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59355ec6
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59355ec6
authored
Oct 14, 2024
by
Claude Meny
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12.temporary_ins/69.waves/20.n2/20.overview/cheatsheet.fr.md
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59355ec6
...
@@ -239,10 +239,10 @@ le *plus petit volume observable* à l'échelle considérée. À moins de travai
...
@@ -239,10 +239,10 @@ le *plus petit volume observable* à l'échelle considérée. À moins de travai
à l'échelle atomique, ces volumes qualifiés d'élémentaires se touchent, et donc
à l'échelle atomique, ces volumes qualifiés d'élémentaires se touchent, et donc
les "particules" sont
**jointives**
.
les "particules" sont
**jointives**
.
<br>
<br>
La
*perturbation*
est alors décrite par une
**fonction mathématique $`
\phi
`$ continue**
La
*perturbation*
est alors décrite par une
**fonction mathématique $`
U
`$ continue**
dans l'espace et le temps :
dans l'espace et le temps :
<br>
<br>
$
`\large
\phi = \;`
$
**$`\large\boldsymbol{\mathbf{\phi
\,(\,x,\,y,\,z,\,t\,)}}`$**
$
`\large
U = \;`
$
**$`\large\boldsymbol{\mathbf{U
\,(\,x,\,y,\,z,\,t\,)}}`$**
<br>
<br>
où $
`(x,y,z)`
$ sont des coordonnées spatiales.
où $
`(x,y,z)`
$ sont des coordonnées spatiales.
...
@@ -276,7 +276,7 @@ _figures a, b, c : Exemples d'onde unidimensionnelle._
...
@@ -276,7 +276,7 @@ _figures a, b, c : Exemples d'onde unidimensionnelle._
Un
*système adapté de coordonnées*
spatiales permet alors de repérer tout
Un
*système adapté de coordonnées*
spatiales permet alors de repérer tout
point sur la ligne avec
**seulement une coordonnée**
. La fonction prend alors la forme :
point sur la ligne avec
**seulement une coordonnée**
. La fonction prend alors la forme :
<br>
<br>
$
`\large
\phi = \;`
$
**$`\large\boldsymbol{\mathbf{\phi
\,(\,x,\,t\,)}}`$**
$
`\large
U = \;`
$
**$`\large\boldsymbol{\mathbf{U
\,(\,x,\,t\,)}}`$**
<br>
<br>
##### Onde bidimensionnelle
##### Onde bidimensionnelle
...
@@ -295,7 +295,7 @@ _figures d, e, f, g : exemples d'onde bidimensionnelle._
...
@@ -295,7 +295,7 @@ _figures d, e, f, g : exemples d'onde bidimensionnelle._
Un
*système adapté de coordonnées*
spatiales permet alors de repérer tout
Un
*système adapté de coordonnées*
spatiales permet alors de repérer tout
point de la surface avec
**seulement deux coordonnées**
. La fonction prend alors la forme :
point de la surface avec
**seulement deux coordonnées**
. La fonction prend alors la forme :
<br>
<br>
$
`\large
\phi = \;`
$
**$`\large\boldsymbol{\mathbf{\phi
\,(\,x,\,y,\,t\,)}}`$**
$
`\large
U = \;`
$
**$`\large\boldsymbol{\mathbf{U
\,(\,x,\,y,\,t\,)}}`$**
<br>
<br>
...
@@ -306,14 +306,14 @@ _figures d, e, f, g : exemples d'onde bidimensionnelle._
...
@@ -306,14 +306,14 @@ _figures d, e, f, g : exemples d'onde bidimensionnelle._
*
La
*perturbation*
d'une onde mécanique correspond, en chaque point de l'espace,
*
La
*perturbation*
d'une onde mécanique correspond, en chaque point de l'espace,
à un
**déplacement**
de matière par rapport à sa position d'équilibre. Ce déplacement
à un
**déplacement**
de matière par rapport à sa position d'équilibre. Ce déplacement
peut être décrit par :
peut être décrit par :
*
une
*fonction scalaire $`
\phi
`$*
qui donne une distance ou
**longueur**
.
*
une
*fonction scalaire $`
U
`$*
qui donne une distance ou
**longueur**
.
*
une
*fonction vectorielle $`\vec{
\phi
}`$*
qui donne un vecteur avec une
**norme**
*
une
*fonction vectorielle $`\vec{
U
}`$*
qui donne un vecteur avec une
**norme**
représentant la
**longueur**
et une
**direction**
indiquant le sens du déplacement.
représentant la
**longueur**
et une
**direction**
indiquant le sens du déplacement.
*
L'aspect oscillatoire du déplacement par rapport à l'équilibre peut entraîner des
*
L'aspect oscillatoire du déplacement par rapport à l'équilibre peut entraîner des
variations de
**densité volumique**
dans le milieu de propagation _(comme pour le son dans l'air)_.
variations de
**densité volumique**
dans le milieu de propagation _(comme pour le son dans l'air)_.
Dans ce cas :
Dans ce cas :
*la fonction $`
\phi
`$*
est scalaire et représente une
**densité volumique**
.
