Physique-Chimie (Spé) — Ondes et signaux
Les ondes mécaniques
Ondes transversales, longitudinales, célérité, période, longueur d'onde
Résumé synthétiqueFiche en 4 sectionsQuiz de 10 questionsGratuit, sans pub
Résumé
Une onde mécanique est une perturbation qui se propage dans un milieu matériel sans transport de matière. On distingue les ondes transversales (la perturbation est perpendiculaire à la direction de propagation, comme une vague ou une onde sur une corde) et les ondes longitudinales (la perturbation est parallèle à la direction de propagation, comme le son). Une onde périodique se caractérise par sa période T (durée d'un cycle, en secondes), sa fréquence f = 1/T (nombre de cycles par seconde, en hertz), sa longueur d'onde λ (distance parcourue pendant une période) et sa célérité v (vitesse de propagation dans le milieu). La relation fondamentale est λ = v × T = v/f. La célérité dépend du milieu : le son se propage à environ 340 m/s dans l'air (20°C), 1 500 m/s dans l'eau et 5 000 m/s dans l'acier. Plus le milieu est dense et rigide, plus le son est rapide. L'amplitude de l'onde détermine son intensité (volume du son, hauteur de la vague). La fréquence détermine la hauteur du son : grave (basses fréquences, ~20 Hz) à aigu (hautes fréquences, ~20 000 Hz). Les ultrasons (> 20 kHz) et les infrasons (< 20 Hz) sont inaudibles pour l'oreille humaine.
Une onde mécanique transporte de l'énergie d'un point à un autre sans transporter de matière. C'est ce qui explique pourquoi un bouchon posé sur l'eau monte et descend quand une vague passe, mais ne se déplace pas avec elle.
- Onde mécanique : perturbation qui se propage dans un milieu MATÉRIEL (ne se propage pas dans le vide)
- Il y a propagation d'ÉNERGIE, mais PAS de transport de matière (le bouchon sur l'eau monte et descend mais n'avance pas)
- Onde transversale : la perturbation est perpendiculaire à la direction de propagation (corde, vague, séisme S)
- Onde longitudinale : la perturbation est parallèle à la propagation (son, ressort comprimé, séisme P)
- Le son est une onde longitudinale : compression-dilatation de l'air
- Onde progressive : se propage à partir de la source dans toutes les directions possibles
- Onde périodique : le motif se répète identique à intervalles réguliers
- Contre-exemple : un claquement de mains produit une onde non périodique (impulsion unique)
Exemple
Lors d'un séisme, les ondes P (longitudinales, v ≈ 6 km/s) arrivent avant les ondes S (transversales, v ≈ 3,5 km/s). Si les ondes P arrivent 30 s avant les ondes S, on peut estimer la distance de l'épicentre : d = Δt × (v_P × v_S)/(v_P − v_S) = 30 × (6 × 3,5)/(6 − 3,5) = 30 × 8,4 = 252 km.
Piège à éviter
Une onde mécanique ne se propage PAS dans le vide (elle a besoin de matière). Ne pas confondre avec les ondes électromagnétiques (lumière, radio) qui, elles, se propagent dans le vide.
Période, fréquence, longueur d'onde et célérité : ces quatre grandeurs suffisent pour décrire complètement une onde périodique. La relation fondamentale λ = v × T = v/f les relie toutes.
- Période T : durée d'un cycle complet (en secondes, s)
- Fréquence f = 1/T : nombre de cycles par seconde (en hertz, Hz)
- Exemple : un diapason La → f = 440 Hz → T = 1/440 ≈ 2,27 ms
- Longueur d'onde λ : distance parcourue par l'onde pendant une période (en mètres)
- Célérité v : vitesse de propagation de l'onde dans le milieu (en m/s)
- Relation fondamentale : λ = v × T = v / f
- Amplitude : hauteur maximale de la perturbation (détermine l'intensité / le volume du son)
- Exemple : son dans l'air à 440 Hz → λ = 340/440 ≈ 0,77 m
Exemple
Une corde vibrante produit une onde de fréquence f = 200 Hz et de célérité v = 40 m/s. Longueur d'onde : λ = v/f = 40/200 = 0,20 m = 20 cm. Période : T = 1/f = 1/200 = 5,0 × 10⁻³ s = 5,0 ms. En 1 seconde, 200 motifs identiques passent en un point donné de la corde.
