▷ Onde mécanique : caractéristiques, formule, types et exemples

Cet article explique ce que sont les ondes mécaniques en physique et quelles sont leurs caractéristiques. Ainsi, vous trouverez la définition d'une onde mécanique, des exemples d'ondes mécaniques, quelle est l'équation d'une onde mécanique et, aussi, quels sont les différents types d'ondes mécaniques.

Qu'est-ce qu'une onde mécanique ?

Une onde mécanique est un type d'onde qui se propage à travers un milieu matériel, c'est-à-dire que les ondes mécaniques sont les ondes qui voyagent à travers un milieu matériel.

Les ondes mécaniques provoquent donc une perturbation temporaire du milieu dans lequel elles se propagent, sans que celui-ci soit transporté.

Par exemple, une onde sonore est une onde mécanique. Les ondes sonores se propagent dans l’air. Par conséquent, lorsqu’elles oscillent à travers un milieu matériel, il s’agit d’une onde mécanique.

L’une des principales caractéristiques des ondes mécaniques est qu’elles transportent de l’énergie. En effet, l’énergie véhiculée par une onde mécanique peut être catastrophique, comme c’est le cas des ondes sismiques.

En physique, les ondes mécaniques sont également appelées ondes matérielles car elles ont besoin d’un milieu matériel pour se propager.

Exemples d'ondes mécaniques

Après avoir vu la définition d’une onde mécanique, nous allons maintenant voir plusieurs exemples de ce type d’onde pour bien comprendre le concept.

Exemples d'ondes mécaniques :

Les ondes sonores sont des ondes mécaniques.
Une onde sismique est aussi une onde mécanique.
Les ondes de surface générées à la surface de l'eau par l'impact d'un objet sont mécaniques.
Les ondes qui se propagent à travers un ressort sont des ondes mécaniques.

Caractéristiques d'une onde mécanique

Les ondes mécaniques ont les caractéristiques ou parties suivantes :

Allongement (y) : est la distance entre la position de l'onde et sa position d'équilibre.
Amplitude (A) : est la distance entre l'allongement maximum et votre position d'équilibre.
Crête : chacun des points culminants de la vague.
Vallée : chacun des points les plus bas de la vague.
Cycle ou oscillation : c'est le trajet de l'onde d'un point au prochain point équivalent.
Longueur d'onde (λ) : est la distance qui sépare deux points équivalents consécutifs de l'onde.
Période (T) : est le temps nécessaire pour effectuer une oscillation complète.
Fréquence (f) : est le nombre d'oscillations ou de vibrations que l'onde effectue par unité de temps.

$f=\cfrac{1}{T}$

Fréquence angulaire (ou pulsation) (ω) : c'est la vitesse à laquelle l'onde effectue les oscillations.

$\omega=\cfrac{2\cdot \pi}{T}=2\cdot \pi \cdot f$

Vitesse de propagation (v) : est la vitesse à laquelle l'onde se propage.

$v=\cfrac{\lambda}{T}=\lambda\cdot f$

caractéristiques d'une onde mécanique, parties d'une onde mécanique

Formule d'une onde mécanique

La fonction mathématique qui permet de décrire le mouvement d’une onde mécanique est toujours la suivante :

$y=f(x\pm v\cdot t)$

Où:

$y$ est l'allongement de l'onde.
$x$ est la distance du point étudié à l'origine de l'onde.
$v$ est la vitesse de propagation des ondes.
$t$ est l'instant du temps.

Le signe devant la vitesse de propagation indique si l'onde mécanique se déplace vers la droite (signe négatif) ou vers la gauche (signe positif).

Si l'onde mécanique est une onde harmonique , l'équation de l'onde mécanique est y(x,t) = A·sin(k·x ± ω·t + φ ₀ ). Cette formule est utilisée pour calculer l'allongement d'un point de l'onde mécanique dans une position spécifique et à un instant précis.

$y(x,t)=A\cdot \text{sin}(k\cdot x\pm w\cdot t+\phi_0)$

Où:

$y$ est l'allongement de l'onde.
$A$ est l'amplitude de l'onde mécanique.
$x$ est la distance du point étudié à l'origine de l'onde.
$k$ est le nombre d'onde, qui est calculé par l'expression suivante : $k=\cfrac{2\cdot \pi}{\lambda}$
$\omega$ est la fréquence angulaire ou de pulsation.
$t$ est l'instant du temps.
$\phi_0$ est la phase initiale de la vague.

Types d'ondes mécaniques

Les types d'ondes mécaniques sont :

Onde longitudinale : type d'onde mécanique qui oscille dans le même sens de propagation de l'onde.
Onde transversale : type d'onde mécanique qui oscille perpendiculairement à la direction de propagation de l'onde.

Onde longitudinale

Une onde longitudinale est une onde mécanique dans laquelle le mouvement oscillant des particules dans le milieu se produit dans le même sens de propagation de l'onde. C'est-à-dire que les pointes d'une onde longitudinale oscillent longitudinalement.

Par exemple, les ondes sonores sont des ondes longitudinales, puisque dans ce type d'ondes le déplacement de leurs pointes est parallèle à la propagation de l'onde.

➤ Voir : Caractéristiques d'une onde longitudinale

onde transversale

Une onde transversale est une onde mécanique dont les oscillations sont perpendiculaires à la direction de propagation de l'onde. Autrement dit, les points d’une onde transversale se déplacent transversalement à la direction de déplacement de l’onde.

Par exemple, une corde fixée à une extrémité qui oscille est une onde transversale. Si l’on fixe l’extrémité d’une corde et déplace son autre extrémité verticalement, des vibrations sont générées perpendiculairement au sens d’avancement de l’onde sur la corde, c’est donc une onde transversale.

➤ Voir : Caractéristiques d'une onde transversale

Vitesse de propagation d'une onde mécanique

La vitesse de propagation est la vitesse à laquelle l'onde mécanique se propage dans le milieu. En général, la vitesse d'une onde mécanique est calculée à l'aide d'une formule qui a la forme suivante :

$\displaystyle v=\sqrt{\frac{\text{propriété élastique}}{\text{propriété inertielle}}}$

Ci-dessous vous pouvez voir la formule utilisée pour calculer la vitesse de propagation d’une onde mécanique dans certains cas particuliers de la physique.

Vitesse de propagation d'une onde transversale sur une corde

$\displaystyle v=\sqrt{\frac{T}{\mu}}$

Où:

$T$ est la tension de la corde.
$\mu$ est la densité de masse linéaire de la corde.

Vitesse de propagation d'une onde longitudinale dans un solide

$\displaystyle v=\sqrt{\frac{E}{\rho}}$

Où:

$E$ est le module d'Young du solide.
$\rho$ est la densité du solide.

Vitesse de propagation d'une onde longitudinale dans un gaz (son)

$\displaystyle v=\sqrt{\frac{\gamma \cdot R\cdot T}{M}}$

Où:

$\gamma$ est le coefficient adiabatique du gaz (dans le cas de l'air $\gamma=1,4$ ).
$T$ est la température du gaz exprimée en kelvins.
$R$ est la constante des gaz parfaits, $\displaystyle R=8.31 \ \frac{J}{mol\cdot K}$ .
$M$ est la masse moléculaire du gaz.