Ondes longitudinales et transversales. Les ondes mécaniques longitudinales peuvent se propager dans tous les milieux : solides, liquides et gazeux.

Vague - c'est le phénomène de propagation dans l'espace dans le temps d'une modification (perturbation) d'une grandeur physique, emportant avec elle de l'énergie.

Quelle que soit la nature de l’onde, le transfert d’énergie s’effectue sans transfert de matière ; ce dernier ne peut survenir que comme effet secondaire. Transfert d'énergie- la différence fondamentale entre ondes et oscillations, dans lesquelles se produisent uniquement des transformations d'énergie « locales ». En règle générale, les vagues sont capables de parcourir des distances considérables depuis leur lieu d'origine. Pour cette raison, les vagues sont parfois appelées " vibration détachée de l'émetteur».

Les vagues peuvent être classées

De par sa nature :

Ondes élastiques - ondes se propageant dans les milieux liquides, solides et gazeux sous l'action de forces élastiques.

Ondes électromagnétiques- une perturbation (changement d'état) du champ électromagnétique se propageant dans l'espace.

Des vagues à la surface d'un liquide- un nom conventionnel pour diverses ondes qui apparaissent à l'interface entre liquide et gaz ou liquide et liquide. Les ondes d'eau diffèrent par le mécanisme fondamental d'oscillation (capillaire, gravitationnel, etc.), ce qui conduit à des lois de dispersion différentes et, par conséquent, à un comportement différent de ces ondes.

Par rapport au sens de vibration des particules du milieu :

Vagues longitudinales - les particules du milieu vibrent parallèle dans le sens de propagation des ondes (comme par exemple dans le cas de la propagation du son).

Ondes transversales - les particules du milieu vibrent perpendiculaire direction de propagation des ondes (ondes électromagnétiques, ondes sur les surfaces de séparation des milieux).

a - transversal ; b - longitudinal.

Vagues mixtes.

Selon la géométrie du front d’onde :

La surface d'onde (front d'onde) est la localisation géométrique des points atteints par la perturbation à un instant donné. Dans un milieu isotrope homogène, la vitesse de propagation des ondes est la même dans toutes les directions, ce qui signifie que tous les points du front oscillent dans la même phase, le front est perpendiculaire à la direction de propagation des ondes, les valeurs de l'oscillation la quantité est la même en tous points du devant.

Plat les plans de phase d'onde sont perpendiculaires à la direction de propagation des ondes et parallèles les uns aux autres.

Sphérique vague - la surface de phases égales est une sphère.

Cylindrique vague - la surface des phases ressemble à un cylindre.

Spirale onde - se forme si une ou plusieurs sources d'ondes sphériques ou cylindriques se déplacent le long d'une certaine courbe fermée pendant le processus de rayonnement.

Onde plane

Une onde est dite plate si ses surfaces d'onde sont des plans parallèles entre eux, perpendiculaires à la vitesse de phase de l'onde. Si l'axe de coordonnées x est dirigé le long de la vitesse de phase de l'onde v, alors le vecteur décrivant l'onde sera a. fonction de seulement deux variables : coordonnées x et temps t (y = f(x,t)).

Considérons une onde sinusoïdale plate monochromatique (fréquence unique) se propageant dans un milieu homogène sans atténuation le long de l'axe X. Si la source (plan infini) oscille selon la loi y=, alors l'oscillation atteindra le point de coordonnée x avec. un retard dans le temps.

,Où

Vitesse de phase d'onde – la vitesse de déplacement de la surface de l'onde (avant),

– amplitude d'onde – module de l'écart maximal d'une grandeur changeante par rapport à la position d'équilibre,

– fréquence cyclique, T – période d'oscillation, – fréquence d'onde (similaire aux oscillations)

k est le nombre d'onde, a la signification de fréquence spatiale,

Une autre caractéristique d'une onde est la longueur d'onde m, c'est la distance sur laquelle l'onde se propage pendant une période d'oscillation, elle a le sens de période spatiale, c'est la distance la plus courte entre des points oscillant dans la même phase.

oui

La longueur d'onde est liée au nombre d'onde par la relation qui est similaire à la relation temporelle

Le nombre d'onde est lié à la fréquence cyclique et à la vitesse de propagation de l'onde

X
oui
oui

Les figures montrent un oscillogramme (a) et un instantané (b) d'une onde avec les périodes temporelles et spatiales indiquées. Contrairement aux oscillations stationnaires, les ondes ont deux caractéristiques principales : la périodicité temporelle et la périodicité spatiale.

Propriétés générales des vagues :

1. 
   Les vagues transportent de l'énergie.

2. Les vagues exercent une pression sur les corps (elles ont un élan).

3. La vitesse d'une onde dans un milieu dépend de la fréquence de l'onde - dispersion Ainsi, des ondes de fréquences différentes se propagent dans le même milieu avec des vitesses différentes (vitesse de phase).

4. Les vagues contournent les obstacles - diffraction.

La diffraction se produit lorsque la taille de l'obstacle est comparable à la longueur d'onde.

5. A l'interface entre deux milieux, les ondes sont réfléchies et réfractées.

L'angle d'incidence est égal à l'angle de réflexion, et le rapport du sinus de l'angle d'incidence au sinus de l'angle de réfraction est une valeur constante pour deux milieux donnés.

6. Lorsque des ondes cohérentes se superposent (la différence de phase de ces ondes en tout point est constante dans le temps), elles interfèrent - un modèle stable de minima et de maxima d'interférence se forme.

Les ondes et les sources qui les excitent sont dites cohérentes si la différence de phase entre les ondes ne dépend pas du temps. Les ondes et les sources qui les excitent sont dites incohérentes si la différence de phase entre les ondes change avec le temps.

Seules les ondes qui ont la même fréquence et oscillent dans la même direction (c'est-à-dire les ondes cohérentes) peuvent interférer. Les interférences peuvent être stationnaires ou non stationnaires. Seules des ondes cohérentes peuvent produire un motif d'interférence stationnaire. Par exemple, deux ondes sphériques à la surface de l’eau, se propageant à partir de deux sources ponctuelles cohérentes, produiront une onde résultante lors d’une interférence. Le front de l’onde résultante sera une sphère.

Lorsque les vagues interfèrent, leurs énergies ne s’additionnent pas. L'interférence des ondes conduit à une redistribution de l'énergie vibratoire entre diverses particules proches du milieu. Cela ne contredit pas la loi de conservation de l'énergie car, en moyenne, pour une grande région de l'espace, l'énergie de l'onde résultante est égale à la somme des énergies des ondes interférentes.

Lorsque des ondes incohérentes sont superposées, le carré moyen de l’amplitude de l’onde résultante est égal à la somme des carrés des amplitudes des ondes superposées. L'énergie des oscillations résultantes de chaque point du milieu est égale à la somme des énergies de ses oscillations provoquées séparément par toutes les ondes incohérentes.

7. Les ondes sont absorbées par le milieu. À mesure que l'on s'éloigne de la source, l'amplitude de l'onde diminue, puisque l'énergie des vagues est partiellement transférée au milieu.

8. Les vagues sont dispersées dans un milieu inhomogène.

La diffusion est une perturbation des champs d'ondes causée par les inhomogénéités du milieu et les objets diffusants placés dans ce milieu. L'intensité de diffusion dépend de la taille des inhomogénéités et de la fréquence de l'onde.

