Physique · 4ème TechThème 4 : Ondes · Chapitre 1

Propagation d'un ébranlement

Objectifs

À la fin de ce chapitre, vous saurez :
• définir un ébranlement et une onde mécanique ;
• distinguer une onde transversale d'une onde longitudinale ;
• reconnaître que la propagation d'une onde est un transport d'énergie sans transport de matière ;
• mesurer la célérité d'un ébranlement et citer les propriétés du milieu dont elle dépend ;
• relier le mouvement d'un point du milieu à celui de la source par le retard θ = SM/v, et représenter l'aspect du milieu à une date donnée.
Prérequis : vitesse moyenne, mouvement rectiligne, représentation graphique d'une fonction.

Situation de départ

Dans un stade, les spectateurs lancent une « ola » : chacun se lève puis se rassoit, sans quitter sa place, juste après son voisin. Pourtant, une vague humaine fait le tour des tribunes en une vingtaine de secondes !
De même, un bouchon posé sur l'eau monte et descend au passage des rides créées par un caillou, mais il n'est pas emporté par elles. Qu'est-ce qui se déplace vraiment ? Et à quelle vitesse ?

I. Notion d'ébranlement

1. Un ébranlement le long d'une corde

Une longue corde élastique est tendue horizontalement. On imprime à son extrémité S un bref mouvement de haut en bas. On observe une bosse qui se déplace le long de la corde en gardant pratiquement sa forme. Un ruban fixé en un point M de la corde monte puis redescend au passage de la bosse, mais il ne se déplace pas horizontalement.

Animation

À retenir

Un ébranlement est une déformation de courte durée imposée à une partie d'un milieu matériel élastique. Sa propagation de proche en proche dans le milieu constitue une onde mécanique. Le point S où l'ébranlement est créé est la source.

2. Ondes transversales et ondes longitudinales

On comprime brusquement quelques spires à l'extrémité d'un long ressort horizontal, puis on les lâche : une zone où les spires sont resserrées, la compression, se propage le long du ressort. Une spire marquée avance puis recule, dans la direction même de la propagation.

Animation

Fig. 1 — Sur la corde, la déformation est perpendiculaire à la propagation ; sur le ressort, elle lui est parallèle.

À retenir

• Une onde est transversale si la déformation du milieu est perpendiculaire à la direction de propagation (corde, surface de l'eau).
• Une onde est longitudinale si la déformation est parallèle à la direction de propagation (ressort, son dans l'air).

3. Propagation à deux et à trois dimensions

Un caillou tombe dans une eau calme : une ride circulaire centrée sur le point d'impact s'élargit. L'ébranlement se propage dans toutes les directions de la surface : le milieu est à deux dimensions.
Un claquement de mains s'entend dans toutes les directions de l'espace : l'ébranlement sonore se propage en surfaces sphériques, dans un milieu à trois dimensions.
Dans un milieu homogène (mêmes propriétés en tout point) et isotrope (mêmes propriétés dans toutes les directions), l'ébranlement se propage à la même vitesse dans toutes les directions.

Pourquoi l'amplitude diminue-t-elle ?

À deux ou trois dimensions, l'énergie de l'ébranlement se répartit sur un cercle ou une sphère de plus en plus grands : l'amplitude diminue en s'éloignant de la source, même sans frottements.

II. Une onde transporte de l'énergie, pas de matière

Le bouchon posé sur l'eau, le ruban de la corde ou la spire marquée reviennent à leur position initiale après le passage de l'ébranlement : la matière ne se déplace pas avec l'onde.
Pourtant, l'ébranlement peut soulever un objet léger loin de la source, ou faire vibrer le tympan d'une oreille : l'énergie fournie par la source a bien été transmise de proche en proche.

À retenir

La propagation d'une onde mécanique correspond à un transport d'énergie sans transport de matière. Une onde mécanique a besoin d'un milieu matériel : elle ne se propage pas dans le vide.