16 : Les vagues
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Dans ce chapitre, nous étudierons la physique du mouvement des vagues. Nous nous concentrons sur les ondes mécaniques, qui sont des perturbations qui se déplacent dans un milieu tel que l'air ou l'eau. Comme le mouvement harmonique simple étudié dans le chapitre précédent, l'énergie transférée à travers le milieu est proportionnelle à l'amplitude au carré. Les concepts présentés dans ce chapitre seront à la base de nombreux sujets intéressants, de la transmission de l'information aux concepts de mécanique quantique.
- 16.1 : Prélude to Wave
- Les vagues d'eau de surface de l'océan sont des ondes transversales dans lesquelles l'énergie de la vague se déplace horizontalement tandis que l'eau oscille de haut en bas sous l'effet d'une force de rappel. Une bouée peut être utilisée pour convertir l'incroyable puissance des vagues de l'océan en électricité. Le mouvement de haut en bas de la bouée généré par le passage des vagues est converti en un mouvement de rotation qui fait tourner un rotor dans un générateur électrique.
- 16.2 : Ondes progressives
- Une onde est une perturbation qui se déplace à partir de son point d'origine avec une certaine vitesse d'onde. Les ondes mécaniques sont des perturbations qui se déplacent à travers un milieu et sont régies par les lois de Newton. Les ondes électromagnétiques sont des perturbations des champs électriques et magnétiques et ne nécessitent pas de milieu. Une onde transversale présente une perturbation perpendiculaire à la direction de propagation de l'onde, tandis qu'une onde longitudinale a une perturbation parallèle à sa direction de propagation.
- 16.3 : Mathématiques des ondes
- Une onde est une oscillation qui se déplace à travers un milieu, accompagnée d'un transfert d'énergie. L'énergie est transférée d'un point à un autre dans le sens du mouvement des vagues. Les particules du milieu oscillent de haut en bas, d'avant en arrière, ou les deux, autour d'une position d'équilibre. Étant donné que la fonction d'une onde est un instantané de l'onde et qu'elle est uniquement fonction de la position x, le mouvement de l'impulsion ou de l'onde se déplaçant à une vitesse constante peut être modélisé en remplaçant x par x vt.
- 16.4 : Vitesse des vagues sur une corde tendue
- La vitesse d'une vague sur une corde dépend de la densité linéaire de la corde et de la tension de la corde. La densité linéaire est la masse par unité de longueur de la chaîne. En général, la vitesse d'une onde dépend de la racine carrée du rapport entre la propriété élastique et la propriété inertielle du milieu. La vitesse du son dans l'air à T = 20 °C est approximativement v_s = 343,00 m/s.
- 16.5 : Énergie et puissance d'une vague
- L'énergie et la puissance d'une onde sont proportionnelles au carré de l'amplitude de l'onde et au carré de la fréquence angulaire de l'onde. L'intensité est définie comme la puissance divisée par la surface. Lorsque l'onde s'éloigne d'une source, l'énergie est conservée, mais son intensité diminue à mesure que la surface augmente.
- 16.6 : Interférence des ondes
- La superposition est la combinaison de deux ondes au même endroit. L'interférence constructive résulte de la superposition de deux ondes identiques qui sont en phase. Les interférences destructives proviennent de la superposition de deux ondes identiques déphasées de 180°. L'onde qui résulte de la superposition de deux ondes sinusoïdales qui ne diffèrent que par un décalage de phase est une onde dont l'amplitude dépend de la valeur de la différence de phase.
- 16.7 : Ondes stationnaires et résonance
- Une onde stationnaire est la superposition de deux ondes qui produit une onde dont l'amplitude varie mais qui ne se propage pas. Les nœuds sont des points de non-mouvement dans les ondes stationnaires. Un antinode est l'emplacement de l'amplitude maximale d'une onde stationnaire. Les modes normaux d'une onde sur une corde sont les modèles d'ondes stationnaires possibles. La fréquence la plus basse qui produira une onde stationnaire est connue sous le nom de fréquence fondamentale. Les fréquences les plus élevées qui produisent des ondes stationnaires sont appelées harmoniques.
Thumbnail : Surfer at Mavericks, l'un des meilleurs sites de surf sur les grosses vagues au monde. (Surfeur : Andrew Davis). (CC SA-BY 2.0 ; Shalom Jacobovitz).