Ondes mécaniques. Son. Caractéristiques sonores .

Vague- une perturbation se propageant dans l'espace.

Propriétés générales des vagues :

• 
  transférer de l'énergie;
• 
  avoir une impulsion (exercer une pression sur les corps);
• 
  à la frontière de deux milieux, ils sont réfléchis et réfractés ;
• 
  sont absorbés par l'environnement;
• 
  diffraction;
• 
  ingérence;
• 
  dispersion;
• 
  La vitesse des vagues dépend du milieu traversé par les vagues.

1. 
   Ondes mécaniques (élastiques).

Un cas particulier des ondes mécaniques - vagues à la surface d'un liquide, ondes qui naissent et se propagent le long de la surface libre d'un liquide ou à l'interface de deux liquides non miscibles. Ils se forment sous l'influence d'influences extérieures, à la suite de quoi la surface du liquide est retirée de l'état d'équilibre. Dans ce cas, des forces apparaissent qui rétablissent l’équilibre : les forces de tension superficielle et de gravité.

Il existe deux types d'ondes mécaniques

- la dite numéro d'onde ,

– fréquence circulaire ,

UN - amplitude de vibration des particules.

La figure montre des « instantanés » d’une onde transversale à deux instants : t et t + Δt. Pendant le temps Δt, l'onde s'est déplacée le long de l'axe OX jusqu'à une distance υΔt. De telles ondes sont généralement appelées ondes progressives.

La longueur d'onde λ est la distance entre deux points adjacents sur l'axe OX, oscillant dans les mêmes phases. L'onde parcourt une distance égale à la longueur d'onde λ sur une période T, donc,

λ = υT, où υ est la vitesse de propagation des ondes.

Pour tout point sélectionné sur le graphique du processus ondulatoire (par exemple, pour le point A), au fil du temps t, la coordonnée x de ce point change et la valeur de l'expression ωt – kx ne change pas. Après une période de temps Δt, le point A se déplacera le long de l'axe OX jusqu'à une certaine distance Δx = υΔt. Ainsi: ωt – kx = ω(t + Δt) – k(x + Δx) = const ou ωΔt = kΔx.

Cela implique:

Ainsi, une onde sinusoïdale progressive a une double périodicité – dans le temps et dans l’espace. La période temporelle est égale à la période d'oscillation T des particules du milieu, la période spatiale est égale à la longueur d'onde λ. Le nombre d’onde est l’analogue spatial de la fréquence circulaire.

1. 
   Son.

Tout processus oscillatoire est décrit par l'équation. Il en est également dérivé pour les vibrations sonores :

Caractéristiques de base des ondes sonores

β - compressibilité adiabatique du milieu,

ρ - densité.

1. 
   Application du son

Les écholocateurs utilisés sous l'eau sont appelés sonars ou sonars (le nom sonar est formé des premières lettres de trois mots anglais : sound - sound ; navigation - navigation ; range - range). Les sonars sont indispensables pour étudier les fonds marins (son profil, sa profondeur), pour détecter et étudier divers objets se déplaçant en profondeur sous l'eau. Avec leur aide, il est facile de détecter aussi bien des objets ou des animaux de grande taille que des bancs de petits poissons ou de crustacés.

Les ondes ultrasonores sont largement utilisées en médecine à des fins de diagnostic. Les échographes vous permettent d'examiner les organes internes d'une personne. Les rayons ultrasonores sont moins nocifs pour l’homme que les rayons X.

Ondes électromagnétiques.

Leurs propriétés.

Onde électromagnétique est un champ électromagnétique qui se propage dans l’espace au fil du temps.

Les ondes électromagnétiques ne peuvent être excitées que par des charges se déplaçant rapidement.

L’existence des ondes électromagnétiques a été théoriquement prédite par le grand physicien anglais J. Maxwell en 1864. Il a proposé une nouvelle interprétation de la loi de Faraday sur l'induction électromagnétique et a développé ses idées.

Tout changement dans le champ magnétique génère un champ électrique vortex dans l'espace environnant, et un champ électrique variable dans le temps génère un champ magnétique dans l'espace environnant.

Figure 1. Un champ électrique alternatif génère un champ magnétique alternatif et vice versa

Propriétés des ondes électromagnétiques basées sur la théorie de Maxwell :

Ondes électromagnétiques transversal – les vecteurs et sont perpendiculaires entre eux et se situent dans un plan perpendiculaire à la direction de propagation.

Figure 2. Propagation des ondes électromagnétiques

Les champs électriques et magnétiques d’une onde progressive changent dans la même phase.

Les vecteurs dans une onde électromagnétique progressive forment ce que l’on appelle le triplet de vecteurs droitiers.

Les oscillations des vecteurs se produisent en phase : au même instant, en un point de l'espace, les projections des intensités des champs électriques et magnétiques atteignent un maximum, un minimum ou zéro.

Les ondes électromagnétiques se propagent dans la matière avec vitesse terminale

Où sont les perméabilités diélectrique et magnétique du milieu (la vitesse de propagation d'une onde électromagnétique dans le milieu en dépend),

Constantes électriques et magnétiques.

Vitesse des ondes électromagnétiques dans le vide

Densité de flux d'énergie électromagnétique ouintensité J. est l'énergie électromagnétique transférée par une onde par unité de temps à travers une surface d'unité de surface :

,

Les ondes électromagnétiques peuvent être polarisées.

Et aussi les ondes électromagnétiques ont toutes les propriétés de base des vagues : ils transfèrent de l'énergie, ont une quantité de mouvement, ils sont réfléchis et réfractés à l'interface entre deux milieux, absorbés par le milieu, présentent des propriétés de dispersion, de diffraction et d'interférence.

Les expériences de Hertz (détection expérimentale des ondes électromagnétiques)

Pour la première fois, les ondes électromagnétiques ont été étudiées expérimentalement

Hertz en 1888 Il a développé avec succès une conception de générateur d'oscillations électromagnétiques (vibrateur Hertz) et une méthode de détection de leur résonance.

Le vibrateur était constitué de deux conducteurs linéaires, aux extrémités desquels se trouvaient des billes métalliques qui formaient un éclateur. Lorsqu'une haute tension était appliquée de la bobine d'induction à l'inducteur, une étincelle sautait à travers l'espace et court-circuitait l'espace. Lors de sa combustion, un grand nombre d'oscillations se sont produites dans le circuit. Le récepteur (résonateur) était constitué d'un fil avec un éclateur. La présence d'une résonance s'exprimait par l'apparition d'étincelles dans l'éclateur du résonateur en réponse à une étincelle apparaissant dans le vibrateur.

Ainsi, les expériences de Hertz ont fourni une base solide à la théorie de Maxwell. Les ondes électromagnétiques prédites par Maxwell se sont avérées réalisées expérimentalement.

PRINCIPES DE COMMUNICATION RADIO

Communication radio – transmission et réception d’informations par ondes radio.

Le 24 mars 1896, lors d'une réunion du département de physique de la Société physicochimique russe, Popov, à l'aide de ses instruments, démontra clairement la transmission de signaux sur une distance de 250 m, transmettant le premier radiogramme au monde de deux mots « Heinrich Hertz ». .

