Physique des ondes
Equation de propagation d’onde dans la corde vibrante de Melde Description et mod elisation de la situation Figure {Dispositif exp erimental de la corde de Melde La corde est suppos ee inextensible, de longueur L, de masse lin e que Elle est tendue a l’aide d’une masse M accroch ee a la corde via une poulie (parfaite) et excit ee
asin t x Définition T - CACSUP
La corde de MELDE est une corde AB donc les extrémités B et A sont respectivement fixes et actionnées par un vibreur de fréquence déterminée Dans ce cas la longueur de la corde est L = 2 n avec n le nombre de fuseaux ; comme é F N 1 è F et c N c O; donc é F 2 N n L Lorsque l'extrémité B est libre ou mobile
Ondes mécaniques stationnaires - AlloSchool
Le dispositif de la corde de Melde consiste à faire vibrer une extrémité de la corde, tandis que l'autre est xée On s'aperçoit expérimentalement que les vibrations sont importantes uniquement si la fréquence d'excitation est une fréquence propre de la corde Il y a alors résonance
CONCOURS D’ADMISSION 2014 PC
L’équation décrivant les petits mouvements vibratoires d’une corde très souple (corde de Melde) s’écrit : ∂2Y ∂t2 −c2 ∂2Y ∂x2 =0 (2) 1 Rappeler les hypothèses, portant sur les propriétés de la corde et les conditions expérimentales, associées à cette équation Définir c Représenter le dispositif expérimental
Equation d’onde de d’Alembert (unidimensionnelle)
Equation d’onde de d’Alembert (unidimensionnelle) I – Chaîne infinie d’oscillateurs et approximation des milieux continus : II – Vibrations transversales d’une corde : équation d’onde de d’Alembert : III – Familles de solutions de l’ équation d’onde de d’Alembert : 1 - Ondes progressives :
Mise à jour pour la session 2007 - SNES
Équation de propagation Corde de Melde : ondes stationnaires, résonance (PC) 24 Ondes sonores dans les fluides Équation des ondes sonores dans l'approximation
Physique des ondes
R´eversibilit ´e de l’´equation des ondes L’´equation des ondes s’´ecrit ∂2s ∂x 2 − 1 c ∂2s ∂t2 = 0 Sans entrer dans les d´etails : s est aussi une solution de l’´equation si on prend −t `a la place de t Vid´eo : renversement temporel en bassin La r´eversibilit ´e des ´equations de la physique est un probl`eme
Poynting(1852-1914) Maxwell (1831-1879) Laplace(1749-1827) 19
Les ondes stationnaires forment une base des solutions de l’ equation de d’Alembert, i e toute solution de l’ equation de d’Alembert peut s’ ecrire comme une combinaison lin eaire d’OS b) Description de l’onde stationnaire : Consid erons l’onde stationnaire s(x;t) = A 0 cos(t+ ˚)cos(kx+ ) avec k= c
Exercices corrigés de Physique Terminale S
La célérité des ondesle long d’une corde élastique dé-pend de sa tension F (en newtons N) et de sa masse linéique µ (masse par unité de longueur, en kg m−1) : v = s F µ a Calculez la célérité v pour une corde de longueur ℓ = 10 m dont la masse est de 1,0 kg, tendue par une force de 2,5 N b Comment varie cette célérite si :
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Equation d"onde de d"Alembert
(unidimensionnelle) I - Chaîne infinie d"oscillateurs et approximation des milieux continus : II - Vibrations transversales d"une corde : équation d"onde de d"Alembert : III - Familles de solutions de l" équation d"onde de d"Alembert :1 - Ondes progressives :
2 - Ondes progressives harmoniques :
3 - Ondes stationnaires :
IV - Applications :
1 - Etude des petits mouvements libres d"une corde vibrante fixée à ses deux
extrémités, modes propres :2 - Corde de Melde ; ondes stationnaires et résonances :
Physique des ondes, équation de d"Alembert
2 I - Chaîne infinie d"oscillateurs et approximation des milieux continus :Afin d"étudier la propagation d"ondes sonores dans les solides, on utilise le modèle suivant (voir
figure) : le solide est constitué d"une chaîne infinie d"atomes ponctuels, de masse m, reliés entre
eux par des ressorts de raideur k et de longueur à vide d (correspondant à la distance inter-atome
à l"équilibre).
