Les ondes

On entend régulièrement le mot "onde" dans la vie de tous les jours pour parler d'ondes radio, d'onde de choc d'une explosion, d'ondes sismiques ou même d'ondées ... Mais savez vous réellement ce que c'est qu'une onde et quels sont les mécanismes qui régissent cet étrange objet ?

onde-eau

A l'inverse de la matière, les ondes ne correspondent à aucun objet physique, elle ne sont pas palpables. En revanche elles interagissent avec la matière suivant des mécanismes précis et très particuliers. Tout d'abord, vous devez savoir qu'il existe deux types d'ondes (ou peut être trois mais ce n'est pas encore sur... ) :

  •  Les ondes mécaniques : C'est à dire celles qui ne peuvent se propager qu'en présence d'un milieu matériel (par exemple le son)
  • Les ondes électromagnétiques : Ce sont les ondes qui peuvent se propager en l'absence de milieu matériel, on aime en physique quantique les remplacer par une particule appelée le photon. La lumière visible constitue une petite partie de ces ondes.
  • Les ondes gravitationnelles ? Certaines théories cosmologiques prédisent l'existence d'ondes de type gravitationnelles qui baigneraient l'univers. De plus en plus d'expériences cherchent à prouver l'existence de ce type d'onde mais ce n'est pas gagné, il y a encore beaucoup de boulot ... . En fait, maintenant c'est gagné, on en sait beaucoup plus sur les ondes gravitationnelles depuis Septembre 2016 !

On ne s’intéressera qu'au deux premiers types d'ondes, ce sont les plus connus. Je pourrai éventuellement faire un article sur le brûlant sujet des ondes gravitationnelles si vous me le demandez ;). L'article est là, si vous voulez le lire, cliquez ici.

Définition d'une onde

Pour définir une onde, on va faire un peu de mathématiques. C'est à dire qu'on ne va pas expliquer ce qu'est une onde au sens physique mais plutôt ce que c'est au sens mathématique. Cela nous aidera à comprendre simplement la physique des ondes.

Plaçons nous dans un espace en 2 dimensions muni de deux axes x et y. Une onde est définie par une sinusoïde qui est caractérisée par trois paramètres :

  • Sa période spatiale : C'est deux fois la distance séparant deux points au même niveau. On dit aussi que c'est la distance qui sépare deux points en phase, c'est à dire qui sont dans le même état de vibration (ils sont au même niveau mais en plus ils montent en même temps ou descendent en même temps).
  • Sa période temporelle : C'est le temps que met un point de cette onde pour revenir au même état vibratoire. C'est à dire le temps que met un point pour revenir à la même position, une période temporelle avant.
  • Son amplitude : C'est la valeur du déplacement d'un point de cette onde. L'amplitude correspond un peu à l'intensité de l'onde.
Voici une onde au sens mathématique du terme. C'est une fonction sinusoïdale qui possède une période temporelle ou spatiale ou même les deux en même temps et qui est caractérisée par une amplitude. Le trait horizontal représente la période tandis que le trait vertical représente l'amplitude.
Voici une onde au sens mathématique du terme. C'est une fonction sinusoïdale qui possède une période temporelle ou spatiale ou même les deux en même temps et qui est caractérisée par une amplitude. Le trait horizontal représente la période tandis que le trait vertical représente l'amplitude.

Parfois au lieu de parler de période, on aime parler de fréquences - temporelles ou spatiales - en fonction de ce que l'on cherche à étudier. Par exemple on parle de fréquences radio que l'on exprime en MHz (Méga Hertz ~ 1 000 000 Hertz).

Les mathématiques ondulatoires vont beaucoup plus loin que ce que l'on vient de voir. Le nom précis de cette discipline est le traitement du signal si vous êtes intéressés. En tout cas pour la suite, ces définitions simples suffisent amplement. Voyons donc ce que sont les ondes au sens physique du terme.

Les ondes mécaniques

Les ondes mécaniques sont les ondes les plus simples à étudier et à comprendre car ce sont celles qui demandent le moins d'abstraction. Une onde mécanique correspond à un transport d'énergie sans transport de matière. Pour vous donner une image, une onde mécanique correspond à une vibration ou à une secousse.

Il existe deux types d'ondes mécaniques :

  • Les ondes mécaniques transversales : Le mouvement des particules qui vibrent est perpendiculaire à la direction de propagation de l'onde. Imaginez une corde qui vibre.
  • Les ondes mécaniques longitudinales : Le mouvement des particules qui vibrent est dans la même direction que la direction de propagation de l'onde. Imaginez un ressort oscillant.

ondes_longitudinales

Une corde de guitare vibrant est un exemple de propagation d'une onde mécanique transversale. Cette corde vibre dans l'air et produit un son (une vibration sonore) qui correspond en revanche à une onde mécanique longitudinale puisque l'air subit des compressions/dépressions successives.