SCHÉMA DU RÉCEPTEUR A.S.POPOV

Popov a utilisé la communication radiotélégraphique (transmission de signaux de différentes durées), une telle communication ne peut être effectuée qu'à l'aide d'un code. Un émetteur d'étincelles avec un vibrateur Hertz a été utilisé comme source d'ondes radio, et un cohéreur, un tube de verre avec de la limaille de métal, dont la résistance chute des centaines de fois lorsqu'une onde électromagnétique le frappe, a servi de récepteur. Pour augmenter la sensibilité du cohéreur, une extrémité de celui-ci était mise à la terre et l'autre était connectée à un fil élevé au-dessus de la Terre, la longueur totale de l'antenne étant le quart de la longueur d'onde. Le signal de l'émetteur d'étincelles s'estompe rapidement et ne peut pas être transmis sur de longues distances.

Pour les communications radiotéléphoniques (transmission de la parole et de la musique), un signal modulé haute fréquence est utilisé. Un signal basse fréquence (sonore) transporte des informations, mais n'est pratiquement pas émis, et un signal haute fréquence est bien émis, mais ne transporte pas d'informations. La modulation est utilisée pour les communications radiotéléphoniques.

Modulation – le processus d'établissement d'une correspondance entre les paramètres des signaux HF et LF.

En ingénierie radio, plusieurs types de modulation sont utilisés : amplitude, fréquence, phase.

La modulation d'amplitude - une modification de l'amplitude des vibrations (électriques, mécaniques, etc.), se produisant à une fréquence bien inférieure à la fréquence des vibrations elles-mêmes.

Une oscillation harmonique de haute fréquence ω est modulée en amplitude par une oscillation harmonique de basse fréquence Ω (τ = 1/Ω est sa période), t est le temps, A est l'amplitude de l'oscillation haute fréquence, T est sa période.

Circuit de communication radio utilisant le signal AM

Générateur de modulation d'amplitude

L'amplitude du signal RF est modifiée en fonction de l'amplitude du signal LF, puis le signal modulé est rayonné par l'antenne émettrice.

Dans un récepteur radio, l'antenne de réception capte les ondes radio ; dans le circuit oscillant, du fait de la résonance, le signal sur lequel la fréquence du circuit est accordée (la fréquence porteuse de la station émettrice) est isolé et amplifié, il faut alors pour isoler la composante basse fréquence du signal.

Radio-détecteur

Détection – le processus de conversion d’un signal haute fréquence en un signal basse fréquence. Le signal reçu après détection correspond au signal sonore qui a agi sur le microphone émetteur. Une fois amplifiées, les vibrations basse fréquence peuvent être transformées en son.

Détecteur (démodulateur)

La diode sert à redresser le courant alternatif

a) signal AM, b) signal détecté

RADAR

La détection et la détermination précise de l'emplacement des objets et de la vitesse de leur mouvement à l'aide d'ondes radio sont appelées radar . Le principe du radar repose sur la propriété de réflexion des ondes électromagnétiques sur les métaux.

1 - antenne rotative ; 2 - commutateur d'antenne ; 3 - émetteur ; 4 - récepteur ; 5 - scanner ; 6 - indicateur de distance ; 7 - indicateur de direction.

Les ondes radio haute fréquence (VHF) sont utilisées pour les radars ; avec leur aide, un faisceau dirigé se forme facilement et la puissance de rayonnement est élevée. Dans la gamme métrique et décimétrique, il existe des systèmes de vibrateurs à treillis, dans la gamme centimétrique et millimétrique, il existe des émetteurs paraboliques. La localisation peut être effectuée aussi bien en mode continu (pour détecter une cible) qu'en mode pulsé (pour déterminer la vitesse d'un objet).

Domaines d'application du radar :

• 
  Aéronautique, astronautique, marine : sécurité du trafic maritime par tous temps et à tout moment de la journée, prévention des collisions, sécurité des décollages… atterrissages d'avions.
• 
  Affaires militaires : détection rapide des avions ou missiles ennemis, réglage automatique des tirs anti-aériens.
• 
  Radar des planètes : mesurer leur distance, clarifier les paramètres de leurs orbites, déterminer la période de rotation, observer la topographie de la surface. Dans l'ex-Union soviétique (1961) - radar de Vénus, Mercure, Mars, Jupiter. Aux États-Unis et en Hongrie (1946) - une expérience de réception d'un signal réfléchi par la surface de la Lune.

Le circuit de télécommunication est, en principe, le même que le circuit de radiocommunication. La différence est qu'en plus du signal sonore, une image et des signaux de contrôle (changement de ligne et changement de trame) sont transmis pour synchroniser le fonctionnement de l'émetteur et du récepteur. Dans l'émetteur, ces signaux sont modulés et transmis, dans le récepteur, ils sont captés par l'antenne et chacun suit son propre chemin pour être traité.

Considérons l'un des schémas possibles pour convertir une image en ondes électromagnétiques à l'aide d'un iconoscope :

À l'aide d'un système optique, une image est projetée sur un écran mosaïque ; grâce à l'effet photoélectrique, les cellules de l'écran acquièrent une charge positive différente. Le canon à électrons produit un faisceau d'électrons qui se déplace à travers l'écran, déchargeant des cellules chargées positivement. Puisque chaque cellule est un condensateur, un changement de charge entraîne l'apparition d'une tension changeante - une oscillation électromagnétique. Le signal est ensuite amplifié et envoyé à un dispositif de modulation. Dans un kinéscope, le signal vidéo est reconverti en image (de différentes manières selon le principe de fonctionnement du kinéscope).

Comme un signal de télévision véhicule beaucoup plus d'informations qu'une radio, le travail s'effectue à hautes fréquences (mètres, décimètres).

Propagation des ondes radio.
Onde radio - est une onde électromagnétique dans la gamme (10 4

Chaque section de cette gamme est utilisée là où ses avantages peuvent être le mieux exploités. Les ondes radio de différentes portées se propagent sur différentes distances. La propagation des ondes radio dépend des propriétés de l'atmosphère. La surface terrestre, la troposphère et l'ionosphère ont également une forte influence sur la propagation des ondes radio.

Les ondes longues (>1000 m) se propagent :

• 
  À des distances allant jusqu'à 1 à 2 000 km en raison de la diffraction sur la surface sphérique de la Terre. Capable de faire le tour du monde (Fig. 1). Leur propagation se produit alors grâce à l'action de guidage du guide d'onde sphérique, sans réflexion.

Qualité de connexion :

Stabilité de la réception. La qualité de la réception ne dépend pas de l'heure de la journée, de l'année ou des conditions météorologiques.

Défauts:

En raison de la forte absorption de l'onde lors de sa propagation à la surface de la Terre, une grande antenne et un émetteur puissant sont nécessaires.

Les décharges atmosphériques (foudre) créent des interférences.

Usage:

• 
  La portée est utilisée pour la radiodiffusion, les communications radiotélégraphiques, les services de radionavigation et les communications avec les sous-marins.
• 
  Il existe un petit nombre de stations de radio diffusant des signaux horaires et des bulletins météorologiques.

Les ondes moyennes ( =100..1000 m) se propagent :

• 
  Comme les ondes longues, elles sont capables de se courber autour de la surface de la Terre.
• 
  Comme les ondes courtes, elles peuvent également être réfléchies de manière répétée par l’ionosphère.

Qualité de connexion :

• 
  Portée de communication courte. Les stations à ondes moyennes peuvent être entendues dans un rayon de plusieurs milliers de kilomètres. Mais il existe un niveau élevé d’interférences atmosphériques et industrielles.

