Nous entendons souvent parler de vibrations, de résonance, de fréquences, de longueur d'ondes,... ... toutes ces notions se rejoignent mais pour les comprendre il faut au préalable savoir de quoi nous parlons... et ce dont nous parlons ce sont des Ondes !
Chacun d'entre nous a déjà vu se propager une onde qui se forme à la surface de l'eau après la chute d'une simple feuille. Il s'agit de l'exemple le plus familier de la propagation d'un phénomène ondulatoire.
Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation des propriétés physiques du milieu.
Afin de mieux comprendre, regardons ce qui se passe à la surface de l'eau lors d'une perturbation. Un objet frappant sa surface calme va provoquer la propagation d'ondes de déformation à partir du point d'impact.
Une onde a besoin d'un milieu pour se propager, dans ce cas précis il s'agit de l'eau mais nous savons bien que les ondes sonores ont également besoin d'un milieu de propagation qui est l'air. Si nous étions dans l'espace, vous pourriez me crier dans les oreilles je n'entendrais rien.
Pendant que cette déformation se propage, de l'énergie est transmise dans toutes les directions à travers le milieu, et ce qu'il faut bien comprendre c'est qu'il n'y a pas de transport de matière. Une onde est un mécanisme par lequel l'énergie est transmise sans qu'il soit besoin de déplacer de la matière. Mettez un petit bout de bois sur la surface de l'eau, vous le verrez monter et redescendre au gré de l'onde mais il ne se déplacera pas avec elle.
Les caractéristiques principales d'une onde
Une onde est un phénomène périodique. Le plus est de la représenter par un signal sinusoïdal (qui n'a lieu qu'en environnement parfait vous imaginez bien).
Tout d'abord sa longueur, il s'agit de la distance parcourue par l'onde pendant une période (entre 2 crêtes de l'onde par exemple), représentée souvent par la lettre grecque λ (lambda) et exprimée en mètre. Par exemple le Wifi a une longueur d'onde de 12,248 cm, la lumière violette a une longueur d'onde de 380 nm (nanomètres).
Ensuite sa fréquence, il s'agit du nombre d'oscillation par unité de temps (généralement la seconde), combien de λ par secondes, représentée souvent par la lettre grecque μ et exprimée en hertz (Hz).
Par exemple le Wifi a une fréquence de 2,4GHz (μ = c / λ la célérité étant c = 3×108 m/s, vitesse de la lumière, puisqu'il s'agit d'une onde électromagnétique, μ = 2,4 GigaHertz)
La fréquence est donc inversement proportionnelle à la longueur d'onde.
Plus la longueur d'onde est courte plus la fréquence est élevée et plus il y a d'énergie dissipée.
Et enfin l'amplitude, il s'agit de l'ampleur de la perturbation infligée par l'onde sur son milieu de propagation. C'est concrètement la mesure d'un déplacement, celui de la membrane d'un micro ou d'un haut-parleur, celui de la surface de l'eau ou de la terre (échelle de Richter pour les séismes).
Pour faire simple en reprenant notre exemple sur l'eau :
- L'amplitude est la hauteur des crêtes des vagues par rapport au niveau moyen de l'eau (sans vagues).
- La longueur d'onde est la distance entre deux crêtes successives. Il s'agit donc de deux choses indépendantes, pour une même amplitude on peut avoir n'importe quelle longueur d'onde et inversement.
- La fréquence est le nombre de crêtes de vagues qui passe par seconde à un certain endroit. Par exemple 0,1 Hz (hertz) veut dire qu'il faut attendre 10 secondes entre la crête d'une vague et la suivante.
Saviez-vous que le wifi et les fours à micro-ondes se positionnent sur la même gamme de fréquence ?
La seule raison pour laquelle vous ne grillez pas en surfant sur Internet c'est que l'intensité des ondes wifi est nettement inférieure à l'intensité des ondes émises par ces fours... mais en étant exposé souvent devant son ordinateur ou chez soi je n'ose imaginer les effets à long terme sur le cerveau...
Quel type d'onde ?
La lumière, le son, la radio, le téléphone, le Wifi, ... tout ce qui vibre va générer une onde. Quand nous avons abordé l'énergie et la matière nous avons vu que tout était en mouvement, que tout vibre... donc absolument tout génère une onde. Même la plus petite particule subatomique étant chargée électriquement et étant en mouvement, génère une onde électromagnétique.
D'un objet quelconque par exemple il émane beaucoup d'ondes : en fonction de sa couleur, de sa matière, de sa forme, de son contenu... nous n'avons cependant pas encore les moyens instrumentaux pour mesurer tous les types d'ondes émises.
On a souvent la croyance erronée que les ondes cérébrales ne se diffusent que dans le corps... les études en noétique et neuroscience ont démontré que l'humain se comporte comme une antenne qui reçoit et qui émets des ondes électromagnétiques, nous avons le même comportement qu'un poste radio (à quelques éléments près :) ). Nous aborderons ce thème dans la section « Vie » un peu plus tard corrélé à la notion de vibration dans le prochain article.
