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Les ondes , livre ebook

EDP Sciences - Mike Goldsmith

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Extrait

Description

On ne les voit pas forcément, pourtant nous sommes entourés d’ondes. La Terre tremble jusqu’à ses fondations ; les mers et les océans s’agitent sans cesse ; les sons se propagent à tra vers la terre, les mers et l’air ; notre corps est traversé d’ondes ; l’Univers est rempli d’un vaste spectre de radiations électromagnétiques, dont la lumière visible n’est qu’une infime partie. En cherchant encore plus loin, on trouve les ondes mécaniques, les phénomènes d’ondes quantiques et les ondes gravitationnelles, aujourd’hui clairement identifiées. Ce livre présente les principaux types d’ondes, leurs sources, leurs effets, leurs utilisations et les recherches à leur sujet. Mike Goldsmith explique comment le mouvement des ondes donne lieu à toute une série de phénomènes : de la réflexion, la diffraction, l’interférence et la polarisation dans le cas des ondes lumineuses aux battements et échos pour le son. Toutes les ondes, aussi différentes soient-elles, partagent de nombreuses caractéristiques et malgré toute leur complexité, nombre de leurs comportements sont fondamentalement simples.

1. L’essentiel des ondes....................................................................... 7

2. Les vagues....................................................................................................40

3. Les ondes sonores...............................................................................55

4. Les ondes sismiques..........................................................................67

5. Les ondes biologiques.....................................................................78

6. Les ondes électromagnétiques............................................. 88

7. Les ondes quantiques......................................................................125

8. Les ondes gravitationnelles...................................................... 145

Lectures supplémentaires..................................................................157

Index..........................................................................................................................161

Sujets

Sciences et techniques

Informations

Publié par	EDP Sciences
Date de parution	04 mai 2023
Nombre de lectures	5
EAN13	9782759830510
Langue	Français
Poids de l'ouvrage	3 Mo

Informations légales : prix de location à la page 0,1450€. Cette information est donnée uniquement à titre indicatif conformément à la législation en vigueur.

Extrait

Mîke Godsmîth Les ondes

On ne es voît pas forcément, pourtant nous sommes entourés d’ondes. La Terre trembe jusqu’à ses fondatîons ; es mers et es océans s’agîtent sans cesse ; es sons se propagent à tra-vers a terre, es mers et ’aîr ; notre corps est traversé d’ondes ; ’Unîvers est rempî d’un vaste spectre de radîatîons éectroma-gnétîques, dont a umîère vîsîbe n’est qu’une înime partîe. En cherchant encore pus oîn, on trouve es ondes mécanîques, es phénomènes d’ondes quantîques et es ondes gravîtatîonnees, aujourd’huî caîrement îdentîiées.

Ce îvre présente es prîncîpaux types d’ondes, eurs sources, eurs effets, eurs utîîsatîons et es recherches à eur sujet. Mîke Godsmîth expîque comment e mouvement des ondes donne îeu à toute une sérîe de phénomènes : de a rélexîon, a dîf-fractîon, ’înterférence et a poarîsatîon dans e cas des ondes umîneuses aux battements et échos pour e son. Toutes es ondes, aussî dîfférentes soîent-ees, partagent de nombreuses caractérîstîques et magré toute eur compexîté, nombre de eurs comportements sont fondamentaement sîmpes.

Mîke Godsmîth est astrophysîcîen et acoustîcîen. I a travaîé sur a poussîère întersteaîre, es étoîes supergéantes et es substances trouvées dans d’autres gaaxîes, aînsî que sur a transmîssîon du son et ’hîstoîre du bruît. Depuîs 1986, î a écrît pus de quarante îvres scîentîiques destînés aux enfants comme aux adutes.

www.edpsciences.org

ISBN : 9782759830503 9:HSMHPJ=]XUZUX:>

Mike Goldsmith

Les ondes

Traduit de l’anglais par Alan Rodney

ChronoSciences

Collection destinée à un large public qui invite le lecteur à découvrir de façon très complète mais de manière abordable un sujet ou une thématique précise.

« Dans la même collection » L’Intelligence artiﬁcielle, M. A. Boden, 2021 La Théorie quantique, J. Polkinghorne, 2021 Les Marées, D. G. Bowers et E. M. Roberts, 2021 L’Anthropocène, E. C. Ellis, 2021 L’Odorat, M. Cobb, 2021 Le Changement climatique, M. Maslin, 2022 Les Énergies renouvelables, N. Jelley, 2022 L’écologie, J. Ghazoul, 2022 Le temps, Jenann Ismael, 2022 La physique, Sidney Perkowitz, 2022 La théorie des nombres, Robin Wilson, 2023

Waves: A Very Short Introductionwas originally published in English in 2018. This translation is published by arrangement with Oxford University Press. © Mike Goldsmith 2018. © Pour la traduction française, EDP sciences, 2023.

Composition et mise en page : Desk (www.desk53.com.fr)

Imprimé en France

Papier : 9782759830503 Ebook : 9782759830510

Tous droits de traduction, d’adaptation et de reproduction par tous procédés, réservés pour tous pays. La loi du 11 mars 1957 n’autorisant, aux termes des alinéas 2 et 3 de l’article 41, d’une part, que les « copies ou reproductions strictement réservées à l’usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective », et d’autre part, que les analyses et les courtes citations dans un but d’exemple et d’illustration, « toute représentation intégrale, ou partielle, faite sans le consentement de l’auteur ou de ses ayants droit er ou ayants cause est illicite » (alinéa 1 de l’article 40). Cette représentation ou reproduction, par quelque procédé que ce soit, constituerait donc une contrefaçon sanctionnée par les articles 425 et suivants du code pénal.