• 
  Ils sont utilisés pour les communications officielles et amateurs, mais aussi principalement pour la radiodiffusion.

Les ondes courtes (=10..100 m) se propagent :

• 
  Réfléchi à plusieurs reprises par l'ionosphère et la surface de la Terre (Fig. 2)

La qualité de la réception sur ondes courtes dépend dans une large mesure de divers processus dans l'ionosphère associés au niveau d'activité solaire, à la période de l'année et à l'heure de la journée. Aucun émetteur haute puissance requis. Ils ne conviennent pas à la communication entre les stations au sol et les engins spatiaux, car ils ne traversent pas l'ionosphère.

Usage:

• 
  Pour les communications longue distance. Pour la télévision, la radiodiffusion et la communication radio avec des objets en mouvement. Des stations radiophoniques télégraphiques et téléphoniques départementales fonctionnent. Cette gamme est la plus « peuplée ».

Ondes ultracourtes (

• 
  Parfois, ils peuvent être réfléchis par les nuages, par des satellites artificiels ou même par la Lune. Dans ce cas, la portée de communication peut augmenter légèrement.

La réception des ondes ultracourtes se caractérise par une audibilité constante, l'absence d'évanouissement et une diminution des diverses interférences.

La communication sur ces ondes n'est possible qu'à distance de visibilité. L(Fig.7).

Répétiteur- un dispositif situé aux points intermédiaires des lignes de communication radio, amplifiant les signaux reçus et les transmettant davantage.

Retransmettre- réception des signaux en un point intermédiaire, leur amplification et leur transmission dans le même sens ou dans un autre. Le relais est conçu pour augmenter la portée de communication.

Il existe deux méthodes de relais : satellite et terrestre.

Satellite:

Un satellite relais actif reçoit un signal d'une station au sol, l'amplifie et, via un puissant émetteur directionnel, envoie le signal à la Terre dans la même direction ou dans une direction différente.

Sol:

Le signal est transmis à une station de radio terrestre analogique ou numérique ou à un réseau de telles stations, puis envoyé dans la même direction ou dans une direction différente.

1 – émetteur radio,

2 – antenne émettrice, 3 – antenne réceptrice, 4 – récepteur radio.

Usage:

• 
  Pour la communication avec les satellites artificiels de la Terre et

La VHF est divisée dans les gammes suivantes :

ondes métriques - de 10 à 1 mètre, utilisé pour les communications téléphoniques entre navires, navires et services portuaires.

décimètre - de 1 mètre à 10 cm, utilisé pour les communications par satellite.

centimètre - de 10 à 1 cm, utilisé en radar.

millimètre - de 1cm à 1mm, utilisé principalement en médecine.

Dans votre cours de physique de 7e année, vous avez étudié les vibrations mécaniques. Il arrive souvent que, apparues à un endroit, les vibrations se propagent aux zones voisines de l'espace. Souvenons-nous par exemple de la propagation des vibrations d'un caillou jeté dans l'eau ou des vibrations de la croûte terrestre se propageant depuis l'épicentre d'un tremblement de terre. Dans de tels cas, ils parlent de mouvement ondulatoire - vagues (Fig. 17.1). À partir de ce paragraphe, vous découvrirez les caractéristiques du mouvement des vagues.

Créer des ondes mécaniques

Prenons une corde assez longue, dont nous attacherons une extrémité à une surface verticale, et l'autre que nous déplacerons de haut en bas (osciller). Les vibrations de la main se propageront le long de la corde, impliquant progressivement des points de plus en plus éloignés dans le mouvement oscillatoire - une onde mécanique parcourra la corde (Fig. 17.2).

Une onde mécanique est la propagation de vibrations dans un milieu élastique*.

Maintenant, nous fixons horizontalement un long ressort souple et appliquons une série de coups successifs sur son extrémité libre - une vague constituée de condensations et de raréfactions des spires du ressort se déroulera dans le ressort (Fig. 17.3).

Les ondes décrites ci-dessus sont visibles, mais la plupart des ondes mécaniques sont invisibles, comme les ondes sonores (Figure 17.4).

À première vue, toutes les ondes mécaniques sont complètement différentes, mais les raisons de leur apparition et de leur propagation sont les mêmes.

On découvre comment et pourquoi une onde mécanique se propage dans un milieu

Toute onde mécanique est créée par un corps oscillant – la source de l'onde. En effectuant un mouvement oscillatoire, la source d'ondes déforme les couches du milieu les plus proches d'elle (les comprime et les étire ou les déplace). Il en résulte des forces élastiques qui agissent sur les couches voisines du milieu et les amènent à effectuer des vibrations forcées. Ces couches déforment à leur tour les couches suivantes et les font vibrer. Peu à peu, les unes après les autres, toutes les couches du milieu sont impliquées dans un mouvement oscillatoire : une onde mécanique se propage à travers le milieu.

Riz. 17.6. Dans une onde longitudinale, les couches du milieu oscillent dans la direction de propagation de l'onde.

On distingue les ondes mécaniques transversales et longitudinales

Comparons la propagation des ondes le long d'une corde (voir Fig. 17.2) et dans un ressort (voir Fig. 17.3).

Des parties individuelles de la corde se déplacent (oscillent) perpendiculairement à la direction de propagation de l'onde (sur la Fig. 17.2, l'onde se propage de droite à gauche et des parties de la corde se déplacent de haut en bas). De telles ondes sont appelées transversales (Fig. 17.5). Lorsque les ondes transversales se propagent, certaines couches du milieu se déplacent par rapport à d'autres. La déformation par déplacement s'accompagne de l'apparition de forces élastiques uniquement dans les solides, les ondes transversales ne peuvent donc pas se propager dans les liquides et les gaz. Ainsi, les ondes transversales ne se propagent que dans les solides.

Lorsqu'une onde se propage dans un ressort, les spires du ressort se déplacent (oscillent) dans la direction de propagation de l'onde. De telles ondes sont appelées longitudinales (Fig. 17.6). Lorsqu'une onde longitudinale se propage, des déformations en compression et en traction se produisent dans le milieu (dans le sens de propagation de l'onde, la densité du milieu augmente ou diminue). De telles déformations dans n'importe quel environnement s'accompagnent de l'apparition de forces élastiques. Par conséquent, les ondes longitudinales se propagent dans les solides, les liquides et les gaz.

Les ondes à la surface d'un liquide ne sont ni longitudinales ni transversales. Ils ont un caractère longitudinal-transversal complexe, avec des particules liquides se déplaçant le long d'ellipses. Vous pouvez facilement le vérifier si vous jetez un morceau de bois léger à la mer et observez son mouvement à la surface de l’eau.

Découvrir les propriétés fondamentales des ondes

1. Le mouvement oscillatoire d'un point du milieu à un autre n'est pas transmis instantanément, mais avec un certain retard, de sorte que les ondes se propagent dans le milieu avec une vitesse finie.

2. La source des ondes mécaniques est un corps oscillant. Lorsqu'une onde se propage, les oscillations de parties du milieu sont forcées, donc la fréquence d'oscillation de chaque partie du milieu est égale à la fréquence d'oscillation de la source d'onde.

3. Les ondes mécaniques ne peuvent pas se propager dans le vide.

4. Le mouvement des vagues ne s'accompagne pas d'un transfert de matière : certaines parties du milieu oscillent simplement par rapport à des positions d'équilibre.

