L’essentiel
Une onde mécanique est la propagation d’une perturbation dans un milieu matériel. Elle transporte de l’énergie sans transporter de matière. Le son et les vagues en sont des exemples. Sa célérité vaut v = d / Δt et, pour une onde périodique, la longueur d’onde vaut λ = v × T.
Qu’est-ce qu’une onde mécanique ?
Jette un caillou dans l’eau : des rides s’éloignent du point d’impact. Un bouchon posé à la surface monte et descend, mais il ne part pas avec la ride. Le milieu bouge localement puis revient à sa place : c’est une onde mécanique progressive.
Une onde mécanique a besoin d’un milieu matériel pour se propager. Le son ne se propage pas dans le vide.
Une onde mécanique transporte de l’énergie, sans transport global de matière.
Onde transversale ou longitudinale
| Onde transversale | Onde longitudinale | |
|---|---|---|
| Mouvement du milieu | Perpendiculaire à la propagation | Parallèle à la propagation |
| Exemples | Corde secouée, ola dans un stade | Son, ressort comprimé |
| Forme | Bosses et creux | Compressions et dilatations |
Astuce : Pour le son, l’air est comprimé et dilaté dans la direction où le son avance : c’est une onde longitudinale.
La célérité et le retard
La célérité v est la vitesse à laquelle la perturbation se propage. Elle dépend du milieu, pas de la forme de la perturbation.
Le retard τ est la durée qu’il faut à la perturbation pour aller d’un point à un autre.
v = d / τ, avec v en m/s, d la distance en m et τ le retard en s.
| Milieu | Célérité |
|---|---|
| Air à 20 °C | 340 m/s |
| Eau | 1 500 m/s |
| Acier | 5 000 m/s |
- Deux micros sont à 1,70 m l’un de l’autre. Le son met 5,0 ms pour passer de l’un à l’autre : v = 1,70 ÷ 0,0050 = 340 m/s.
L’onde périodique
Une onde périodique se répète à intervalles réguliers. Elle possède deux périodicités.
λ = v × T = v / f.
- Dans le temps : la période T, en secondes, est la durée d’un motif. La fréquence vaut f = 1 / T.
- Dans l’espace : la longueur d’onde λ, en mètres, est la distance entre deux points identiques successifs, par exemple deux crêtes.
- Une houle de période 8,0 s se propage à 5,0 m/s : λ = 5,0 × 8,0 = 40 m.
- Un ultrason de 40 kHz dans l’air : λ = 340 ÷ 40 000 = 8,5 × 10⁻³ m, soit 8,5 mm.
Mesurer une distance avec une onde
Le sonar et l’échographie envoient une onde et mesurent la durée de l’aller-retour de son écho. Comme le signal parcourt deux fois la distance, on a d = v × Δt / 2.
- Un sonar reçoit l’écho du fond marin au bout de 0,40 s. Dans l’eau, à 1 500 m/s : d = 1 500 × 0,40 ÷ 2 = 300 m.
Les erreurs à éviter
Une onde transporte de la matière Une onde transporte de l’énergie
Le bouchon reste sur place : seule la perturbation avance.
Le son se propage dans le vide Le son a besoin de matière
Une onde mécanique se propage grâce aux déformations d’un milieu matériel.
Oublier le facteur 2 pour un écho d = v × Δt / 2
La durée mesurée correspond à un aller et un retour.
Exercices corrigés
1. Que transporte une onde mécanique ?
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De l’énergie. Elle transporte de l’énergie, sans déplacement global de matière.
2. Le son est une onde…
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longitudinale. L’air est comprimé dans la direction de propagation.
3. Une perturbation parcourt 34 m en 0,10 s. Quelle est sa célérité ?
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340 m/s. v = 34 ÷ 0,10 = 340 m/s.
4. Une onde a une période de 0,50 s et une célérité de 2,0 m/s. Quelle est sa longueur d’onde ?
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1,0 m. λ = v × T = 2,0 × 0,50 = 1,0 m.
5. Un son de 1 000 Hz se propage dans l’eau à 1 500 m/s. Quelle est sa longueur d’onde ?
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1,5 m. λ = v / f = 1 500 ÷ 1 000 = 1,5 m.
6. Un sonar reçoit un écho 2,0 s après l’émission, dans l’eau à 1 500 m/s. À quelle profondeur est l’obstacle ?
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1 500 m. d = 1 500 × 2,0 ÷ 2 = 1 500 m. Il faut diviser par 2 pour l’aller-retour.
Questions fréquentes
Quelle est la différence entre une onde mécanique et une onde électromagnétique ?
Une onde mécanique a besoin d’un milieu matériel. Une onde électromagnétique, comme la lumière, peut se propager dans le vide.
Qu’est-ce qu’une onde progressive ?
C’est une onde qui se déplace dans le milieu en s’éloignant de sa source. Chaque point du milieu reproduit le mouvement de la source avec un retard.
Quelle différence entre vitesse et célérité ?
Le mot célérité désigne la vitesse de propagation de l’onde, et non celle du milieu, qui ne se déplace pas avec elle.