ONDES LONGITUDINALES: CARACTÉRISTIQUES, DIFFÉRENCES, EXEMPLES - PHYSIQUE - 2025

Les ondes longitudinales se manifestent dans des moyens matériels dans lesquels les particules oscillent parallèlement à la direction de l'onde. comme on le verra dans les images suivantes. C'est sa particularité.

Les ondes sonores, certaines ondes qui apparaissent lors d'un tremblement de terre et celles qui sont produites dans un slinky ou un ressort quand on lui donne une petite impulsion dans la même direction de son axe, sont de bons exemples de cette classe d'ondes.

Figure 1. Le son est une onde longitudinale qui produit des compressions et des expansions successives dans l'air. Source: Wikimedia Commons. Pluke

Le son est produit lorsqu'un objet (tel que le diapason de la figure, un instrument de musique ou simplement les cordes vocales) est mis en vibration dans un milieu capable de transmettre la perturbation par la vibration de ses molécules. L'air est un milieu approprié, mais aussi les liquides et les solides.

La perturbation modifie à plusieurs reprises la pression et la densité du milieu. De cette manière, l'onde produit des compressions et des dilatations (raréfactions) dans les molécules du milieu, car l'énergie se déplace à une certaine vitesse v.

Ces changements de pression sont perçus par l'oreille à travers les vibrations du tympan, que le réseau nerveux est chargé de transformer en de minuscules courants électriques. En atteignant le cerveau, il les interprète comme des sons.

Dans une onde longitudinale, le motif qui se répète en continu s'appelle un cycle et sa durée est la période de l'onde. Il y a aussi l'amplitude, qui est l'intensité maximale et qui se mesure en fonction de la grandeur qui est prise comme référence, dans le cas du son il peut s'agir de la variation de la pression dans le milieu.

Un autre paramètre important est la longueur d'onde: la distance entre deux compressions ou expansions successives, voir figure 1. Dans le système international, la longueur d'onde est mesurée en mètres. Enfin, il y a sa vitesse (en mètres / seconde pour le système international), qui indique la vitesse de propagation de l'énergie.

Comment les ondes longitudinales apparaissent-elles dans les vagues océaniques?

Dans un corps aquatique, les ondes sont produites par des causes multiples (changements de pression, vents, interactions gravitationnelles avec d'autres étoiles). De cette manière, les ondes marines peuvent être classées en:

- Vagues de vent

- Les marées

- Tsunamis

La description de ces ondes est assez complexe. En général, dans les eaux profondes, les vagues se déplacent longitudinalement, produisant des compressions et des dilatations périodiques du milieu, comme décrit au début.

Cependant, à la surface de la mer, les choses sont un peu différentes, car il existe des ondes dites de surface prédominantes, qui combinent les caractéristiques des ondes longitudinales et des ondes transversales. Par conséquent, les vagues qui se déplacent dans les profondeurs du milieu aquatique diffèrent grandement de celles qui se déplacent à la surface.

Une bûche flottant à la surface de la mer a une sorte de mouvement de va-et-vient ou de rotation douce. En effet, lorsque les vagues se brisent sur le rivage, ce sont les composantes longitudinales de la vague qui prédominent, et comme la bûche réagit au mouvement des molécules d'eau qui l'entourent, on l'observe également aller et venir en surface.

Figure 2. Les vagues de mer à la surface sont des vagues qui ont en partie des caractéristiques d'ondes longitudinales et en partie transversales. Source: Source: Vargklo sur en.wikipedia

Relation entre la profondeur et la longueur d'onde

Les facteurs qui déterminent le type d'onde produite sont: la profondeur de l'eau et la longueur d'onde de l'onde marine. Si la profondeur de l'eau en un point donné est appelée d, et que la longueur d'onde est λ, les ondes passent de longitudinales à superficielles lorsque:

En surface, les molécules d'eau acquièrent des mouvements de rotation qu'elles perdent à mesure que la profondeur augmente. Le frottement de la masse d'eau avec le fond fait que ces orbites deviennent elliptiques, comme le montre la figure 2.

Sur les plages, les eaux près du rivage sont plus agitées car là les vagues se brisent, les particules d'eau sont ralenties au fond et cela fait s'accumuler plus d'eau sur les crêtes. Dans les eaux plus profondes, en revanche, on perçoit comment les vagues s'adoucissent.

Lorsque d >> λ / 2 nous avons des vagues en eau profonde ou des ondes courtes, les orbites circulaires ou elliptiques diminuent en taille et les ondes longitudinales prédominent. Et si d << λ / 2 les vagues proviennent des eaux de surface ou des ondes longues.

Différences avec les ondes de cisaillement

Les ondes longitudinales et transversales entrent dans la catégorie des ondes mécaniques, qui nécessitent un milieu matériel pour leur propagation.

La distinction majeure faite entre les deux a été mentionnée au début: dans les ondes transversales les particules du milieu se déplacent perpendiculairement à la direction de propagation de l'onde, tandis que dans les ondes longitudinales elles oscillent dans la même direction suivie de la perturbation. Mais il y a des caractéristiques plus distinctives:

Plus de différences entre les ondes transversales et longitudinales

- Dans une onde transversale, on distingue les crêtes et les vallées, qui dans les longitudinales équivalent à des compressions et des expansions.