*la fonction $`
U
`$*
est scalaire et représente une
**densité volumique**
.
*
D'
*autres grandeurs physiques*
peuvent être utilisées si elles permettent la
*mesure de l'onde*
.
*
D'
*autres grandeurs physiques*
peuvent être utilisées si elles permettent la
*mesure de l'onde*
.
...
@@ -376,6 +376,145 @@ figures en attente
...
@@ -376,6 +376,145 @@ figures en attente
<br>
<br>
#### Qu'est-ce qu'une Onde Sinusoîdale ?
!!!!!
*Terminologie :*
!!!!!
!!!!! sont
*équivalentes*
les expressions suivantes :
!!!!!
* *
onde sinusoïdale
*
!!!!!
* *
onde harmonique
*
!!!!! et ans un milieu homogène et isotrope, plutôt réservé aux ondes électromagnétiques (et donc lumineuses) :
!!!!!
* *
onde monochromatique
*
##### Point de vue de la source ou d'un capteur.
*
La
*source*
ou le
*capteur*
d'une onde est
*localisé en un point*
donné de l'espace, l'
**onde**
est alors représentée alors par une simple
**fonction dépendant du temps : $`U(t)`$**
.
*
L'
**onde sinusoîdale**
est une onde dont la
*dépendance temporelle*
est une
**fonction sinusoïdale**
;
*
Mathématiquement les fonctions
**sinus et cosinus**
possèdent le
*même profil*
sinusoïdale, mais
*décalé d'un quart de période*
.
En effet $
`\forall \theta \in \mathbb{R}`
$ :
<br>
**$`sin\big(\theta + \dfrac{\pi}{2}\big)`$**
$
`\,= sin \theta\,cos\dfrac{\pi}{2} + sin\dfrac{\pi}{2} \, cos \theta
= sin \theta \times 0 \,+\, 1\times cos \theta`
$
**$`\,= cos \theta`$**
<br>
figure à faire
<br>
Ainsi la représentation d'une
**onde sinuoïdale**
est
*soit une fonction sinus, soit par une fonction cosinus*
.
<br>
Choisis par exemple la fonction cosinus.
L'
**écriture générale**
d'une onde sinusoïdale est :
<br>
**$`\boldsymbol{\mathbf{\large{ U(t) = A\cdot cos(\omega t + \varphi_0)}}}\quad`$**
, avec :
*
*$`\mathbf{U(t)}`$*
:
**élongation**
à l'instant $
`t`
$
*
*$`\mathbf{A}`$*
:
**amplitude**
= élongation maximum
*
*$`\mathbf{\omega}`$*
:
**pulsation**
de l'onde
*
*$`\boldsymbol{\varphi_0}}`$*
:
**phase à $`\mathbf{t=0}`$**
*
*$`\boldsymbol{\mathbf{\omega t - \varphi_0}}`$*
:
**phase**
à l'instant $
`t`
$
<br>
$
`\large{U(t) = A
* Une **onde harmonique** est la décomposition de l'onde en un *plus petit motif qui se répète* de façon jointive.
$`
*
Une
**OPPH**
se propageant
*en direction et sens*
d'un
*vecteur unitaire $`\vec{n}`$*
s'écrit :
<br>
**$`\large{\boldsymbol{\mathbf{U(\vec{r},t) = A \cdot \cos(\, \omega t\;\mathbf{-}\;\vec{k}\cdot\vec{r} + \varphi)}}}`$**
,
<br>
avec
*$`\mathbf{\vec{k} = k\,\vec{n}}`$*
et :
*
*$`\mathbf{U(\vec{r}, t)}`$*
:
**élongation**
en $
`\vec{r}`
$ et $
`t`
$
*
*$`\mathbf{A}`$*
:
**amplitude**
= élongation maximum
*
*$`\boldsymbol{\mathbf{\omega t - \vec{k}\cdot\vec{r} + \varphi}}`$*
:
**phase**
en $
`\vec{r}`
$ et $
`t`
$
*
*$`\boldsymbol{\mathbf{\varphi}}`$*
:
**phase à l'origine**
,
à l'origine du système de coordonnées, $
`\vec{r}=\vec{0}`
$, et à l'instant $
`t=0`
$ origine de l'axe des temps.
<br>
*
**Propriété fondamentale**
de l'onde : propriété
*temporelle*
, décrite par différentes
*grandeurs physiques équivalentes*
qui sont :
*
**$`\mathbf{T}`$**
la
*période*
temporelle, d'unité S.I.
**$`(s)`$**
.
*
**$`\boldsymbol{\mathbf{\nu}}`$**
la
*fréquence*
temporelle, d'unité S.I.
**$`(Hz = s^{-1})`$**
*
**$`\boldsymbol{\mathbf{\omega}}`$**
la
*pulsation*
temporelle, d'unité S.I.
