Qu'est-ce qu'une onde ?

Loin du rivage, une mouette monte et descend au passage de chaque vague, sans pour autant avancer avec elle.

Une perturbation qui se propage

Jette une pierre dans un étang calme : des cercles s'étendent à la surface. Pince une corde de guitare : elle vibre si vite que son contour devient flou. Crie à travers un champ : quelqu'un t'entend un instant plus tard. Dans les trois cas, il s'agit d'ondes. Le manuel College Physics d'OpenStax en donne une définition courte : une onde est une perturbation qui se propage, c'est-à-dire qui s'éloigne de l'endroit où elle a été créée. Dans l'étang, la perturbation est la déformation de la surface de l'eau. Dans l'air, c'est une variation de pression. Sur la corde, c'est une déformation latérale.

Le mot à retenir est « perturbation ». La forme se déplace, mais la matière reste pour l'essentiel sur place. Une mouette posée au large monte quand une crête arrive et descend au passage d'un creux. Une fois la vague passée, elle est à peu près à son point de départ. OpenStax précise que, loin du rivage, les particules d'eau décrivent de petits cercles et restent dans la même zone pendant que l'énergie se propage. Si une vague te pousse en eau profonde, tu ressens le transfert d'énergie, pas un courant d'eau qui défile devant toi.

Crête, creux, longueur d'onde et amplitude

Une onde simple qui se répète présente des points hauts, les crêtes, et des points bas, les creux. La distance entre deux crêtes successives, mesurée dans la direction de propagation, est la longueur d'onde, notée avec la lettre grecque λ (lambda). L'amplitude est l'écart maximal du milieu par rapport à sa position de repos : c'est donc la hauteur d'une crête au-dessus de la ligne horizontale, ou la moitié de la distance entre une crête et un creux. OpenStax souligne que l'amplitude est totalement indépendante de la vitesse de propagation. Sur une même corde, une grande et une petite onde se propagent à la même vitesse.

Deux directions de vibration

On distingue deux grands types d'ondes selon la direction des vibrations par rapport à celle de la propagation. Dans une onde transversale, le milieu se déplace perpendiculairement à la direction de propagation. Secoue l'extrémité d'une corde attachée à un poteau : une bosse parcourt la corde tandis que chaque portion monte et descend. Les ondes sur les cordes des instruments sont transversales, comme la lumière et les autres ondes électromagnétiques. Dans une onde longitudinale, le milieu effectue des allers-retours dans la direction de propagation. Pousse et tire l'extrémité d'un long ressort : des zones resserrées, appelées compressions, se déplacent le long du ressort.

Dans l'air et dans l'eau, le son est longitudinal. Un fluide résiste très peu aux déformations latérales : il ne peut donc transmettre que des compressions et des dilatations. Les solides peuvent transmettre les deux types d'ondes. Les vagues de la mer combinent ces deux mouvements, ce qui explique les trajectoires circulaires des particules d'eau. Les séismes envoient les deux types dans le sol : selon OpenStax, les ondes P de compression se déplacent à 4 à 7 km/s, et les ondes S de cisaillement à 2 à 5 km/s. Les sismographes enregistrent d'abord l'onde P ; le délai avant l'arrivée de l'onde S indique la distance du séisme.

Des ondes sans milieu matériel

Les vagues, le son et les ondes sismiques sont des ondes mécaniques : elles ont besoin de matière pour se propager. Le son ne peut pas traverser le vide, car il n'y a rien à comprimer. La lumière, les ondes radio et les autres ondes électromagnétiques sont différentes. Constituées de champs électrique et magnétique variables, elles se propagent dans le vide : c'est ainsi que la lumière du Soleil nous parvient après avoir traversé 150 millions de kilomètres d'espace. OpenStax met en garde contre une confusion courante : un poste de radio te fait entendre du son, mais les ondes radio elles-mêmes sont électromagnétiques, pas sonores.