La notion d'interférences
Lorsque deux ondes de même type se rencontrent, elles interagissent l'une avec l'autre et produisent des interférences.
Reprenons notre exemple sur l'eau, envoyez deux cailloux dans l'eau. Une onde différente se produira à chaque point d'impact sur la surface. Les 2 ondes sont du même type, agissant dans le même milieu donc en se croisant elles vont interagirent entre-elles et créer des interférences.
Il y a deux résultats possibles (en plus de toutes les possibilités intermédiaires) :
Les ondes peuvent être constructives, c'est-à-dire qu'elles s'additionnent pour créer une onde d'une plus grande intensité (elles sont en phase). Mais elles peuvent également être destructives et dans ce cas s'annihilent l'une l'autre (elles sont en opposition de phase)
Quelques applications :
Il y a de nombreuses applications à ce phénomène, dans le domaine civile par exemple le cas où deux ondes s'annulent est utilisé dans les casques antibruit : on reproduit une fréquence sonore du bruit dans le casque qui va annuler le bruit qu'on cherche à atténuer (par une opposition de phase). Dans le domaine militaire certains hélicoptères utilisent ce système pour devenir inaudible et passer inaperçu.
Qu'est ce qu'un champ ?
Nous avons vu qu'une onde a besoin d'un milieu pour se propager, ce milieu est appelé un champ.
Par exemple, le champ magnétique, le champ gravitationnel, l'air, l'eau,...
Le champ gravitationnel est difficilement visualisable mais on a bien conscience que lorsque nous lâchons un objet il va tomber sur le sol et qu'à une certaine altitude cet objet lâché ne tombera plus et flottera dans l'espace (parce qu'il sort de l'influence de l'attraction de la Terre et donc du champ gravitationnel terrestre)
De la même manière pour voir un champ magnétique, rien de telle que de positionner un aimant bipolaire sous une plaque de plexiglas et de saupoudrer la surface de limaille de fer, la forme dessinée représente les lignes de champ magnétique.
Dans le cadre de notre exemple avec l'eau nous pouvons voir que le champ est plan, en ce qui concerne le champ magnétique nous en faisons une représentation sur un plan (plaque de plexiglas) mais le champ est tout autour de l'aimant à 360°. Le son, même si on peut l'orienter, se propage dans toutes les directions comme la majeure partie des ondes, elles ne se contentent pas d'un plan.
Un champ est donc « quelque chose qui influence ce qui se ballade dedans »
La vitesse de propagation d'une onde va fortement dépendre du milieu dans lequel elle se propage. Le son par exemple se propage à 330 mètre par seconde dans l'air aux conditions normales de température et de pression mais à environ 1500 mètres par seconde dans l'eau. L'oxygène de l'air va donc ralentir l'onde.
Un phénomène d'interférence particulier, les ondes stationnaires
Lorsque deux ondes de même fréquence se propageant en sens contraire se rencontrent dans le même milieu physique, il se forme des ondes stationnaires.
Ces ondes peuvent provenir de deux sources différentes ou d'un même signal dont une partie est réfléchie par un obstacle.
(cliquez sur l'image pour voir l'animation)
L'interférence de ces ondes génère une figure dont certains éléments sont fixes dans le temps. Au lieu d'y voir une onde qui se propage, on constate une vibration stationnaire mais d'intensité différente, en chaque point observé.
Selon le point observé, les vibrations produites par les différentes ondes s'additionnent ou se compensent de manière partielle ou totale, ce qui provoque à des emplacements définis et fixes :
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- leur neutralisation mutuelle "nœuds" : les ondes disparaissent.
- leur addition "ventres" : les ondes sont amplifiées et maximales.
Exemple du four à micro-onde :
Sans rentrer dans les détails, ce type de four permet de diffuser des micro-ondes qui vont être réfléchis sur la paroi intérieure, générant des ondes stationnaires avec des nœuds (effet nulle) et des ventres (effet maximal). A l'emplacement des nœuds les molécules d'eau ne sont pas agité et l'aliment reste donc froid, à l'emplacement des ventres les molécules d'eau s'agitent et chauffe l'aliment. Il y a donc des parties de l'aliment qui chauffe et d'autres pas... il faut alors un plateau tournant pour homogénéiser l'agitation des molécules d'eau et chauffer uniformément l'aliment.
Les architectes des salles de spectacles ou des studios d'enregistrement sont spécialisés dans ce phénomène d'ondes stationnaires pour permettre un rendu du son optimal et limiter les interférences.
En résumé
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- L'onde se traduit par un transport d'énergie et non de matière.
- Il s'agit d'un phénomène cyclique dépendant de son champ de propagation.
- L'énergie est proportionnelle à la fréquence de l'onde.
- Les ondes peuvent interagirent entre elles, s'amplifiant se détruisant mutuellement, ou générant d'autres ondes.
- Tout génère une onde, le moindre élément jusqu'aux confins de l'univers.
- L'humain est une antenne qui reçoit et qui émet des ondes constamment.