5. Avec l'arrivée d'une onde, des parties du milieu commencent à se déplacer (acquérir de l'énergie cinétique). Cela signifie que le transfert d’énergie se produit au fur et à mesure que l’onde se propage.

Le transfert d’énergie sans transfert de matière est la propriété la plus importante de toute onde.

Rappelez-vous la propagation des ondes à la surface de l'eau (Fig. 17.7). Quelles observations confirment les propriétés fondamentales du mouvement des vagues ?

On rappelle les grandeurs physiques qui caractérisent les vibrations

Une onde est la propagation d'oscillations, donc les grandeurs physiques qui caractérisent les oscillations (fréquence, période, amplitude) caractérisent également l'onde. Alors, rappelons-nous le matériel de 7e année :

	Grandeurs physiques caractérisant les vibrations
	Fréquence d'oscillation ν	Période d'oscillation T	Amplitude d'oscillation A
Définir	nombre d'oscillations par unité de temps	temps d'une oscillation	la distance maximale à laquelle un point s'écarte de sa position d'équilibre
Formule pour déterminer
	N est le nombre d'oscillations par intervalle de temps t
Unité SI		seconde(s)

Note! Lorsqu'une onde mécanique se propage, toutes les parties du milieu dans lesquelles l'onde se propage vibrent avec la même fréquence (ν), qui est égale à la fréquence d'oscillation de la source d'onde, donc la période

les vibrations (T) pour tous les points du milieu sont également les mêmes, car

Mais l’amplitude des oscillations diminue progressivement avec la distance à la source d’ondes.

Découvrez la longueur et la vitesse de propagation des ondes

Pensez à la propagation d'une onde le long d'une corde. Laissez l'extrémité de la corde effectuer une oscillation complète, c'est-à-dire que le temps de propagation de l'onde est égal à une période (t = T). Pendant ce temps, l'onde s'est propagée sur une certaine distance λ (Fig. 17.8, a). Cette distance s'appelle la longueur d'onde.

La longueur d'onde λ est la distance sur laquelle l'onde se propage en un temps égal à la période T :

où v est la vitesse de propagation des ondes. L'unité SI de longueur d'onde est le mètre :

Il est facile de remarquer que les points de la corde situés à une distance de même longueur d'onde les uns des autres oscillent de manière synchrone - ils ont la même phase d'oscillation (Fig. 17.8, b, c). Par exemple, les points A et B d'une corde montent simultanément, atteignent simultanément la crête d'une vague, puis commencent simultanément à descendre, etc.

Riz. 17.8. La longueur d'onde est égale à la distance parcourue par l'onde lors d'une oscillation (c'est aussi la distance entre les deux crêtes les plus proches ou les deux creux les plus proches)

A l'aide de la formule λ = vT, vous pouvez déterminer la vitesse de propagation

nous obtenons une formule pour la relation entre la longueur, la fréquence et la vitesse de propagation des ondes - la formule des ondes :

Si une onde passe d'un milieu à un autre, la vitesse de sa propagation change, mais la fréquence reste inchangée, puisque la fréquence est déterminée par la source de l'onde. Ainsi, selon la formule v = λν, lorsqu'une onde passe d'un milieu à un autre, la longueur d'onde change.

Formule de vague

Apprendre à résoudre des problèmes

Tâche. Une onde transversale se propage le long de la corde à une vitesse de 3 m/s. En figue. La figure 1 montre la position du cordon à un moment donné et la direction de propagation des ondes. En supposant que le côté de la cellule mesure 15 cm, déterminez :

1) amplitude, période, fréquence et longueur d'onde ;

Analyse du problème physique, solution

L'onde est transversale, donc les pointes de la corde oscillent perpendiculairement à la direction de propagation de l'onde (elles se déplacent de haut en bas par rapport à certaines positions d'équilibre).

1) D'après la fig. 1 on voit que l'écart maximum par rapport à la position d'équilibre (amplitude de l'onde A) est égal à 2 cellules. Cela signifie A = 2 15 cm = 30 cm.

La distance entre la crête et le creux est respectivement de 60 cm (4 cellules), la distance entre les deux crêtes les plus proches (longueur d'onde) est deux fois plus grande. Cela signifie λ = 2 60 cm = 120 cm = 1,2 m.

On trouve la fréquence ν et la période T de l'onde en utilisant la formule d'onde :

2) Pour connaître le sens de déplacement des pointes de la corde, nous allons réaliser une construction complémentaire. Laissez l’onde se déplacer sur une petite distance sur un court intervalle de temps Δt. Puisque l’onde se déplace vers la droite et que sa forme ne change pas avec le temps, les pointes de la corde prendront la position indiquée sur la Fig. 2 lignes pointillées.

L'onde est transversale, c'est-à-dire que les pointes de la corde se déplacent perpendiculairement à la direction de propagation de l'onde. De la fig. 2 on voit que le point K après un intervalle de temps Δt sera inférieur à sa position initiale, donc la vitesse de son mouvement est dirigée vers le bas ; le point B se déplacera plus haut, par conséquent, sa vitesse de déplacement est dirigée vers le haut ; le point C se déplacera plus bas, par conséquent, sa vitesse de déplacement est dirigée vers le bas.

Réponse : A = 30 cm ; T = 0,4 s ; v = 2,5 Hz ; λ = 1,2 m; K et C - vers le bas, B - vers le haut.

Résumons-le

La propagation des vibrations dans un milieu élastique est appelée onde mécanique. Une onde mécanique dans laquelle des parties du milieu vibrent perpendiculairement à la direction de propagation de l'onde est dite transversale ; une onde dans laquelle des parties du milieu oscillent dans la direction de propagation de l'onde est dite longitudinale.

Une onde ne se propage pas instantanément dans l’espace, mais à une certaine vitesse. Lorsqu'une onde se propage, l'énergie est transférée sans que la matière soit transférée. La distance sur laquelle une onde se propage dans un temps égal à une période est appelée longueur d'onde - c'est la distance entre les deux points les plus proches qui oscillent de manière synchrone (ont la même phase d'oscillation). La longueur λ, la fréquence ν et la vitesse v de propagation des ondes sont liées par la formule d'onde : v = λν.

Questions de contrôle

1. Définir une onde mécanique. 2. Décrire le mécanisme de formation et de propagation d'une onde mécanique. 3. Nommez les principales propriétés du mouvement des vagues. 4. Quelles ondes sont appelées longitudinales ? transversal? Dans quels environnements se propagent-ils ? 5. Qu'est-ce que la longueur d'onde ? Comment est-il défini ? 6. Quel est le rapport entre la longueur, la fréquence et la vitesse de propagation des ondes ?

Exercice n°17

1. Déterminez la longueur de chaque vague de la Fig. 1.

2. Dans l'océan, la longueur d'onde atteint 270 m et sa période est de 13,5 s. Déterminez la vitesse de propagation d’une telle onde.

3. La vitesse de propagation de l'onde et la vitesse de déplacement des points du milieu dans lequel l'onde se propage coïncident-elles ?

4. Pourquoi une onde mécanique ne se propage-t-elle pas dans le vide ?

5. À la suite d’une explosion produite par des géologues, une onde s’est propagée dans la croûte terrestre à une vitesse de 4,5 km/s. Réfléchie depuis les couches profondes de la Terre, l'onde a été enregistrée à la surface de la Terre 20 s après l'explosion. À quelle profondeur se trouve la roche dont la densité diffère fortement de la densité de la croûte terrestre ?

