur le plan d’eau pour l’expérience a
- l’extrémité de la corde pour l’expérience b
- les spires pincées pour l’expérience c

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3) Nature d’une onde mécanique
Définition d’une onde progressive
Une onde mécanique est dite progressive si la perturbation qu’elle provoque s’éloigne de
plus en plus de la source de l’onde au fur et à mesure que le temps s’écoule.
Remarque
C’est le cas de toutes les ondes vues jusqu’ici (et que l’on verra par la suite en terminale). En
spécialité, seront abordées les ondes stationnaires.
Définition d’une onde mécanique progressive longitudinale
Une onde mécanique progressive est dite longitudinale si la matière affectée par la
perturbation oscille dans la direction de propagation de l’onde.
Dans l’expérience c, on a affaire à une onde longitudinale. En effet, les spires du ressort
oscillent horizontalement au passage de la perturbation et cette perturbation (la zone de
compression) se déplace dans la même direction.
Définition d’une onde mécanique progressive transversale
Une onde mécanique progressive est dite transversale si la matière affectée par la
perturbation oscille dans une direction perpendiculaire à celle de la propagation de
l’onde.
Dans les expériences a et b, on a affaire à une onde transversale. En effet, la corde ou la
surface de l’eau oscillent verticalement au passage de la perturbation, alors que cette
perturbation (la vague) se déplace horizontalement.
Remarque
Si on avait placé un objet flottant sur le plan d’eau, cet objet, au passage de l’onde, oscille
verticalement et ne se déplace pas horizontalement.
Propriété
Aucune onde mécanique transversale ne peut se propager à l’intérieur d’un fluide.
Remarque
On peut avoir une onde mécanique transversale qui se propage à l’interface entre deux fluides.
C’est le cas de l’expérience a.
4) Ondes acoustiques
Les ondes acoustiques regroupent les sons, les infrasons et les ultrasons.
Définition d’une onde acoustique
Les ondes acoustiques sont des ondes mécaniques longitudinales. Elles sont dues à une
compression locale et temporaire du milieu.
Remarque : l’expérience du ressort est une bonne image de l’onde acoustique.
Ex : la vibration de nos cordes vocales engendrent une onde sonore qui se propage dans l’air.
Cette onde fait alors vibrer tout tympan d’oreille rencontré.

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II. Propagation d’une onde mécanique progressive
1) Direction de propagation
Propriété
Une onde mécanique progressive se propage à partir de sa source dans toutes les
directions possibles.
Dans les trois expériences, la propagation de l’onde se fait :
- à la surface de l’eau pour l’expérience a
- le long de la corde pour l’expérience b
- selon l’axe du ressort pour l’expérience c
2) Vitesse de propagation
Définition de la célérité d’une onde mécanique progressive
On appelle célérité d’une onde mécanique progressive la vitesse de propagation de la
perturbation qu’elle provoque.
Propriété
La célérité d’une onde mécanique progressive dépend des caractéristiques du milieu de
propagation :
- sa rigidité (capacité à s’opposer à la déformation)
- son inertie (capacité à s’opposer au changement de mouvement)
Remarques
• Pour un ressort, sa rigidité correspond à sa raideur.
• Sauf en cas de rotation, l’inertie d’un corps correspond à sa masse volumique.
Propriété
La célérité d’une onde mécanique progressive est d’autant plus grande que le milieu de
propagation est rigide.
Ex : de manière générale, une onde mécanique progressive se propage le moins vite dans un
gaz et le plus vite dans un solide. Dans le diamant, très dur, elle se propage très vite.
Milieu de propagation Célérité de l’onde longitudinale
air autour de 300 m.s
-1
eau autour de 1500 m.s
-1
cuivre autour de 5000 m.s
-1
diamant autour de 20000 m.s
-1
Propriété
La célérité d’une onde mécanique progressive est d’autant plus petite que l’inertie du
milieu de propagation est grande.
3) Que transporte une onde mécanique progressive ?
Au passage de la perturbation, le milieu, qui était au repos, est forcé au mouvement, donc
acquiert de l’énergie (cinétique et potentielle). Ensuite, il revient au repos, donc perd ce
surplus d’énergie, qui en fait est cédé à son voisinage, qui lui-même entre en mouvement, et
puis cède à nouveau ce surplus d’énergie à son voisinage pour revenir au repos, et ainsi de

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suite : le surplus d’énergie apporté par la perturbation à la source de l’onde est transporté de
proche en proche dans le milieu matériel.
Propriété
Une onde mécanique progressive ne transporte pas de matière, mais de l’énergie.
4) Superposition de deux ondes
Propriété
Deux ondes mécaniques progressives se croisent sans se perturber : elles s’additionnent
le temps du croisement.
Voici la propagation de deux ondes mécaniques transversales, générées par un mouvement
bref et vertical de chacune des extrémités d’une corde.
La corde est dessinée en gras. Dans la zone de croisement, il est dessiné en trait plus fin la
corde dans le cas où chacune des deux ondes aurait été générée séparément. On se rend alors
bien compte que, dans cette zone, ce que l’on observe est la somme des deux ondes qui
auraient été générées séparément (on retrouve le principe de superposition, vu en fin de 1
ère
).
Les schémas sont à lire de haut en bas, puis de gauche à droite.

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III. Etude d’une onde mécanique progressive à une dimension
1) Définition
Définition d’une onde mécanique progressive à une dimension
Une onde mécanique progressive est dite à une dimension, si sa propagation se fait dans
une seule direction.
Dans les expériences b et c, l’onde générée est à une dimension.
2) Exemple
Levons et abaissons très rapidement l’extrémité d’une corde posée sur un support horizontal.
On observe alors la propagation d’une arche le long de la corde. On a donc généré une onde
mécanique progressive à une dimension.
Ci-dessous figurent 6 clichés de la corde traversée par l’onde. Ils sont pris toutes les 0,08 s.
Le gros point noir représente le sommet de l’arche. C’est lui que l’on va suivre au cours du
temps et qui va nous permettre de calculer la célérité de l’onde.
0
0,5
1
0 0,5 1 1,5 2
x (m)
z (m)
0
0,5
1
0 0,5 1 1,5 2
x (m)
z (m)
0
0,5
1
0 0,5 1 1,5 2
x (m)
z (m)
0
0,5
1
0 0,5 1 1,5 2
x (m)
z (m)
t = 0,08 s t = 0 s
t = 0,16 s t = 0,24 s