On entend souvent parler d’onde. Pas besoin d’être physicien pour avoir été confronté à cette notion. Cependant le concept est assez subtil ; les phénomènes induits par les objets de nature ondulatoire sont assez contre-intuitifs. Afin de mieux comprendre de nombreux phénomènes, je me suis dis que je devais en parler très rapidement. Il faut tout d’abord définir ce qu’est une onde, puis parler de comment elles se comportent lorsque confrontées à des obstacles ou a d’autres ondes. Ceci est un article très général, l’influence que cette description a sur la descriptions de nombreux objets sera traité dans d’autres articles plus précis.

 

Principale propriété des ondes

 

On considère souvent les vagues comme des ondes. A vrai dire ce n’est pas tout à fait ça. Pour bien exposer ce qu’est un phénomène ondulatoire, imaginons que nous sommes en bord de mer. Plus précisément, nous avons quitté la plage et marché long d’une digue au bout de laquelle se trouve une balise cylindrique. Nous montons dessus pour avoir une meilleure vue. Tout autour de nous l’eau est présente et des vagues arrivent du lointain.

 

L’ensemble des oscillations du plan d’eau forment un phénomène ondulatoire. C’est à dire que chaque vague n’est pas une onde, elle fait partie de l’onde. L’onde est le phénomène qui est en train de se produire sur le plan d’eau agité. En effet si on ne voyait qu’une seule crête se déplacer, sur un plan d’eau calme, on aurait du mal à parler d’onde. Les ondes ont pour propriétés d’être étalées dans l’espace.

Cependant ce n’est pas la seule chose : imaginons à nouveau notre mer agitée et soudainement une vague de froid glace la surface de l’eau. On se retrouve ainsi avec une surface déformée mais immobile. Là encore parler d’onde serait étrange. Les ondes sont des phénomènes temporels. Elles décrivent une évolution dans le temps.

 

On reconnaît donc une onde à son caractère spatio-temporel et aux déformations dynamiques qu’elle entraine. Cette description est très importante pour comprendre de nombreux objets physiques à commencer par la mer mais aussi les tremblements de terre, les sons, la lumière, ou encore l’atome et la matière.

 

 

 

Les ondes stationnaires

 

Il existe cependant une exception lorsque l’onde oscille mais ne se déplace pas. Imaginons nous toujours sur la digue. Non loin de là deux navires de tailles identiques s’échangent des marchandises. Ils se rapprochent, un petit espace subsiste entre les deux. Du fait que la mer soit contrainte par les parois entre les navires, l’onde ne va pas pouvoir évoluer librement. Un phénomène d’onde stationnaire va se produire. Nous allons voir que des vagues subsistent encore, mais elle n’avanceront pas. Par exemple un oiseau posé au sommet d’une vague montera, puis descendra, puis montera encore, pour redescendre, mais il n’avancera pas ou ne se déplacera pas vers une direction, il restera là très longtemps.

 

L’évolution spatiale est nulle, il subsiste une évolution temporelle de l’onde. En fait on mesure l’amplitude des vagues en un point donné pour mesurer l’évolution dans le temps. En revanche si l’on suit un point matériel, il ne bouge pas. Imaginons qu’il y ait 1 000 oiseaux posés entre les deux navires, chacun garde les mêmes voisins et personne ne se déplace sur la surface de l’eau. Bien sûr en vrai le phénomène ne se constate pas aussi facilement, mais l’idée est bien exposée avec cet exemple.

 

Les ondes stationnaires sont importantes et permettent d’expliquer de nombreux phénomènes. En fait dès que vous avez une onde qui évolue dans un objet limité en taille, vous avez très certainement des ondes stationnaires. Les cordes d’instruments de musique accueillent des ondes stationnaires. Les peaux de percussions aussi. En bord de mer il peut se produire entre deux digues ou deux murs. Les ondes stationnaires peuvent aussi se produire en acoustique : les ingénieurs du sons préfèreront éviter ce genre de chose dans les salles de spectacle. C’est aussi possible avec de la lumière, bien que celle-ci puisse se propager dans le vide : entre deux miroirs seules certaines fréquences pourront exister.

 

Autres phénomènes

 

En visionnant la vidéo présente dans cet article, on peut constater que la pluie tombe sur l’eau. En regardant bien, on voit que les gouttes de pluie forment aussi des ondes qui se propagent en cercle. Ceci se fait par dessus l’onde principale qui est la plus grande.

On voit que les ondes n’ont pas de mal à se mélanger pour former une onde plus difficile à décrire exactement, mais dont le principe reste le même. Les bosses et creux sont mélangés et l’amplitude des vagues change selon chacune des deux ondes. On voit que tantôt les ondes s’ajoutent, tantôt se soustraient. Ce phénomène est commun à tous les types d’ondes. Si on mélangeait deux ondes identiques mais décalées dans le temps, on pourrait avoir une mer totalement plate. Ceci s’explique parce que la somme des amplitudes est nulle. Il faudrait bien sûr que ce soit le cas partout sur le plan d’eau, ce qui n’est pas évident, mais on peut très bien imaginer qu’en un point les deux ondes se mélangent avec un décalage parfait et que la mer soit immobile.

C’est aussi comme ça qu’on peut faire de l’ombre avec une source lumineuse : si on mélange astucieusement deux flux provenant de la même source on peut se retrouver avec une bosse superposée à un creux, ce qui donnera une absence de lumière.

 

Le phénomène de diffraction est dû à la nature ondulatoire de certains objets et s’explique de la même manière. Lorsque vous êtes sur le bord de votre digue, vous pouvez regarder un rocher qui sort de l’eau. Une même vague passant sur le rocher va être divisée en deux et deux vagues seront émises sur les côtés du rocher. Ces deux vagues peuvent ensuite interagir pour donner lieu à des interférences. C’est à dire qu’après le rocher, vous aurez des zones calmes et des zones plus agitées encore qu’avant le rocher. Autrement dit, pour un point de l’espace choisi, vous pourrez avoir de fortes vagues, des vagues plus faibles, ou une mer calme.

 

Bien entendu le modèle des vagues ne tient la route que si vous considérez que les vagues ne déferlent pas : lorsque la mer est trop agitée, les vagues font de l’écume et leur sommet s’écroule, ce qui contribue à déformer encore plus l’onde. Ceci ne se produit pas avec une onde lumineuse ou acoustique : c’est un phénomène propre à l’eau.

 

En résumé

 

De nombreux objets peuvent être décris avec une description ondulatoire. La description nécessite les notions d’évolutions spatiales et temporelles. Pour comprendre le phénomène, on peut donc se placer en un point et observer comment varie l’amplitude dans le temps. On peut aussi suivre un même point et observer son déplacement dans l’espace. Bien entendu ce dernier point implique aussi une notion de temporalité.

A cause de leur nature étalée dans l’espace, les ondes sont difficilement localisables. En effet montrer une vague du doigt revient à indiquer une zone de l’espace. On retrouve ici le fameux principe d’incertitude de Heisenberg qui ne découle que des propriétés fondamentales des ondes.

Les ondes étant des phénomènes diffus, étalés, elles interagissent entre elles de manière surprenante : Le mélange de deux ondes peut donner de fortes amplitudes ou bien un calme surprenant. Ceci n’empêche pas le transport d’énergie ou d’information.

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