Qu'est-ce qu'une onde?

Qu'est-ce qu'une onde?
Condition de propagation d'une onde
Fréquence, célérité et longueur d'onde

Beaucoup de phénomènes physiques se transmettent sous la forme d'ondes.
Les ondes mécaniques : vibrations mécaniques, ondes sonores, vagues à la surface de l'eau, ondes sismiques etc. où se propage un état de tension, de vitesse et de pression...
Les ondes électromagnétique : lumière, ondes radio, infrarouge, ultraviolet, rayon X, rayon gamma, où se propage un état de champs électrique et magnétique...
Les ondes de spin où se propage un état d'orientation d'atomes etc.
Etc.

Remarque
Lors de la propagation d'une onde d'un point vers un autre, il n'y a pas de transport de matière (les vagues ne font pas avancer le bateau). L'onde ne transporte que de l'énergie; un point atteint par une onde reproduit l'état de la source avec une amplitude moindre et un retard du à la durée nécessaire à l'onde pour parcourir la distance qui le sépare de la source. Ainsi, sur l'animation ci-dessous, le point M effectue le même mouvement que la source S.

Condition de propagation d'une onde

Pour qu'une onde se propage il faut:

• que le milieu environnant la source permette la propagation de l'onde. Par exemple, les ondes sonores ne se propagent pas dans le vide, les ondes lumineuses ne se propagent pas dans les substances opaques, les rayons X se propagent dans les tissus biologiques mous mais pas dans les os.
• que la source soit dans un état vibratoire: corde vibrante d'un instrument de musique, vibration des électrons dans une antenne, etc.

Dans le cas ou le phénomène est perpendiculaire à la direction de propagation, l'onde est transversale; c'est le cas du champ électrique et du champ magnétique de l'onde électromagnétique, du déplacement des points d'une corde.
Il est des cas plus complexes: l'eau des vagues effectue de petits cercles.

Fréquence, célérité et longueur d'onde

La fréquence N mesure le nombre de vibrations par seconde de la source; en général, un point atteint par l'onde vibrera avec la même fréquence que la source. La fréquence se mesure en hertz. 1Hz = 1 vibration par seconde.
On appelle période T la durée (mesurée en secondes) d'une vibration entière.
Si une source vibre avec la fréquence N sa période sera T = 1/N
Par exemple,
les ondes sonores audibles sont émises par des sources vibrant mécaniquement entre 50 et 15 000 Hz
Les ondes lumineuses (électromagnétiques) visibles par l'oeil humain sont émises à des fréquences entre 3,7 10¹⁴Hz et 7,5.10¹⁴Hz

La célérité de l'onde est la vitesse c avec laquelle l'onde se propage. Le point M reproduit l'état de la source S avec un retard dt = SM/c
La célérité des ondes dépend du milieu de propagation, de la nature physique du phénomène. Pour un même milieu de propagation, la célérité des ondes dépend souvent de la fréquence de vibration.
Par exemple:
le son se propage dans l'air sec à 25°C à 346 m/s, dans l'eau à 1500 m/s et dans l'acier à près de 5000 m/s mais ne dépend pas de la fréquence (on n'entend pas la flute avant la contrebasse!);
Les vagues à la surface de la mer se propagent avec une célérité egale à 1,56 fois leur période;
une vague de période 10 seconde se propage à 15,6 m/s (56 km/h)
une vague de période 5 seconde se propage à 7,8 m/s (28 km/h)
La lumière se propage à 300 000 km/s quelque soit sa fréquence dans le vide, mais dans un matériaux transparent, la célérité des ondes lumineuses dépend de sa couleur (donc de sa longueur d'onde) et du milieu de propagation.

Longueur d'onde

Durant une période T, un front d'onde a parcouru une distance l =c*T = c/N. Cette distance est appelée longueur d'onde

Deux point séparés par un nombre entier de longueur d'onde sont dans le même état de vibration; on dit qu'ils vibrent en phase. Ici les points M1, M2 et M3 vibrent en phase, ils sont séparés par une longueur d'onde;

Exemple de longueur d'onde

Dans le vide, la célérité des ondes électromagnétique est de 299 792 000 m/s, la lumière visible a une longueur d'onde comprise entre 0,4 µm et 0,8 µm.
Dans l'air sec à 20 °C, la célérité des ondes sonores est de 344 m/s; la fréquence de la note La3 est de 440 Hz; la longueur d'onde est donc de 78,2 cm.
Il ne faut pas confondre ces deux phénomènes : les ondes sonores sont des ondes mécaniques de variation de pression de l'air (ou des matériaux dans lesquels le son se propage), la lumière est une onde électromagnétique (champ électrique et champ magnétique) en général perpendiculaires à la direction de propagation.

Cas de la lumière

La lumière est une onde électromagnétique. Elle se propage dans le vide à une vitesse d'environ 300 000 km/s, limite infranchissable fixée par la relativité restreinte d'Einstein.

Vous avez déjà sûrement entendu parler d'infrarouge, ultraviolet ou encore de rayons  X. En réalité, tous ces types de rayonnement sont de même type que la lumière. Ce qui définit la nature du rayonnement est sa longueur d'onde (voir schéma ci-dessous). Par exemple, les ondes radio ont une longueur d'onde de 10 cm environ. La lumière visible (les couleurs de l'arc-en-ciel, rouge orange jaune vert bleu violet) se situe sur une toute petite portion du spectre, entre 700 nm (nanomètre) et 400 nm. Les couleurs proviennent du fait que la lumière blanche soit absorbée par les éléments chimiques, qui ne laisse passer que certaines longueurs d'ondes. Ainsi, si vous voyez un objet rouge, cela signifie que les éléments chimiques le constituant ont absorbés les couleurs vertes, bleu et violette, pour ne laisser passer que les longueurs d'ondes correspondantes aux rouge, orange et jaune. Prenons un exemple concret : notre ciel est bleu, pourquoi ? Car notre atmosphère absorbe la partie inférieure du spectre, correspondant aux grandes longueurs d'ondes et ne laisse passé que les petites longueurs d'ondes correspondant aux couleurs rouge, orange et jaune.