6. Sur la fig. La figure 2 montre deux cordes le long desquelles se propage une onde transversale. Chaque corde indique la direction de vibration d'un de ses points. Déterminez les directions de propagation des ondes.

7. Sur la fig. La figure 3 montre la position de deux cordes le long desquelles l'onde se propage, ainsi que la direction de propagation de chaque onde. Pour chaque cas a et b, déterminez : 1) l'amplitude, la période, la longueur d'onde ; 2) la direction dans laquelle se déplacent les points A, B et C de la corde à un instant donné ; 3) le nombre d'oscillations que fait n'importe quel point de la corde en 30 s. Supposons que le côté de la cellule mesure 20 cm.

8. Un homme debout au bord de la mer a déterminé que la distance entre les crêtes des vagues voisines est de 15 m. De plus, il a calculé qu'en 75 s, 16 crêtes des vagues atteignent le rivage. Déterminez la vitesse de propagation des ondes.

Ceci est du matériel de manuel

Pour qu’une onde existe, il faut une source de vibration et un milieu ou champ matériel dans lequel cette onde se propage. Les vagues sont de natures très diverses, mais elles suivent des schémas similaires.

Par nature physique distinguer:

Par orientation des perturbations distinguer:

Vagues longitudinales - Le déplacement des particules se produit dans la direction de propagation ; il est nécessaire d'avoir une force élastique dans le milieu lors de la compression ; peut se propager dans n’importe quel environnement. Exemples: les ondes sonores

Ondes transversales - Le déplacement des particules se produit dans la direction de propagation ; ne peut se propager que dans des milieux élastiques ; il est nécessaire d'avoir une force de cisaillement élastique dans le milieu ; ne peut se propager que dans les milieux solides (et à la limite de deux milieux). Exemples: vagues élastiques dans une ficelle, vagues sur l'eau

Par nature de dépendance au temps distinguer:

Ondes élastiques - des compensations mécaniques (déformations) se propageant en milieu élastique. Une onde élastique s’appelle harmonique(sinusoïdale) si les oscillations correspondantes du milieu sont harmoniques.

Vagues en cours d'exécution - les ondes qui transfèrent l'énergie dans l'espace.

Selon la forme de la surface de l'onde : onde plane, sphérique, cylindrique.

front de vague- la localisation géométrique des points atteints par les vibrations à un instant donné.

surface des vagues- lieu géométrique des points oscillant dans la même phase.

Caractéristiques des vagues

Longueur d'onde - la distance sur laquelle l'onde se propage en un temps égal à la période d'oscillation

Amplitude de la vague A - amplitude des oscillations des particules dans l'onde

Vitesse des vagues v - vitesse de propagation des perturbations dans le milieu

Période de vague T - période d'oscillation

Fréquence des vagues ν - l'inverse de la période

Équation des ondes progressives

Lors de la propagation d'une onde progressive, les perturbations du milieu atteignent les points suivants de l'espace, tandis que l'onde transfère de l'énergie et de la quantité de mouvement, mais ne transfère pas de matière (les particules du milieu continuent d'osciller au même endroit dans l'espace).

Où v – vitesse , φ 0 – phase initiale , ω – fréquence cyclique , UN- amplitude

Propriétés des ondes mécaniques

1. Réflexion des vagues – Les ondes mécaniques de toute origine ont la capacité d’être réfléchies depuis l’interface entre deux milieux. Si une onde mécanique se propageant dans un milieu rencontre un obstacle sur son chemin, elle peut alors radicalement modifier la nature de son comportement. Par exemple, à l'interface entre deux milieux aux propriétés mécaniques différentes, l'onde est partiellement réfléchie et pénètre partiellement dans le deuxième milieu.

2. Réfraction des vagues – Lorsque des ondes mécaniques se propagent, on peut également observer le phénomène de réfraction : un changement de sens de propagation des ondes mécaniques lors du passage d'un milieu à un autre.

3. Diffraction des ondes – déviation des ondes de la propagation linéaire, c'est-à-dire leur courbure autour des obstacles.

4. Interférence des ondes – ajout de deux vagues. Dans l'espace où se propagent plusieurs ondes, leur interférence conduit à l'émergence de régions avec des valeurs minimales et maximales de l'amplitude d'oscillation

Interférence et diffraction des ondes mécaniques.

Une onde se déplaçant le long d’un élastique ou d’une ficelle est réfléchie par une extrémité fixe ; dans ce cas, une vague apparaît se déplaçant dans la direction opposée.

Lorsque les ondes se chevauchent, des interférences peuvent se produire. Le phénomène d'interférence se produit lorsque des ondes cohérentes se superposent.

Cohérent appelévagues, ayant les mêmes fréquences, une différence de phase constante et des oscillations se produisent dans le même plan.

Ingérence est un phénomène constant dans le temps d'amplification et d'affaiblissement mutuels des oscillations en différents points du milieu résultant de la superposition d'ondes cohérentes.

Le résultat de la superposition des ondes dépend des phases dans lesquelles les oscillations se superposent.

Si les ondes des sources A et B arrivent au point C dans les mêmes phases, alors les oscillations augmenteront ; si - dans des phases opposées, alors un affaiblissement des oscillations est observé. En conséquence, un modèle stable de zones alternées d’oscillations renforcées et affaiblies se forme dans l’espace.

Conditions maximales et minimales

Si les oscillations des points A et B sont en phase et ont des amplitudes égales, alors il est évident que le déplacement résultant au point C dépend de la différence de trajectoire des deux ondes.

Conditions maximales

Si la différence de trajectoire de ces ondes est égale à un nombre entier d’ondes (c’est-à-dire un nombre pair de demi-ondes) Δd = kλ , Où k= 0, 1, 2, ..., alors au point de chevauchement de ces ondes un maximum d'interférence se forme.

Condition maximale :

A = 2x0.

Condition minimale

Si la différence de trajet de ces ondes est égale à un nombre impair d'alternances, cela signifie que les ondes des points A et B arriveront au point C en antiphase et s'annuleront.

Condition minimale :

Amplitude de l'oscillation résultante UNE = 0.

Si Δd n’est pas égal à un nombre entier d’alternances, alors 0< А < 2х 0 .

Diffraction des ondes.

Le phénomène de déviation de la propagation rectiligne et de courbure des ondes autour des obstacles est appelédiffraction.

La relation entre la longueur d'onde (λ) et la taille de l'obstacle (L) détermine le comportement de la vague. La diffraction se manifeste le plus clairement si la longueur de l'onde incidente est supérieure à la taille de l'obstacle. Les expériences montrent que la diffraction existe toujours, mais devient perceptible dans les conditions d<<λ , où d est la taille de l'obstacle.

La diffraction est une propriété générale des ondes de toute nature qui se produit toujours, mais les conditions de son observation sont différentes.

Une vague à la surface de l'eau se propage vers un obstacle suffisamment grand, derrière lequel se forme une ombre, c'est-à-dire aucun processus ondulatoire n’est observé. Cette propriété est utilisée lors de la construction de brise-lames dans les ports. Si la taille de l’obstacle est comparable à la longueur d’onde, alors des vagues seront observées derrière l’obstacle. Derrière lui, la vague se propage comme s'il n'y avait aucun obstacle, c'est-à-dire on observe une diffraction des ondes.