Le mouvement de l"ensemble se fait sans frottements le long de l"axe (Ox). Les atomes se
déplacent légèrement autour de leurs positions d"équilibres respectives, que l"on peut repérer sous
la forme xéq,n = nd.
k k k m m m n-1 n n+1 x On repère les positions des atomes hors équilibre par leurs abscisses : )()(tundtxnn+= où les déplacements u n(t) restent faibles vis-à-vis de d. Le théorème du CI appliqué à l"atome de rang (n) donne, en projection :La distance d inter-atome est de l"ordre de
md1010-≈, distance très inférieure aux distancescaractéristiques des phénomènes de propagation que l"on étudie. On va ainsi définir une fonction
continue de la manière suivante : )(),(tutxunn=Il vient alors :
2 22112
22
11
21),(),(),()(21),(),(),()(
d xudxutxutdxutxutudEt l"équation du mouvement devient alors :
2 2222dxuktum
Soit :
mkdcavectu cxu 2 22222
01==∂∂-∂∂
C"est l"équation d"onde de d"Alembert, déjà obtenu en EM lors du chapitre sur les équations
locales. On sait qu"elle est associée à un phénomène ondulatoire de célérité c. II - Vibrations transversales d"une corde ; équation d"onde de d"Alembert : On considère une corde inextensible, de masse linéiqueμ, tendue horizontalement avec une force
constante F.Physique des ondes, équation de d"Alembert
3 A l"équilibre, la corde est horizontale. On supposera dans la suite que la pesanteur n"intervient pas (sinon, la forme de la corde serait une chaînette). On se propose d"étudier les petits mouvements au voisinage de cet équilibre, avec le modèle suivant :• L"élément de corde situé au point de coordonnées (x,0) à l"équilibre se trouve au point de
coordonnées (x,y(x,t)) hors équilibre ; autrement dit, on néglige son déplacement le long
de (Ox).• L"angle α(x,t) que fait la tangente à la corde au point d"abscisse x à l"instant t est un
infiniment petit (• Si on considère une coupure fictive au point d"abscisse x, l"action exercée par la partie
gauche de la corde sur la partie droite se réduit à une force )(xTg r tangente à la corde ; de même, l"action exercée par la partie droite sur la partie gauche se réduit à une force )(xTd r. D"après le principe des actions réciproques, )()(xTxTgd rr-=.Le théorème du CI appliqué à un élément de corde situé entre les abscisses x et x + dx donne :
x x x+dx yBrin de
cordeα(x) α(x+dx)
)(xTg r )(dxxTd+rEn projection et en notant
dTTr= : ),(cos),(),(cos),(0tdxxtdxxTtxtxT+++-=αα (1) ),(sin),(),(sin),(22tdxxtdxxTtxtxTtydx+++-=∂∂ααμ (2) Si on se limite à l"ordre 1, l"équation (1) donne :FcstexTdxxT===+)()(
L"équation (2) se réécrit :
Or,αα≈∂∂=xytan, d"où :
Physique des ondes, équation de d"Alembert
4 )(0122 22222
22μμ
Fcavecty
cxysoitxyFty==∂∂-∂∂ On retrouve là encore l"équation d"ondes de d"Alembert. Dans le cas de la corde, l"onde est dite transversale (le déplacement a lieu selon Oy).Dans le cas de la chaîne infinie d"atomes, l"onde était longitudinale (le déplacement se faisait selon
(Ox)). III - Familles de solutions de l"équation d"onde de d"Alembert :1 - Ondes progressives :
On se propose de résoudre l"équation de d"Alembert unidimensionnelle : 0122222=∂∂-∂∂
ts vxs De manière symbolique, cette équation peut s"écrire : 0.=) ∂∂+∂∂stxvtxvOn pose :
v xtqet v xtp-=+= et, en considérant x et t comme des fonctions de p et de q : qpvqxq pxp x 1 qpqtq ptp t∂On en déduit :
qtxvetptxv∂ ∂=∂∂+∂∂22 L"équation de d"Alembert prend alors la forme : 0 2 qs pqpsPar conséquent,
)(qqs?=∂∂ et, si f(q) désigne une primitive de ?(q), alors : )()()()(v xtg v xtfpgqfs++-=+= Interprétation physique : on considère une fonction de la forme : )(),(vxtftxs-=+On constate que :