Voici une photo d'un dispositif expérimental permettant de faire vibrer une corde à une fréquence bien précise. On reconnait bien les ondes transversales ici.
Voici une photo d'un dispositif expérimental permettant de faire vibrer une corde à une fréquence bien précise. On reconnait bien les ondes transversales ici.

Il existe également des ondes qui combinent à la fois le caractère transversal et longitudinal comme les vagues - qui entraînent également un déplacement de matière du à leur forme particulière - et les ondes sismiques qui sont généralement longitudinales en profondeur et transversales et longitudinales en surface.

Le type de l'onde dépend des caractéristiques du milieu et de la présence de bords. Tout système - à notre échelle - qui comporte des bords (interface avec un autre milieu) vibre de façon transversale en plus de vibrer de façon longitudinale. Cet effet est présent partout même si il n'est pas perceptible.

Passons maintenant à un autre type d'onde qui est moins évident à étudier puisqu'il n'a besoin d'aucun milieu si ce n'est le vide pour se propager.

Les ondes électromagnétiques

La principale différence entre les ondes mécaniques et le ondes électromagnétiques et leur absence de nécessité d'un milieu matériel pour se propager. On arrive physiquement à s'imaginer une onde mécanique en visualisant une séries de boules se percutant les unes à la suite des autres : l'énergie du déplacement de la première boule est transmise à toutes les autres boules. Mais comment se représenter une onde qui se propage dans le vide ?

Les ondes radio émises par les antennes sont des ondes électromagnétiques
Les ondes radio émises par les antennes sont des ondes électromagnétiques

Certains scientifiques avaient à l'époque proposé l'existence d'un milieu appelé éther luminifère pour expliquer la propagation de la lumière dans le vide mais celui-ci a vide été retiré des théories de la lumière suite aux expériences de Michelson et à l'avènement de la relativité restreinte qui stipule que la vitesse de la lumière dans le vide est partout la même quelque soit le référentiel étudié.

Il a donc fallu se convaincre qu'il existait des ondes qui se déplacent dans le vide un point c'est tout !

Les ondes électromagnétiques sont en général représentées dans ce que l'on appelle un spectre électromagnétique, c'est à dire une sorte de graphe qui représente les ondes électromagnétiques suivant leur fréquence temporelle ou leur période spatiale.

Voici une représentation courante du spectre électromagnétique. Les ondes sont classées en fonction de leur longueur d'onde et donc de leur énergie. A gauche on y trouve toutes les ondes ultra énergétiques comme les rayons gamma et X qui sont mortels pour l'homme. Les UV sont nocifs mais non mortels. Au milieu du spectre se situe la bande de fréquence que nos yeux sont capables de voir. Certains animaux peuvent voir dans des gammes de fréquences ou nous ne pouvons pas accéder comme l'ultraviolet ou l'infrarouge. A droite du spectre se situent les ondes les moins énergétiques, les Infra-rouges, les micro ondes et les ondes radio qui font tant parler :p

Le ondes électromagnétiques ne sont pas aussi "simples" que les ondes mécaniques. Elles ont différentes représentations suivant la théorie que l'on utilise pour les étudier :

  • En électromagnétisme, les ondes électromagnétiques sont en fait l'association de deux ondes perpendiculaires l'une à l'autre que l'on appelle onde électrique et onde magnétique. Ce sont ces deux ondes qui, ensembles, forment les ondes électromagnétiques d'où découle la lumière visible. Les ondes électriques et magnétiques correspondent en fait à des champs électriques et magnétiques qui oscillent qui sont définis par des mouvements de charges.
  • En mécanique quantique, on apparente une onde électromagnétique donnée à une particule de masse nulle appelée le photon. Cette particule est simplement définie par son énergie, c'est à partir de là que l'on retrouve la fréquence de l'onde électromagnétique associée.

Les ondes électromagnétiques ne sont pas évidentes à définir et à se représenter physiquement vous l'aurez compris. Cependant les mathématiques nous ont permis de les étudier correctement et le nombre d'applications de ces ondes est quasi infini, que ce soit en photographie, en télécommunication, en transport d'électricité, en production d'énergie ... .

Des phénomènes ondulatoires

Les ondes ont des comportements très particuliers qui les différencient de la matière sauf en théorie quantique évidement qui vient changer les choses de façon radicale. Je ne vous expliquerai pas ici ce qu'il se passe en mécanique quantique, sachez juste que l'on parle couramment de dualité onde-corpuscule c'est à dire que les ondes et les particules forment ensemble une entité qui possède une seule et unique nature qui n'est ni une onde, ni une particule ... histoire de simplifier les choses.