Exemples de manifestations de diffraction . L'audibilité d'une conversation bruyante au coin de la maison, des bruits dans la forêt, des vagues à la surface de l'eau.

Ondes stationnaires

Ondes stationnaires sont formés en ajoutant une onde directe et réfléchie si elles ont la même fréquence et la même amplitude.

Dans une corde fixée aux deux extrémités, des vibrations complexes apparaissent, qui peuvent être considérées comme le résultat d'une superposition ( superpositions) deux ondes se propageant dans des directions opposées et subissant des réflexions et re-réflexions aux extrémités. Les vibrations des cordes attachées aux deux extrémités créent les sons de tous les instruments de musique à cordes. Un phénomène très similaire se produit avec le son des instruments à vent, y compris les tuyaux d’orgue.

Vibrations des cordes. Dans une corde tendue fixée aux deux extrémités, lorsque des vibrations transversales sont excitées, vagues stationnaires , et les nœuds doivent être situés aux endroits où la chaîne est fixée. Par conséquent, dans la chaîne, ils sont excités par intensité notable seules de telles vibrations, dont la moitié de la longueur d'onde s'adapte un nombre entier de fois sur la longueur de la corde.

Cela implique la condition

Les longueurs d'onde correspondent aux fréquences

n = 1, 2, 3...Fréquences vn sont appelés fréquences naturelles cordes.

Vibrations harmoniques avec fréquences vn sont appelés vibrations naturelles ou normales . On les appelle aussi harmoniques. De manière générale, la vibration d’une corde est une superposition de diverses harmoniques.

Équation des ondes stationnaires :

Aux points où les coordonnées satisfont à la condition (n= 1, 2, 3, ...), l'amplitude totale est égale à la valeur maximale - c'est ventres onde stationnaire. Coordonnées du ventre :

Aux points dont les coordonnées satisfont à la condition (n= 0, 1, 2,…), l’amplitude totale des oscillations est nulle – Ce nœuds onde stationnaire. Coordonnées du nœud :

La formation d'ondes stationnaires est observée lors de l'interférence des ondes progressives et réfléchies. A la limite où l'onde est réfléchie, un ventre est obtenu si le milieu à partir duquel la réflexion se produit est moins dense (a), et un nœud - s'il est plus dense (b).

Si l'on considère vague progressive , puis dans le sens de sa propagation énergie transférée mouvement oscillatoire. Quand même il n'y a pas d'onde stationnaire de transfert d'énergie , parce que Les ondes incidentes et réfléchies de même amplitude transportent la même énergie dans des directions opposées.

Les ondes stationnaires apparaissent, par exemple, dans une corde tendue fixée aux deux extrémités lorsque des vibrations transversales y sont excitées. De plus, aux endroits de fixation, il y a des nœuds d'onde stationnaire.

Si une onde stationnaire s’établit dans une colonne d’air ouverte à une extrémité (onde sonore), alors un ventre se forme à l’extrémité ouverte et un nœud se forme à l’extrémité opposée.

Mécaniquevague en physique, c'est le phénomène de propagation de perturbations, accompagné du transfert d'énergie d'un corps oscillant d'un point à un autre sans transporter de matière, dans un milieu élastique.

Un milieu dans lequel il y a une interaction élastique entre les molécules (liquide, gazeux ou solide) est une condition préalable à l'apparition de perturbations mécaniques. Ils ne sont possibles que lorsque les molécules d’une substance entrent en collision les unes avec les autres, transférant de l’énergie. Un exemple de telles perturbations est le son (onde acoustique). Le son peut voyager dans l’air, l’eau ou un solide, mais pas dans le vide.

Pour créer une onde mécanique, une certaine énergie initiale est nécessaire, ce qui fera sortir le milieu de sa position d'équilibre. Cette énergie sera ensuite transmise par l'onde. Par exemple, une pierre jetée dans une petite quantité d’eau crée une vague à la surface. Un cri fort crée une onde acoustique.

Principaux types d'ondes mécaniques :

• Son;
• À la surface de l’eau ;
• Tremblements de terre ;
• Ondes sismiques.

Les ondes mécaniques ont des pics et des vallées comme tous les mouvements oscillatoires. Leurs principales caractéristiques sont :

• Fréquence. C'est le nombre de vibrations qui se produisent par seconde. Unités SI : [ν] = [Hz] = [s -1 ].
• Longueur d'onde. La distance entre les sommets ou les vallées adjacents. [λ] = [m].
• Amplitude. La plus grande déviation d'un point du milieu par rapport à la position d'équilibre. [X max] = [m].
• Vitesse. C'est la distance parcourue par une onde en une seconde. [V] = [m/s].

Longueur d'onde

La longueur d'onde est la distance entre les points les plus proches les uns des autres qui oscillent dans les mêmes phases.

Les ondes se propagent dans l'espace. La direction de leur propagation est appelée faisceau et est désigné par une ligne perpendiculaire à la surface de l'onde. Et leur vitesse est calculée par la formule :

La limite de la surface d'onde, séparant la partie du milieu dans laquelle les oscillations se produisent déjà, de la partie du milieu dans laquelle les oscillations n'ont pas encore commencé - vaguedevant.

Ondes longitudinales et transversales

L'un des moyens de classer le type mécanique des ondes consiste à déterminer la direction de déplacement des particules individuelles du milieu dans l'onde par rapport à la direction de sa propagation.

Selon la direction de déplacement des particules dans les vagues, il y a :

1. Transversalvagues. Les particules du milieu dans ce type d’onde vibrent perpendiculairement au faisceau d’ondes. Les ondulations d’un étang ou les cordes vibrantes d’une guitare peuvent aider à représenter les ondes transversales. Ce type de vibration ne peut pas se propager dans un milieu liquide ou gazeux, car les particules de ces milieux se déplacent de manière chaotique et il est impossible d'organiser leur mouvement perpendiculairement à la direction de propagation de l'onde. Les ondes transversales se déplacent beaucoup plus lentement que les ondes longitudinales.
2. Longitudinalvagues. Les particules du milieu oscillent dans le même sens que celui dans lequel l'onde se propage. Certaines ondes de ce type sont appelées ondes de compression ou de compression. Les oscillations longitudinales d'un ressort - compression et extension périodiques - permettent une bonne visualisation de ces ondes. Les ondes longitudinales sont les ondes mécaniques les plus rapides. Les ondes sonores dans l’air, les tsunamis et les ultrasons sont longitudinaux. Il s'agit notamment d'un certain type d'ondes sismiques se propageant sous terre et dans l'eau.

Vous pouvez imaginer ce que sont les ondes mécaniques en jetant une pierre dans l'eau. Les cercles qui y apparaissent et alternant dépressions et crêtes sont un exemple d'ondes mécaniques. Quelle est leur essence ? Les ondes mécaniques sont le processus de propagation des vibrations dans un milieu élastique.

Vagues sur des surfaces liquides

De telles ondes mécaniques existent en raison de l’influence des forces d’interaction intermoléculaire et de la gravité sur les particules liquides. Les gens étudient ce phénomène depuis longtemps. Les plus remarquables sont l’océan et les vagues. À mesure que la vitesse du vent augmente, ils changent et leur hauteur augmente. La forme des vagues elles-mêmes devient également plus complexe. Dans l’océan, ils peuvent atteindre des proportions effrayantes. L’un des exemples les plus évidents de force est celui d’un tsunami qui emporte tout sur son passage.