Physique des ondes, équation de d"Alembert
5 )()(vxxttfvxtfΔ+-Δ+=- pour tout couple Δx et Δt vérifiant : tvxΔ=Δ. Ainsi, s+(x,t) représente un signal qui se propagesans déformation à la vitesse v le long de l"axe (Ox) dans le sens positif. Une fonction de la forme
)(vxtf- est appelée onde plane progressive.O Instant
tInstant
t+ΔΔΔΔt )(),(vxtftxs-=+ tvxΔ=Δ xLa solution
)(),(vxtftxs+=- représente un signal qui se propage sans déformation à la vitesse v le long de l"axe (Ox) dans le sens négatif. On se propose maintenant de résoudre l"équation de d"Alembert tridimensionnelle : ),,,(),(01222tzyxstrsavects
vs==∂∂-ΔrOn vérifie que des fonctions de la forme :
)(),,,(;)(),,,(;)(),,,(,,,v ztftzyxs v ytftzyxs v xtftzyxs zyxmmm===±±±sont solution de l"équation tridimensionnelle (ces solutions sont appelées ondes planes de
directions de propagations respectives zyxuetuurrr,, dans le sens positif ou négatif).Remarque : des ondes sphériques sont également solution de l"équation de d"Alembert
tridimensionnelle : on cherche, par exemple, des solutions à symétrie sphérique s(r,t). En utilisant
la forme du laplacien en coordonnées sphériques, il vient :01)(122
222=∂∂-∂∂
ts vrsrrSoit encore :
0)(1)(22
222=∂∂-∂∂rstvrsr
On constate alors que la fonction rs(r,t) est solution de l"équation unidimensionnelle de
d"Alembert. Par conséquent : )()(),(v xtg v xtftrrs++-=Soit :
)(1)(1),(v xtg rv xtf rtrs++-=Physique des ondes, équation de d"Alembert
6 Les deux termes de cette somme représentent des ondes sphériques respectivement divergente etconvergente. On constate que le signal ne se propage pas sans déformation en raison de
l"affaiblissement exprimé par le facteur 1 / r.Ordres de grandeurs :
On peut évaluer l"ordre de grandeur de la célérité des ondes dans le modèle de la chaîne d"atomes
et la comparer avec l"ordre de grandeur de la célérité des ondes sonores dans les solides qui vaut
typiquement quelques milliers de mètres par seconde.Pour estimer la raideur k, on suppose que l"ordre de grandeur de l"énergie de liaison par atome est
l"ev et que cette énergie est de la forme élastique 2 21kd où md1010-≈. On trouve 1.10-≈mNk.
Avec kgm2610-≈, on obtient :132.10.3-≈=smmkdc
Soit un ordre de grandeur tout à fait satisfaisant.Dans chacun des deux exemples (chaîne d"atomes et corde vibrante), on constate que la célérité
est une fonction croissante de la raideur du milieu (k ou F) et décroissante de l"inertie du milieu
(m ou μ). On peut retenir, plus généralement que :" Des ondes mécaniques se propagent d"autant plus mal que le milieu est plus mou et plus
inerte. »2 - Ondes progressives harmoniques :
On se limite ici à des solutions harmoniques de l"équation de d"Alembert, c"est-à-dire des
solutions de la forme : -=)(cos),(cxtAtxsω Ces solutions correspondent à des ondes planes progressives harmoniques (OPPH).Ces fonctions, de période temporelle
2=T possèdent une période spatiale ωπλ
ccT2== appelée longueur d"onde.On définit le vecteur d"onde
kr tel que :2===ckavecukkxrr
L"OPPH est alors de la forme :
())cos),(kxtAtxs-=ω3 - Ondes stationnaires :
On cherche des solutions de l"équation de d"Alembert de la forme (méthode de séparation des variables) : )()(),(tgxftxs=Physique des ondes, équation de d"Alembert
7En substituant dans l"équation de d"Alembert :
0122222=∂∂-∂∂ts
cxsIl vient :
0)()(1)()("2=-tgxfctgxf&&
D"où :
Kcstetgtg
cxfxf===)()(1)(")(12 On obtient ainsi deux équations différentielles : Ktgtg cetKxfxf==)()(1)(")(12Ou encore :
0)()(0)()("2=-=-tKgctgetxKfxf&&
Si K > 0, la solution de la deuxième équation différentielle est de la forme : tKctKcBeAetg-+=)(Cette solution est à rejeter : en effet, elle correspond soit à une solution divergente soit à une
