À l’issue de cette séance vous devriez être capables d’expliquer ce qu’est une onde mécanique progressive et de citer quelques unes des caractéristiques des ondes mécaniques.
Qu’est-ce qu’une onde mécanique ?
Onde se propageant le long d’une corde
On dispose, sur le sol, une corde tenue à l’une de ses extrémités. Avec la main, on imprime rapidement à l’extrémité libre de cette corde un bref mouvement vers le haut puis vers le bas. On observe le phénomène.
Comme la vidéo est difficile à analyser, on a programmé la simulation suivante :
- Décrire le déplacement de chaque point de la corde. Que peut-on dire de la direction de ce déplacement par rapport à la direction de la corde ?
Réponse
- Chaque point se déplace verticalement.
- La direction du déplacement des points est perpendiculaire à la direction de propagation de l’onde.
- Comparer les positions initiale et finale de chaque point de la corde.
Réponse
- Les positions initiale et finale de chaque point de la corde atteint par l’onde sont identiques.
Onde se propageant le long d’un ressort
On tient horizontalement, sur une table, un ressort dont la seconde extrémité reste libre. On imprime le plus rapidement possible, avec la main, un bref mouvement vers la gauche puis vers la droite. On observe le phénomène.
Comme la vidéo est difficile à analyser, on a programmé la simulation suivante :
- Décrire le déplacement de chaque point du ressort. Que peut-on dire de la direction de ce déplacement par rapport à la direction du ressort ?
Réponse
- Chaque point du ressort se déplace horizontalement dans un sens puis dans un autre.
- La direction du déplacement des points du ressort est parallèle à la direction de propagation de l’onde.
- Comparer les positions initiale et finale de chaque point du ressort.
Réponse
- Les positions initiale et finale de chaque point du ressort atteint par l’onde sont identiques.
Utilisation d’un ondoscope
Un ondoscope est constitué de barreaux horizontaux tous identiques et munis de petites masses à leurs extrémités. Ces barreaux sont reliés les uns aux autres par des tendeurs dont la direction est perpendiculaire à leur direction propre.
Une échelle de perroquet est similaire à un ondoscope mais est verticale.
D’un mouvement rapide de la main, on écarte le barreau de l’une des extrémités de sa position d’équilibre, puis on le ramène dans la position initiale. On observe le phénomène.
- Quel type de mouvement fait-on subir aux tendeurs horizontaux (ou verticaux selon le matériel proposé) lorsqu’on bouge les barreaux ?
Réponse
- On réalise une torsion des tendeurs.
- Quel est le mouvement des autres barreaux ?
Réponse
- Les barreaux sont mis en rotation.
- Comment chaque barreau est-il mis en mouvement ?
Réponse
- Les barreaux sont mis en rotation grâce à la torsion des tendeurs.
- La déformation des « tendeurs » est-elle instantanée ?
Réponse
- Non, la déformation des tendeurs n’est pas instantanée : la rotation du premier barreau déforme le tendeur qui y est attaché. Cette déformation met en rotation le second barreau, qui à son tour tord le tendeur qui lui est attaché, …
- Tous les barreaux se déplacent-ils en même temps ?
Réponse
- On voit clairement que tous les barreaux ne sont pas mis en mouvement en même temps. Cette mise en mouvement se fait avec un certain retard.
- Y a-t-il transport d’énergie d’une extrémité de l’ondoscope à l’autre ? Préciser le raisonnement mené pour répondre à cette question.
Réponse
– La mise en mouvement des barreaux nécessite de l’énergie. C’est la personne qui effectue la première déformation qui injecte de l’énergie dans le système.
Puisque le barreau le plus éloigné finit par se mettre en mouvement, avec un certain retard, cela signifie que de l’énergie y a été transportée.
- Ce transport d’énergie s’accompagne-t-il de transport de matière ?
Réponse
- Aucun barreau ne se déplace selon la direction de l’onde. Il n’y a donc pas transport de matière.