Revenons à nos ondes. Elles sont sujettes à deux phénomènes que l'on retrouve abondamment dans n'importe quel sujet d'étude physique qui met en jeu des ondes. Ces phénomènes ne sont pas applicables à la matière et je vais vous expliquer pourquoi.

Les interférences

Une interférence entre deux ondes correspond en quelque sorte au "croisement" de ces deux ondes. Les deux ondes qui se croisent peuvent avoir des amplitudes et des fréquences totalement différentes évidement.  Lorsqu'une interférence entre deux ondes se produit, l'amplitude de la perturbation à un instant donné en un point donné correspond à l'amplitude de la perturbation que produirait la première onde en ce point si il n'y avait pas la seconde onde plus l'amplitude de la perturbation que produirait la seconde onde si il n'y avait pas la première onde en ce point.

Voici un système interférentiel couramment présenté aux étudiants de physique. La cuve à onde consiste en deux ondes créées en deux points de la cuve, on observe ensuite des interférences qui dépendent entre autre de la distance entre les sources
Voici un système interférentiel couramment présenté aux étudiants de physique. La cuve à onde consiste en deux ondes créées en deux points de la cuve, on observe ensuite des interférences qui dépendent entre autre de la distance entre les sources

En résumé, les ondes s'ajoutent. Ceci ne semble pas très important mais détrompez vous. En physique on parle souvent de deux types d'interférences :

  • Les interférences constructives : C'est à dire lorsque les deux maximum des deux ondes se somment. L'amplitude de la perturbation devient alors deux fois supérieure à celle qu'elle aurait si seulement une seule onde était présente.
  • Les interférences destructives : C'est à dire lorsqu'un maximum d'amplitude se somme avec un minimum d'amplitude. Le résultat correspond à une amplitude nulle.
Voici un schéma représentant des interférences constructives (à gauche) et des interférences destructives (à droite)
Voici un schéma représentant des interférences constructives (à gauche) et des interférences destructives (à droite)

Imaginez vous deux faisceaux laser de même fréquence pointant sur vous. Si je les place de sorte que les interférences entre les ondes électromagnétiques soient constructives, la puissance lumineuse reçue sera bien supérieure à la puissance lumineuse d'un seul laser. Si maintenant j'avance ou je recule un faisceau laser de telle manière que les interférences soient destructives, vous ne recevrez tout simplement plus de lumière. Étonnant non ? Sachez tout de même que cette expérience est difficile à réaliser et qu'elle demande des outils extrêmement précis.

Le deuxième phénomène est un peu plus complexe mais aussi plus impressionnant.

La diffraction 

La diffraction est un des phénomènes qui a eu le plus de conséquences en physique, surtout en mécanique quantique. C'est un phénomène qui se présente lorsque l'onde heurte une discontinuité par rapport au milieu continu dans lequel elle se propage.

On représente couramment la diffraction d'une onde par une diffusion de celle-ci à travers soit un trou, soit contre un obstacle. Dans tous les cas, l'onde est diffusée, c'est à dire que l'amplitude de la perturbation diminue au fur et à mesure que l'on s'éloigne du trou ou de l'obstacle. Un schéma vous permettra de mieux comprendre de quoi il s'agit 🙂

Voici le cas d'une diffraction à travers un trou. La diffraction à travers un obstacle est un peu différente
Voici le cas d'une diffraction à travers un trou. La diffraction à travers un obstacle est un peu différente

Imaginez vous une série de vagues planes, c'est à dire dont les fronts d'onde représentent une ligne droite. Ces ondes en passant par le trou ne sont plus plans mais deviennent circulaires. De plus, l'énergie de la perturbation correspondant à celle du petit bout de vague passant le trou va se diffuser dans tout l'espace après le trou, d'où la diminution de la valeur de l'amplitude de la perturbation.

C'est exactement ce qu'il se passe avec la lumière. Au passage d'un trou, celle-ci se diffuse dans l'espace.

Lorsque l'obstacle est un objet, le phénomène est un tout petit peu différent. Les ondes sont également diffractées sauf que cette fois ci, elles le sont à deux endroits différents qui correspondent aux deux bords de l'objet. Il en résulte qu'en plus de la diffusion de cette onde, on observe toute une série d'interférences dont la forme dépend de celle de l'objet diffractant. Un schéma vous permettra aussi de comprendre ce concept 😉

 

Voici une diffraction réalisée par un objet sphérique. Nous constatons que la diffusion se fait aux deux bords de la balle, entraînant des interférences.
Voici une diffraction réalisée par un objet sphérique. Nous constatons que la diffusion se fait aux deux bords de la balle, entraînant des interférences.

Il y a un dernier détail concernant la diffraction dont je ne vous ai pas encore parlé. Afin que celles-ci soient observables, il faut que la taille de l'obstacle soit de l'ordre de la période spatiale de l'onde. C'est la raison pour laquelle vous ne voyez pas de diffraction au quotidien; la lumière visible possède une longueur d'onde bien trop faible par rapport à la taille des objets du quotidien.