- Une autre différence est que les ondes longitudinales ne sont pas polarisées car la direction de la vitesse de l'onde est la même que celle du mouvement des particules oscillantes.

- Les ondes transversales peuvent se propager dans n'importe quel milieu et même dans le vide, comme les ondes électromagnétiques. En revanche, à l'intérieur des fluides, manquant de rigidité, les particules n'ont d'autre choix que de glisser les unes sur les autres et de se déplacer au gré de la perturbation, c'est-à-dire longitudinalement.

En conséquence, les ondes originaires du milieu des masses océaniques et atmosphériques sont longitudinales, car les ondes transversales nécessitent des milieux ayant une rigidité suffisante pour permettre les mouvements perpendiculaires caractéristiques.

- Les ondes longitudinales provoquent des variations de pression et de densité dans le milieu à travers lequel elles se propagent. En revanche, les ondes transversales n'affectent pas le milieu de cette manière.

Similitudes entre les ondes longitudinales et transversales

Ils ont les mêmes parties en commun: période, amplitude, fréquence, cycles, phase et vitesse. Toutes les ondes subissent une réflexion, une réfraction, une diffraction, une interférence et un effet Doppler et transportent de l'énergie à travers le milieu.

Même si les pics et les vallées sont distinctifs d'une onde transversale, les compressions dans l'onde longitudinale sont analogues aux pics et aux expansions vers les vallées, de telle sorte que les deux ondes admettent la même description mathématique de l'onde sinusoïdale ou sinusoïdale.

Exemples d'ondes longitudinales

Les ondes sonores sont les ondes longitudinales les plus typiques et sont parmi les plus étudiées, car elles sont le fondement de la communication et de l'expression musicale, raisons de leur importance dans la vie des gens. En outre, les ondes sonores ont des applications importantes en médecine, à la fois dans le diagnostic et dans le traitement.

La technique des ultrasons est bien connue pour l'obtention d'images médicales, ainsi que pour le traitement des calculs rénaux, entre autres applications. L'ultrason est généré par un cristal piézoélectrique capable de créer une onde de pression longitudinale lorsqu'un champ électrique est appliqué (il produit également un courant lorsque la pression est appliquée).

Pour vraiment voir à quoi ressemble une onde longitudinale, rien de mieux que des ressorts hélicoïdaux ou des slinkys. En donnant une petite impulsion au ressort, il est immédiat d'observer comment les compressions et les dilatations se propagent alternativement dans les spires.

- Ondes sismiques

Les ondes longitudinales font également partie des mouvements sismiques. Les tremblements de terre consistent en différents types d'ondes, parmi lesquelles les ondes P ou primaires et les ondes S ou secondaires. Les premiers sont longitudinaux, tandis que dans le second, les particules du milieu vibrent dans une direction transversale au déplacement de l'onde.

Lors des tremblements de terre, des ondes longitudinales (ondes P primaires) et transversales (ondes S secondaires) et d'autres types, tels que les ondes de Rayleigh et les ondes d'amour, sont produites à la surface.

En fait, les ondes longitudinales sont les seules connues à traverser le centre de la Terre. Puisqu'ils ne se déplacent que dans des milieux liquides ou gazeux, les scientifiques pensent que le noyau terrestre est principalement composé de fer fondu.

- Exercice d'application

Les ondes P et les ondes S produites lors d'un tremblement de terre se déplacent à des vitesses différentes sur Terre, de sorte que leurs heures d'arrivée aux stations sismographiques sont différentes (voir figure 3). Grâce à cela, il est possible de déterminer la distance à l'épicentre du séisme, par triangulation, en utilisant les données de trois stations ou plus.

Figure 3. Les ondes sismiques P et S arrivent aux sismographes avec des temps différents, car leurs vitesses sont différentes. Source: Wikimedia Commons.

Supposons que v _P = 8 km / s est la vitesse des ondes P, tandis que la vitesse des ondes S est v _S = 5 km / s. Les ondes P arrivent 2 minutes avant les premières ondes S. Comment calculer la distance de l'épicentre?

Répondre

Soit D la distance entre l'épicentre et la station sismologique. Avec les données fournies, les temps de parcours t _P et t _S de chaque vague peuvent être trouvés:

v _P = D / t _P

v _S = D / t _S

La différence est Δt = t _S - t _P:

Δt = D / v _S - D / v _P = D (1 / v _S - 1 / v _P)

Résolution de la valeur de D:

D = Δt / (1 / v _S - 1 / v _P) = (Δt. V _P. V _C) / (v _P - v _C)

Sachant que 2 minutes = 120 secondes et en substituant le reste des valeurs:

D = 120 s. (8 km / s. 5 km / s) / (8 - 5 km / s) = 1600 km.

Références

1. Différence entre les ondes transversales et longitudinales. Récupéré de: physicsabout.com.
2. Figueroa, D. 2005. Vagues et physique quantique. Série de physique pour la science et l'ingénierie. Volume 7. Edité par Douglas Figueroa. Université Simon Bolivar. 1-58.
3. Infrasons et échographie. Récupéré de: lpi.tel.uva.es
4. Rex, A. 2011. Fondamentaux de la physique. Pearson. 263-286.
5. Russell, D. Mouvement des ondes longitudinales et transversales. Récupéré de: acs.psu.edu.
6. Vagues d'eau. Récupéré de: labman.phys.utk.edu.