solution transitoire. Dans la suite, on suppose K < 0 ; alors, en posant22ω=-Kc :
)cos()(?ω-=tAtgLa 1ère équation donne alors :
La solution globale de l"équation de d"Alembert est alors : -=txcCtxscoscos),(On pose dans la suite
ckω=, alors :
()()?ωψ--=tkxCtxscoscos),(Ce type de solutions, appelé onde plane stationnaire est très différent d"une onde plane
progressive : les dépendances spatiale et temporelle interviennent séparément ; la dépendance
spatiale intervient dans l"amplitude de l"oscillation temporelle et non plus dans la phase, de telle sorte que tous les points de la corde vibrent en phase ou en opposition de phase.L"allure de la corde à différents instants est représentée sur la figure suivante. Certains points de
la corde sont fixes et sont appelés noeuds de vibrations ; d"autres ont une amplitude de vibration
maximale et sont appelés ventres de vibrations.Physique des ondes, équation de d"Alembert
8 s(x,t) x Les courbes en gras correspondent aux instants où la vibration est extrémale ; la courbe en pointillés correspond à un instant quelconque. Position des noeuds : elle s"obtient en écrivant que : ( )2)12(0cosπψψ+=-=-nkxsoitkxnSoit, avec
2=k : knxnψλ++=412 La distance entre deux noeuds successifs est égale à 2 Position des ventres : elle s"obtient en écrivant que : ()πψψnkxsoitkxv=-±=-1cosSoit :
knxvψλ+=2 La distance entre deux ventres successifs est égale à 2 La distance entre un noeud et un ventre successif est égale à 4IV - Applications :
1 - Etude des petits mouvements libres d"une corde vibrante fixée à ses deux extrémités,
modes propres :On considère une corde de longueur L fixée à ses extrémités d"abscisses x = 0 et x = L :
0),(),0(==tLyty (à tout instant)
Les CI sont les suivantes :
A t = 0 :
La corde évolue ensuite librement (régime libre). On cherche des solutions de l"équation de d"Alembert sous la forme d"ondes stationnaires : ()()?ωψ--=tkxCtxycoscos),(Les conditions aux limites entraînent :
Physique des ondes, équation de d"Alembert
90)cos(0cos=-=ψψkLet
Par conséquent,
2 πψ= et 0sin=kL, soit πnkL= : la norme du vecteur d"onde k est quantifiée.Les pulsations le sont également :
Lcnoùdck
En faisant intervenir la longueur d"onde
2ccT==, il vient :
2λnL=
La longueur de la corde doit être égale à un nombre entier de fois la demi-longueur d"onde. Cette
condition traduit la contrainte imposée par les extrémités fixes de la corde : on doit y avoir un
noeud de vibration et l"on sait que deux noeuds de vibration successifs sont distants de 2Ces pulsations, quantifiées par l"entier n, sont appelées pulsations propres ; un mode propre sera
caractérisé par la solution suivante de l"équation de d"Alembert : -=xLntLcnCtxynnnπ?πsincos),( La solution générale sera une superposition de ces modes propres : 1 sincos),( nnn xLntLcnCtxyπ?π L"allure de la corde vibrante pour les premiers modes propres est donnée sur la figure : n = 3 n = 2 n = 1 s(x,t) s(x,t) s(x,t) x x x Trois premiers modes propres d'une corde fixée à ses extrémités.Les CI imposent :
1 sincos)()0,( nnn xLnCxxyπ?αPhysique des ondes, équation de d"Alembert
10 et : 1 sinsin)()0,( nnn xLnLcnCxxtyπ?πβEtendus à l"intervalle
][+∞-∞,, ces développements en série de Fourier sont ceux d"une fonction impaire (absence de termes en cosinus) de période 2L.Connaissant les fonctions
α(x) et β(x) sur l"intervalle physique [0,L] correspondant à la corde, onpeut définir des fonctions impaires et périodiques de période double 2L, puis développer ces
fonctions en série de Fourier : 11 sin)(sin)( nn nn xLnxetxLnxπββπαα