Cependant vous pouvez faire une expérience très simple de diffraction en utilisant simplement vos yeux et une source lumineuse suffisamment intense. Pour cela, fixez la source lumineuse puis plissez vos yeux. Vous allez voir apparaître des sortes de "branches" en étoile, et bien vous êtes face à un phénomène de diffraction ! Seulement, contrairement à ce qu'on pourrait penser, la diffraction n'est pas créée par l'espace entre nos deux paupières mais grâce à toute une combinaison de choses : nos cils, le liquide qui protège nos yeux, notre pupille et j'en oublie probablement.

Lorsque vous prenez le soleil en photo, il arrive souvent d'avoir des phénomènes de diffraction qui sont dus à l'intensité lumineuse, aux lentilles et à la taille du diaphragme utilisé pour prendre la photo.

conseil-observation-soleil

 

Résumé :

Les ondes sont définies par

  • Le amplitude
  • Leur période temporelle
  • Leur période spatiale

Il en existe deux types avérés :

  • Les ondes mécaniques (longitudinales ou transversales)
  • Les ondes électromagnétiques

Elles se caractérisent par deux phénomènes :

  • Des interférences
  • De la diffraction (qui souvent donne lieu à des interférences)

Les ondes sont des objets très étranges mais que l'on trouve partout. Qu'elles soient matérielles ou électromagnétiques, elles obéissent à des lois physiques qui leur sont bien spécifiques et qui ne sont pas applicables à la matière. A une exception près ... En 1801, Thomas Young mis au point sa célèbre expérience des trous de Young permettant la diffusion de la lumière en deux points et l'observation de la figure de diffraction sur un écran. Jusque là, rien de spécial.

Expérience des Trou d'Young. La lumière passe par deux petites fentes. Elle se diffuse de l'autre côté et interfère. On observe ensuite le résultat sur un écran.[« Double slit simulated 2 ». Sous licence Domaine public via Wikimedia Commons - https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Double_slit_simulated_2.jpg#/media/File:Double_slit_simulated_2.jpg]
Expérience des Trou d'Young. La lumière passe par deux petites fentes. Elle se diffuse de l'autre côté et interfère. On observe ensuite le résultat sur un écran.[« Double slit simulated 2 ». Sous licence Domaine public via Wikimedia Commons - https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Double_slit_simulated_2.jpg#/media/File:Double_slit_simulated_2.jpg]
Figure de diffraction observée à l'écran. [« Double slit simulated ». Sous licence Domaine public via Wikimedia Commons - https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Double_slit_simulated.jpg#/media/File:Double_slit_simulated.jpg]
Figure de diffraction observée à l'écran. [« Double slit simulated ». Sous licence Domaine public via Wikimedia Commons - https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Double_slit_simulated.jpg#/media/File:Double_slit_simulated.jpg]

Seulement, dans le courant du XXème siècle, certains physiciens décidèrent de réaliser la même expérience mais avec des électrons (objets matériels). Et devinez ce qu'il obtinrent ...

Voici l'expérience des fentes de Young réalisée avec des électrons. Les électrons sont envoyés un par un et passent en théorie à travers l'une ou l'autre fente. Au fur et à mesure que les électrons sont envoyés, on voit se dessiner une figure de diffraction propre aux ondes. Les électrons sont ils des ondes ? Ou bien de la matière ? [« Double slit simulated ». Sous licence Domaine public via Wikimedia Commons - https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Double_slit_simulated.jpg#/media/File:Double_slit_simulated.jpg]
Voici l'expérience des fentes de Young réalisée avec des électrons. Les électrons sont envoyés un par un et passent en théorie à travers l'une ou l'autre fente. Au fur et à mesure que les électrons sont envoyés, on voit se dessiner une figure de diffraction propre aux ondes. Les électrons sont ils des ondes ? Ou bien de la matière ?
[« Double slit simulated ». Sous licence Domaine public via Wikimedia Commons - https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Double_slit_simulated.jpg#/media/File:Double_slit_simulated.jpg]

Je vous laisse sur ces "petites" questions 🙂

Si vous avez aimé cet article, n'hésitez pas à le commenter et à le diffuser ! 😉

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Si vous avez des questions en physique ou des sujets d'articles à me proposer, surtout n'hésitez pas, envoyez moi un e-mail ou laissez un commentaire, je me ferai un plaisir de répondre à votre demande 🙂


Si vous souhaitez aller un peu (ou beaucoup) plus loin dans vos études sur les ondes, je vous suggère ce livre de Pierre Binétruy qui parle d'ondes gravitationnelles. Le livre explique ce qu'est une onde gravitationnelle, les enjeux qu'elle implique en physique et pourquoi il est si difficile de les détecter.

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