Pendule de Newton
Au repos, les billes sont au contact les unes des autres, suspendues et alignées horizontalement. On soulève la première bille d’une hauteur $h$, tout en la maintenant dans le même plan vertical que les autres, et la lâcher. On observe le phénomène.
- À l’instant où on lâche la bille, sous quelle forme se trouve l’énergie du système {bille dans le champ de pesanteur terrestre} ?
Réponse
- L’opérateur, en élevant la bille dans le champ de pesanteur, lui a fourni de l’énergie qui se retrouve sous forme d’énergie potentielle de pesanteur.
- Sous quelle forme se trouve cette énergie juste avant le choc de la bille avec les autres billes ?
Réponse
- Juste avant le choc avec les autres billes, l’énergie de la première bille se trouve sous forme d’énergie cinétique.
- Que vaut l’énergie de la première bille juste après le choc ?
Réponse
- La bille se retrouve immobile à l’origine des altitudes, elle ne possède plus d’énergie mécanique.
- Après le premier choc, quelle bille récupère l’énergie initiale de la première bille ? Comment se fait le transfert d’énergie de la première bille jusqu’à la dernière ?
Réponse
- La deuxième bille récupère l’énergie cédée par la première bille.
- Expliquer avec les mêmes arguments le mouvement de la dernière bille.
Réponse
- De proche en proche, l’énergie se propage jusqu’à la dernière bille qui peut donc se mettre en mouvement. Cette dernière bille peut s’élever jusqu’à la même altitude que la première si on considère qu’il n’y a pas de perte d’énergie dans le processus décrit.
Onde sonore
Un générateur basses fréquences est connecté à un haut-parleur. Placer une bougie allumée devant le haut-parleur.
- Décrire le mouvement de la flamme.
Réponse
Sous l’influence de l’onde sonore la bougie oscille autour de sa position d’équilibre.
- Y a-t-il un quelconque déplacement de matière lors de cette expérience ?
Réponse
Il n’y a aucun déplacement de matière dans cette expérience puisque la flamme se contente d’osciller autour de sa position d’équilibre, elle n’est pas soufflée par un courant d’air.
Remarque : en augmentant l’amplitude de l’onde sonore, on peut éteindre la bougie.
Synthèse
Dans chacune des expériences précédentes intervient le phénomène appelé : « propagation d’une onde mécanique ». Chercher tous les termes qui apparaissent dans le compte-rendu des six expériences précédentes et essayer de le décrire le plus précisément possible.
Réponse
Quelques caractéristiques de la propagation des ondes mécaniques
Cuve à ondes
On génère des ondes mécaniques progressives dans une cuve à ondes (cuve rectangulaire contenant une faible épaisseur d’eau au repos).
- Les milieux de propagation précédemment étudiés étaient essentiellement à une dimension. Celui-ci est-il à une, deux ou trois dimensions ? Pourquoi ?
Réponse
Les ondes que l’on observe ici se déplacent à la surface de l’eau, donc dans un milieu à deux dimensions.
- Conclusion.
Réponse
À la surface de l’eau les ondes se déplacent dans toutes les directions accessibles.
Deux ondes qui se croisent
On tient chaque extrémité d’un ondoscope. On imprime rapidement et simultanément un bref mouvement vers le bas à ces deux extrémités. On observe le phénomène.
Une simulation permet de retrouver ce comportement :
Lancer la simulation avec des élongations identiques, puis des élongations opposées.
- Que peut-on observer ?
Réponse
Les ondes peuvent se croiser puis poursuivre leur chemin comme si la rencontre n’avait pas eu lieu.
Synthèse
Quelles caractéristiques de la propagation des ondes (mécaniques) les expériences ci-dessus mettent- elles en évidence ?
Réponse
- Les ondes mécaniques peuvent se propager selon toutes les directions accessibles.
- Deux ondes mécaniques peuvent se croiser sans se perturber.