C'est quoi une onde en physique, et comment calculer sa célérité ?

Lance un caillou dans une mare : des rides s'étalent jusqu'au bord. Une feuille qui flotte monte et descend au passage de chaque ride, mais elle n'avance pas avec elles. C'est l'idée clé : une onde transporte de l'énergie, pas de matière. L'eau ne fait que vibrer sur place.

Il existe deux façons de vibrer :

• Ondes transversales : la vibration est perpendiculaire à la direction de propagation. Les rides sur l'eau, une onde le long d'une corde et la lumière sont transversales. Elles ont des points hauts, les crêtes, et des points bas, les creux.
• Ondes longitudinales : la vibration se fait d'avant en arrière, dans la direction de propagation. Le son est longitudinal. Les particules se resserrent en compressions et s'écartent en dilatations. Pousse et tire l'extrémité d'un ressort de type slinky tendu : tu le verras.

On classe aussi les ondes selon le milieu. Les ondes mécaniques, comme le son, la houle ou les ondes sismiques, ont besoin d'un milieu matériel. Les ondes électromagnétiques, comme la lumière ou les ondes radio, traversent le vide. C'est pour cela qu'il n'y a pas de son dans l'espace alors que la lumière du Soleil nous parvient. Voir le spectre électromagnétique.

Une onde se décrit avec quelques grandeurs :

• Amplitude : le plus grand écart d'un point par rapport à sa position de repos. Elle se mesure de la ligne de repos jusqu'à une crête, pas du creux à la crête. Plus d'amplitude, c'est plus d'énergie : un son plus fort, une vague plus haute.
• Longueur d'onde (λ) : la longueur d'un motif complet, par exemple d'une crête à la suivante. C'est la distance parcourue par l'onde pendant une période. Elle s'exprime en mètres.
• Fréquence (f) : le nombre d'ondes qui passent en un point chaque seconde, en hertz (Hz) : 50 Hz, c'est 50 ondes par seconde.
• Période (T) : la durée d'une onde complète, en secondes. T = 1 ÷ f : une onde de 4 Hz a une période de 0,25 s.

Elles sont reliées par la relation :

λ = v × T, ou de façon équivalente v = λ × f

où v est la célérité de l'onde (sa vitesse de propagation). Si 3 ondes te dépassent chaque seconde et que chacune mesure 2 m, 6 m d'onde passent chaque seconde : la célérité est 6 m/s. Pour un type d'onde dans un milieu donné, la célérité est à peu près fixe, donc une fréquence plus grande donne une longueur d'onde plus petite.

Le son et l'audition. Un objet qui vibre pousse l'air et crée des compressions et des dilatations qui se propagent à environ 340 m/s. Dans l'oreille, le son fait vibrer le tympan. Trois osselets (marteau, enclume, étrier) transmettent la vibration à la cochlée, un tube enroulé rempli de liquide où des cellules ciliées la transforment en signaux nerveux pour le cerveau. La fréquence fixe la hauteur (aigu ou grave) et l'amplitude l'intensité (fort ou faible). Les jeunes entendent en général de 20 Hz à 20 000 Hz ; la limite haute baisse souvent avec l'âge. Au-delà de 20 000 Hz, ce sont des ultrasons : les chauves-souris et les dauphins s'en servent, et les médecins aussi, pour les échographies.

Pour mesurer la célérité du son, place-toi à une distance connue d'un grand mur, frappe dans tes mains et chronomètre l'écho : le son fait l'aller-retour, donc v = (2 × distance) ÷ durée. Dans une cuve à ondes, on mesure la longueur d'onde sur plusieurs rides avec une règle et la fréquence en comptant les rides pendant 10 secondes.

Quelle est la différence entre une onde transversale et une onde longitudinale ?#

Dans une onde transversale, la vibration est perpendiculaire à la direction de propagation, comme pour les rides sur l'eau ou la lumière. Dans une onde longitudinale, elle est parallèle à la propagation, comme pour le son, avec des compressions et des dilatations.

Quelle est la relation entre λ, v, T et f ?#

λ = v × T, et comme f = 1 ÷ T, on a aussi v = λ × f. Avec λ en mètres, v en m/s, T en secondes et f en hertz.

C'est quoi la longueur d'onde ?#

La longueur d'un motif complet de l'onde, par exemple la distance entre deux crêtes voisines. C'est aussi la distance parcourue par l'onde pendant une période.

Comment entend-on les ondes sonores ?#

Le son fait vibrer le tympan. Les trois osselets transmettent la vibration à la cochlée, où des cellules ciliées la changent en signaux nerveux que le cerveau perçoit comme des sons.

Quelles fréquences l'oreille humaine entend-elle ?#

De 20 Hz à 20 000 Hz environ chez les jeunes. Les sons plus graves sont des infrasons, les plus aigus des ultrasons. Les sons très forts peuvent abîmer les cellules ciliées pour toujours.

Le son peut-il se propager dans l'espace ?#

Non. Le son est une onde mécanique : il lui faut des particules pour transmettre la vibration. L'espace est presque vide, donc silencieux. La lumière et les ondes radio, elles, le traversent.