Énergie de la mer et des vagues océaniques

En atteignant le rivage, les vagues augmentent avec un changement brusque de profondeur. Ils atteignent parfois plusieurs mètres de hauteur. A de tels moments, une masse colossale d'eau est transférée vers les obstacles côtiers, qui sont rapidement détruits sous son influence. La force des vagues atteint parfois des niveaux énormes.

Ondes élastiques

En mécanique, ils étudient non seulement les vibrations à la surface d’un liquide, mais aussi les ondes dites élastiques. Ce sont des perturbations qui se propagent dans différents milieux sous l'influence des forces élastiques qui s'y trouvent. Une telle perturbation représente tout écart des particules d'un milieu donné par rapport à la position d'équilibre. Un exemple clair d’ondes élastiques est une longue corde ou un tube en caoutchouc attaché à une extrémité à quelque chose. Si vous le tirez fermement et que vous créez ensuite une perturbation à la deuxième extrémité (non sécurisée) avec un mouvement latéral brusque, vous pouvez voir comment il « court » sur toute la longueur de la corde jusqu'au support et est réfléchi.

La perturbation initiale entraîne l'apparition d'une onde dans le milieu. Elle est causée par l’action d’un corps étranger, appelé en physique source d’ondes. Il peut s'agir de la main d'une personne qui balance une corde ou d'un caillou jeté à l'eau. Dans le cas où l'action de la source est de courte durée, une seule onde apparaît souvent à moyen terme. Lorsque le « perturbateur » produit de longues vagues, celles-ci commencent à apparaître les unes après les autres.

Conditions d'apparition des ondes mécaniques

Ce type d'oscillation ne se produit pas toujours. Une condition nécessaire à leur apparition est l'apparition au moment de la perturbation de l'environnement de forces l'empêchant, notamment l'élasticité. Ils ont tendance à rapprocher les particules voisines lorsqu’elles s’éloignent et à les éloigner les unes des autres lorsqu’elles se rapprochent. Les forces élastiques, agissant sur des particules éloignées de la source de perturbation, commencent à les déséquilibrer. Au fil du temps, toutes les particules du milieu sont impliquées dans un mouvement oscillatoire. La propagation de telles oscillations est une onde.

Ondes mécaniques en milieu élastique

Dans une onde élastique, il existe simultanément 2 types de mouvements : les oscillations des particules et la propagation des perturbations. Une onde mécanique est dite longitudinale, dont les particules oscillent dans le sens de sa propagation. Une onde transversale est une onde dont les particules moyennes oscillent dans la direction de sa propagation.

Propriétés des ondes mécaniques

Les perturbations dans une onde longitudinale représentent la raréfaction et la compression, et dans une onde transversale, elles représentent des déplacements (déplacements) de certaines couches du milieu par rapport à d'autres. La déformation en compression s'accompagne de l'apparition de forces élastiques. Dans ce cas, elle est associée à l'apparition de forces élastiques exclusivement dans les solides. Dans les milieux gazeux et liquides, le déplacement des couches de ces milieux ne s'accompagne pas de l'apparition de la force évoquée. De par leurs propriétés, les ondes longitudinales peuvent se propager dans n'importe quel milieu, tandis que les ondes transversales peuvent se propager exclusivement dans les milieux solides.

Caractéristiques des vagues à la surface des liquides

Les ondes à la surface d'un liquide ne sont ni longitudinales ni transversales. Ils ont un caractère plus complexe, dit longitudinal-transversal. Dans ce cas, les particules liquides se déplacent en cercle ou le long d'ellipses allongées. les particules à la surface du liquide, et surtout avec de fortes vibrations, s'accompagnent de leur mouvement lent mais continu dans le sens de propagation de l'onde. Ce sont ces propriétés des ondes mécaniques dans l'eau qui provoquent l'apparition de divers fruits de mer sur le rivage.

Fréquence des ondes mécaniques

Si la vibration de ses particules est excitée dans un milieu élastique (liquide, solide, gazeux), alors en raison de l'interaction entre elles, elle se propagera à la vitesse u. Ainsi, s'il y a un corps oscillant dans un milieu gazeux ou liquide, son mouvement commencera à être transmis à toutes les particules adjacentes. Ils impliqueront les suivants dans le processus et ainsi de suite. Dans ce cas, absolument tous les points du milieu commenceront à osciller à la même fréquence, égale à la fréquence du corps oscillant. C'est la fréquence de l'onde. En d’autres termes, cette grandeur peut être caractérisée par les points du milieu où l’onde se propage.

Il n’est peut-être pas immédiatement clair comment ce processus se déroule. Les ondes mécaniques sont associées au transfert d'énergie du mouvement vibratoire de sa source vers la périphérie du milieu. Au cours de ce processus, des déformations dites périodiques apparaissent, transférées par une onde d'un point à un autre. Dans ce cas, les particules du milieu elles-mêmes ne se déplacent pas avec la vague. Ils oscillent près de leur position d'équilibre. C'est pourquoi la propagation d'une onde mécanique ne s'accompagne pas d'un transfert de matière d'un endroit à un autre. Les ondes mécaniques ont des fréquences différentes. Par conséquent, ils ont été divisés en gammes et une échelle spéciale a été créée. La fréquence est mesurée en Hertz (Hz).

Formules de base

Les ondes mécaniques, dont les formules de calcul sont assez simples, sont un objet intéressant à étudier. La vitesse de l'onde (υ) est la vitesse de déplacement de son front (la localisation géométrique de tous les points auxquels la vibration du milieu a atteint à un instant donné) :

où ρ est la densité du milieu, G est le module élastique.

Lors du calcul, il ne faut pas confondre la vitesse d'une onde mécanique dans un milieu avec la vitesse de déplacement des particules du milieu impliquées dans le processus. Ainsi, par exemple, une onde sonore dans l'air se propage avec une vitesse de vibration moyenne de. ses molécules de 10 m/s, alors que la vitesse d'une onde sonore dans des conditions normales est de 330 m/s.

Il existe différents types de front d’onde dont les plus simples sont :

Sphérique - provoqué par des vibrations dans un milieu gazeux ou liquide. L'amplitude de l'onde diminue avec la distance à la source, inversement proportionnelle au carré de la distance.

Plat - est un plan perpendiculaire à la direction de propagation des ondes. Cela se produit, par exemple, dans un cylindre à piston fermé lorsqu'il effectue des mouvements oscillatoires. Une onde plane se caractérise par une amplitude presque constante. Sa légère diminution avec l'éloignement de la source de perturbation est liée au degré de viscosité du milieu gazeux ou liquide.

Longueur d'onde

On entend par là la distance à laquelle son front sera déplacé en un temps égal à la période d'oscillation des particules du milieu :

λ = υT = υ/v = 2πυ/ ω,

où T est la période d'oscillation, υ est la vitesse des vagues, ω est la fréquence cyclique, ν est la fréquence d'oscillation des points du milieu.

La vitesse de propagation d'une onde mécanique étant entièrement dépendante des propriétés du milieu, sa longueur λ change lors du passage d'un milieu à l'autre. Dans ce cas, la fréquence d'oscillation ν reste toujours la même. Mécanique et similaire dans la mesure où lors de leur propagation, l'énergie est transférée, mais la substance n'est pas transférée.