**$`(rad\,s^{-1})`$**
<br>
telles que :
<br>
**$`\large{\boldsymbol{\mathbf{\omega = 2\pi\,\nu = \dfrac{2\pi}{T}}}}`$**
<br>
*
**propriété du milieu**
vis à vis de l'onde :
*
**$`\boldsymbol{\mathscr{v}}`$**
la
**célérité**
ou
*vitesse de propagation*
de
l'onde dans le milieu, d'unité S.I.
**$`(m\,s^{-1})`$**
* Souvent, la *célérité* **$`\boldsymbol{\mathbf{\mathscr{v}(\nu)}}`$** *dépend de la fréquence*
temporelle $`\mathscr{\nu}`$ de l'onde. Le **milieu** est alors dit **dispersif**.
<br>
Le milieu est dit non dispersif dans le cas contraire.
<br>
En général, un milieu est dispersif, mais il peut être non dispersif dans un
domaine de fréquence d'intérêt.
<br>
*
**Propriété de l'onde dépendante du milieu**
de propagation, propriété
*spatiale*
, décrite
par différentes
*grandeurs physiques équivalentes*
qui sont :
*
**$`\boldsymbol{\mathbf{\lambda}}`$**
la
*longueur d'onde*
ou périodicité spatiale dans la direction de la propagation, d'unité S.I.
**$`(m)`$**
*
**$`\mathbf{\overrightarrow{k}}`$**
le
*vecteur d'onde*
qui s'étend en direction et sens de la propagation.
*
**k**
le
*nombre d'onde*
ou norme du vecteur d'onde, d'unité S.I.
**$`(rad\,m^{-1})`$**
<br>
telles que :
**$`\mathbf{\vec{k}=k \,\vec{n}}`$**
où
*$`\mathbf{\vec{n}}`$*
est le
*vecteur unitaire*
pointant en
*direction et sens de propagation*
de l'onde.
<br>
**$`\large{\boldsymbol{\mathbf{k = \dfrac{2\pi}{\lambda}}}}`$**
*
*Relations entre les propriétés*
temporelles, spatiales et du milieu :
<br>
**$`\large{\boldsymbol{\mathbf{k = \dfrac{2\pi}{\lambda} = \dfrac{2\pi}{\mathscr{v} T} = \dfrac{2\pi\,\nu}{T} = \dfrac{\omega}{\mathscr{v}}}}}`$**
<br>
!!!!
*Attention*
!!!!
!!!! Parfois dans la littérature, le terme
*nombre d'onde*
est défini par $
`k = 1\,/\,\lambda`
$.
!!!! Il diffère d'un facteur $
`2\pi`
$ de la définition ici donnée.
<br>
*
Cas d'une
*onde unidimensionnelle*
:
<br>
**$`\boldsymbol{\mathbf{U(\vec{r}, t) = A \cdot cos(\omega t - kx + \varphi)}}`$**
*
Une OPPH peut aussi s'écrire en utilisant la fonction sinus. Nous avons alors, pour une :
OPPH 1D :
$
`U(\vec{r}, t) = A\cdot \sin(\omega t - kx + \varphi)`
$
OPPH 2D ou 3D :
$
`U(\vec{r}, t) = A \cdot \sin(\omega t - \vec{k}\cdot\vec{r} + \varphi)`
$
<br>
##### Les notations utilisant la fonction sinus ou la fonction cosinus sont-elles équivalentes?
*
Fonctions
**sinus et cosinus**
représentent
*une même fonction, déphasée de $`\pi/2`$*
:
<br>
*$`\boldsymbol{\mathbf{sin (\varphi) = cos (\varphi - \pi/2)}}`$*
.
*
$
`\Longrightarrow`
$ Les écritures d'une OPPH avec une fonction sinus ou une fonction cosinus sont équivalentes.
<br>
**$`\mathbf{U(x,t)=A\cdot cos\,(\omega t - \vec{k}\cdot\vec{r} + \varphi)}`$**
$
`\quad = A\cdot cos \Big(\omega t - \vec{k}\cdot\vec{r} + \underbrace{ \varphi + \dfrac{\pi}{2}}_{\color{blue}{=\;\varphi'}} - \dfrac{\pi}{2}\Big)`
$
$
`\quad = A\cdot
\;\underbrace{cos \Big[\,\Big(\omega t - \vec{k}\cdot\vec{r} + \varphi'\Big) - \dfrac{\pi}{2}}_{\color{blue}{cos(a-\pi/2)\\\;=cos(a)\,cos(\pi/2)+sin(a)\,sin(\pi/2)\\=\;sin(a)}}\Big]`
$
**$`\boldsymbol{\mathbf{\quad=A\cdot sin\,(\omega t - \vec{k}\cdot\vec{r} + \varphi')}}`$**
$
`\quad\quad\quad \text{avec } \varphi'=\varphi + \dfrac{\pi}{2})`
$
---------------
<br>
#### Qu'est-ce qu'une onde périodique?
#### Qu'est-ce qu'une onde périodique?
*
Le
**milieu**
considéré est en général
*homogène et isotrope*
.
*
Le
**milieu**
considéré est en général
*homogène et isotrope*
.
...
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