LES PHENOMENES ONDULATOIRES

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1 LES PHENOMENES ONDULATOIRES Nous vivons dans un univers violent, baigné en permanence par ce que l'on appelle des ondes, qu'elles soient d'origine naturelle ou, à contrario, provoquées par notre technologie. Mais que sont exactement ces ondes dont il est beaucoup question? Il faut d'abord distinguer les ondes mécaniques et les ondes électromagnétiques. LES ONDES MECANIQUES Imaginez une petite mare dont la surface est bien calme. Jetez une petite pierre en son centre. Que se passe-t-il alors? Vous voyez se développer des petites vagues circulaires autour du point d'impact et qui se propagent vers les bords de la mare. C'est un phénomène ondulatoire mécanique. Ces vaguelettes finissent par disparaître. D'un point de vue scientifique et physique, vous avez «perturbé» le milieu aquatique en lui communiquant l'énergie cinétique du caillou et cette énergie va se dissiper par le biais des vagues ou «ondes». Ces ondes transportent donc de l'énergie sans qu'il y ait déplacement de matière! Ici, la distance en mètres qui sépare deux crêtes est appelée longueur d'onde.

2 Le bateau ne se déplace pas lors du passage de l'onde : il n'y a pas de transport de matière! Un autre exemple lié à l'élément liquide est celui de la houle dans les océans : si les vagues déferlent sur la côte c'est que les ondes qui la provoquent se brisent sur le fond qui remonte à proximité de la terre! Il existe beaucoup de phénomènes ondulatoires mécaniques dans notre environnement! Un autre exemple malheureusement d'actualité : les séismes! On sait qu'un tremblement de terre est provoqué par le chevauchement de plaques tectoniques. Il se produit donc au bout d'un temps plus ou moins long une accumulation énorme d'énergie qui va se libérer brutalement lors de la rupture d'une plaque par le biais d' «ondes sismiques» avec le résultat que l'on connaît. Le son est aussi de nature ondulatoire : les vibrations de nos cordes vocales

3 provoquent un train d'ondes qui compresse l'air ambiant, lequel va agir sur les tympans de nos interlocuteurs On pourrait à loisir multiplier les exemples mais il faut avant tout retenir que les ondes mécaniques ont besoin d'un support matériel pour se propager : l'eau, le sol,l'air etc... Par exemple, le son ne peut se propager dans le vide! CARACTERISTIQUES D'UNE ONDE la «longueur d'onde» : sur la représentation conventionnelle d'une onde, la longueur d'onde est la distance qui sépare deux crêtes consécutives exprimée généralement en mètres. la «période» : c'est le temps mis par l'onde pour effectuer un cycle complet. la «fréquence» : c'est le nombre de cycles complets effectués par l'onde par unité de temps. Elle se calcule par l'inverse de la période et par seconde. l' «amplitude» : distance entre le centre de l'onde et le point le plus éloigné de ses variations. la «célérité» : c'est la vitesse de propagation de l'onde en mètres par seconde. la «direction» de l'onde

4 LES ONDES ELECTROMAGNETIQUES Avant de parler de ces fameuses ondes, il est bon de préciser la notion générale de «champ». Le champ d'application d'une force quelconque est la portion d'espace où s'applique cette force. Ainsi, la TERRE possède un champ gravitationnel : c'est la zone de l'espace où s'applique cette force (lois de NEWTON). Ce champ s'affaiblit avec la distance. La théorie de la «relativité» prédit d'ailleurs l'existence d'ondes gravitationnelles qui n'ont pas encore été détectées. Elle possède également un champ magnétique qui la recouvre comme une bulle et qui la protège des rayonnements nocifs émis par le SOLEIL

5 L'électricité crée un champ électrique au repos et un champ magnétique lorsqu'elle se déplace. De même, un aimant tournant à l'intérieur d'une bobine de fil électrique produit un courant du même nom : c'est le principe de la dynamo et plus généralement du moteur électrique. On voit donc qu'électricité et magnétisme sont intimement liés l'un à l'autre. Une onde ELECTROMAGNETIQUE est constituée d'un champ électrique et d'un champ magnétique associés qui transportent de l'énergie sous forme de «photon» ou encore de «quanta». A la différence des ondes mécaniques, ce type d'onde se propage dans le vide comme dans divers matériaux à la vitesse faramineuse (pour nous humains) de km/sec (exactement , 458 = c). Dans les caractéristiques d'une onde, nous avons vu que longueur d'onde et fréquence étaient liées. En effet, plus la fréquence est grande plus la longueur d'onde est petite! Ce type de rayonnement est extrêmement énergétique et pénétrant : c'est le domaine des rayons gamma, des rayons X, rayonnements dits «ionisants» car ils «cassent» les atomes qu'ils rencontrent. A l'inverse, les grandes longueurs d'onde présentent des fréquences faibles : c'est le domaine des micro-ondes, des ondes radar, radio etc..bien sûr, ces ondes sont invisibles pour nous sauf pour la lumière visible aux longueurs d'ondes comprises entre 400 et 700 nanomètres. La fréquence s'exprime en «hertz». Là, notre œil est équipé de capteurs rouges, bleus et verts (cônes) qui transmettent l'information à notre cerveau!

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7 Les longueurs d'ondes associées aux couleurs sont de 700 nanomètres pour le rouge, 500 pour le vert et 480 pour le bleu (1 nanomètre= 1 milliardième de mètre soit mètre, millimètre et micromètre). Les physiciens utilisent encore l'angström qui vaut 1/10 de nanomètre. A comparer avec les longueurs d'ondes radio entre 5 et 1 kilomètres ou les ondes métriques de la télévision. Nous savons depuis presque un siècle créer des rayonnements électromagnétiques, des «ondes porteuses» qui nous servent à transmettre des informations à distance : radio, télévision, téléphones cellulaires, wi-fi. Nous maîtrisons l'électricité et le magnétisme : moteurs électriques, appareils électroménagers etc... Tout cela grâce à des pionniers aux noms célèbres : nous citerons bien sûr dans un passé pas si lointain William HERSCHEL et Isaac NEWTON pour leurs travaux sur la lumière visible et l'optique (17ème siècle) puis, plus près de nous, James Clerk MAXWELL unifia par ses fameuses «équations» les champs magnétiques et électriques (18ème siècle ). Enfin, au 19ème, Nicolas TESLA, Edouard BRANLY, Heinrich HERTZ découvrirent et travaillèrent sur les ondes radio à basse fréquence tandis que Wilhelm RÖNTGEN découvrait les rayons X.