Piège à éviter
La longueur d'onde λ est une DISTANCE (en mètres), pas un temps. C'est la distance parcourue par l'onde pendant exactement une période T. Ne pas confondre λ (spatial) et T (temporel).
La vitesse de propagation (célérité) d'une onde mécanique dépend du milieu traversé, pas de la source. Le son va environ 4,4 fois plus vite dans l'eau que dans l'air, et 15 fois plus vite dans l'acier.
- La célérité dépend du MILIEU, pas de la fréquence (pour les ondes mécaniques non dispersives)
- Son dans l'air (20°C) : v ≈ 340 m/s. Dans l'eau : v ≈ 1 500 m/s. Dans l'acier : v ≈ 5 000 m/s
- Plus le milieu est dense et rigide, plus la célérité est élevée
- La vitesse du son dans l'air augmente avec la température (~0,6 m/s par °C)
- L'éclair et le tonnerre : la lumière arrive quasi instantanément, le son met ~3 s par km de distance
- Retard temporel : Δt = d/v (temps que met l'onde pour parcourir la distance d)
- Exemple : orage à 2 km → le tonnerre arrive après 2000/340 ≈ 5,9 s
- Les ondes sismiques P (longitudinales) sont plus rapides que les ondes S (transversales) → arrivent en premier
Exemple
Un orage éclate. Vous voyez l'éclair et entendez le tonnerre 4 secondes plus tard. Distance de l'orage : d = v × t = 340 × 4 = 1 360 m ≈ 1,4 km. Règle rapide : diviser le nombre de secondes par 3 pour avoir la distance en km (4/3 ≈ 1,3 km).
Piège à éviter
La célérité d'une onde mécanique dépend du MILIEU, pas de la fréquence (pour les ondes non dispersives). Un son grave et un son aigu se propagent à la même vitesse dans l'air. Ne pas confondre célérité et fréquence.
L'oreille humaine est un récepteur remarquable mais limité : elle ne perçoit que les fréquences entre 20 Hz et 20 000 Hz, et l'échelle des décibels traduit sa sensibilité logarithmique à l'intensité sonore.
- Le son est une variation de pression de l'air qui se propage
- Domaine audible humain : 20 Hz à 20 000 Hz (20 kHz)
- Infrasons (< 20 Hz) : produits par les séismes, éléphants, éoliennes. Inaudibles mais ressentis
- Ultrasons (> 20 kHz) : utilisés en échographie médicale, sonar, nettoyage. Perçus par les chauves-souris et dauphins
- Son grave = basse fréquence. Son aigu = haute fréquence
- Volume (intensité) = lié à l'AMPLITUDE de l'onde. Mesuré en décibels (dB)
- Seuil de douleur : 120 dB. Seuil d'audibilité : 0 dB
- L'échelle des dB est logarithmique : +10 dB = intensité × 10 (+3 dB = intensité × 2)
Exemple
Un concert rock produit 105 dB. Un chuchotement produit 30 dB. Différence : 105 − 30 = 75 dB = 7,5 × 10 dB. L'intensité du concert est donc 10⁷·⁵ ≈ 31,6 millions de fois plus grande que celle du chuchotement. Voilà pourquoi l'échelle logarithmique est indispensable.
Piège à éviter
Ne pas confondre fréquence et intensité. La fréquence détermine si le son est grave ou aigu. L'intensité (amplitude) détermine si le son est fort ou faible. Un son grave peut être très fort, et un son aigu très faible.
Quiz - Les ondes mécaniques
10 questions
Ce thème dans une autre classe
Notions clés — Physique-Chimie (Spé)
Articles utiles
Questions fréquentes
Les points clés à retenir sur Les ondes mécaniques, extraits du quiz de révision.
Une onde mécanique transporte :
Réponse : De l'énergie sans matière
Une onde mécanique propage de l'énergie d'un point à un autre SANS transporter de matière.
Le son est une onde :
Réponse : Longitudinale
Le son est une onde longitudinale : les compressions-dilatations de l'air sont parallèles à la propagation.
λ = v/f. Si v = 340 m/s et f = 680 Hz, alors λ = :
Réponse : 0,5 m
λ = 340/680 = 0,5 m. La longueur d'onde est de 50 cm.
Le son se propage plus vite dans :
Réponse : L'eau
Le son va plus vite dans les milieux denses : ~340 m/s dans l'air, ~1 500 m/s dans l'eau, ~5 000 m/s dans l'acier.