 Table des matières

1.L’essentiel des ondes....................................................................... 2.Les vagues.................................................................................................... 3.Les ondes sonores............................................................................... 4.Les ondes sismiques.......................................................................... 5.Les ondes biologiques..................................................................... 6.Les ondes électromagnétiques............................................. 7.Les ondes quantiques...................................................................... 8.Les ondes gravitationnelles...................................................... Lectures supplémentaires.................................................................. Index..........................................................................................................................

7 40 55 67 78 88 125 145 157 161

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L’essentiel des ondes

En février 2016, les médias internationaux ont annoncé la découverte d’ondes gravitationnelles, avec des titres tels que « LIGO entend des ondes gravitationnelles », « Les ondes gravitationnelles d’Einstein « vues » depuis les trous noirs », et « Les trous noirs entrent en collision et la gravité frémit ». Cette istoire était importante pour deux raisons. Les obser-vations conﬁrmaient une prédiction faite par Albert Einstein en 1916 et apportaient ainsi une preuve supplémentaire que sa téorie de la relativité générale était correcte. Ce n’est pas plus mal, car pour les scientiﬁques qui étudient l’Uni-vers dans son ensemble, ou certains de ses abitants les plus exotiques comme les trous noirs, la relativité générale est presque le seul eu disponible. La découverte est tout aussi importante pour l’astronomie d’observation : les ondes gravitationnelles ouvrent une nouvelle fenêtre sur l’Univers lointain, ainsi que sur l’Univers ancien, et peuvent poten-tiellement nous montrer des coses que rien d’autre ne peut nous montrer. Mais nonobstant les gros titres, ces ondes ne peuvent pas vraiment être entendues ni vues ; leur grand avantage pour les futurs astronomes réside précisément dans le fait qu’elles constituent un type d’onde très diﬀérent de

7

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 LES ONDES

celui du son ou de la lumière. Les ondes gravitationnelles sont traitées au capitre 8. Nos terres, nos mers et notre atmospère sont toutes remplies d’ondes de types très diﬀérents, et au-delà de l’at-mospère, il y en a bien d’autres. On pourrait dire, en fait, qu’il n’y a rien dans l’Univers en deors des ondes et de la matière – et on pourrait dire que la matière est égale-ment constituée d’ondes ; le capitre 7 explore cette idée remarquable. Le capitre 2 expliquera ce qui fait la spéciﬁcité des vagues aquatiques, mais comme elles présentent également de nom-breuses caractéristiques essentielles que toutes les vagues partagent, nous pouvons tout de suite nous y plonger.

VAGUES ET MÉDIAS

Imaginez que vous êtes debout au bord d’une falaise et que vous regardez une mer ensoleillée par un après-midi sans vent. Une succession régulière de vagues s’écoule rapidement vers le rivage. C’est du moins ce qu’il semble : si vous obser-vez une balle de tennis ﬂottant dans l’eau, vous constaterez que son mouvement principal est vertical, montant et des-cendant au passage de caque vague. Il est donc clair que l’eau dans laquelle elle ﬂotte ne suit pas le mouvement des vagues. Une observation plus attentive révèle que la balle se déplace latéralement ainsi que de aut en bas : vers le aut et l’avant lorsque la vague monte, vers le bas et l’arrière lorsqu’elle descend. Ce mouvement circulaire est celui des molécules d’eau elles-mêmes (cf.la Figure 1).

Cette diﬀérence entre le mouvement d’une vague de mer et celui des particules du milieu dans lequel elle se déplace est typique de toutes ces vagues : caque particule eﬀectue un mouvement répétitif et les particules voisines eﬀectuent le

 L’ESSENTIEL DES ONDES

1 même mouvement, mais avec un léger décalage. Une « ola », est également de ce type ; les seuls mouvements que caque participant eﬀectue sont verticaux, mais en commençant à se déplacer uste après son voisin, on crée une illusion de mouvement latéral, le même eﬀet qui donne l’impression de mouvement avec des guirlandes de LED clignotantes. Pour fonctionner correctement, il doit y avoir le même intervalle entre caque événement successif, et tous les événements doivent être exactement les mêmes.

Fig. 1 Le mouvement des moécues d’eau dans une vague.

Tous les milieux ne peuvent pas servir de support aux mou-vements des vagues. La plage sur laquelle les vagues déferlent peut être sculptée en forme de vague, mais, à moins d’un tremblement de terre, elle ne peut pas réellement bouger à la manière d’une vague. Pour qu’un milieu participe au mouve-ment des vagues, il doit d’abord résister au mouvement, puis se déplacer, et enﬁn résister à l’arrêt instantané. L’eau soutient les vagues parce qu’elle est naturellement plate, et toute tentative de l’entasser ou d’y faire un trou se eurte à une résistance. Si vous écopez de l’eau pour créer une dépression, celle-ci se rem-plira instantanément, mais – et cela est crucial pour la géné-ration d’une vague – l’eau qui s’y engouﬀre dépassera quelque peu, de sorte qu’au lieu de revenir à la surface vierge d’origine, la brève dépression sera suivie d’un monticule tout aussi bref. L’écange entre la dépression et le monticule se poursuivra

1. NDT : en anglais, « vagues mexicaines ».

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 LES ONDES

usqu’à ce que la résistance de l’air et la friction entre les molé-cules d’eau fassent disparaître la perturbation. Jetez-vous sur un trampoline pour en faire l’expérience directe. Ce processus explique pourquoi les vagues apparaissent rarement seules ; même si la source est un événement unique (comme une pierre tombant dans une piscine), le résultat est généralement une courte série (un train) de vagues. La plupart des vagues peuvent être déﬁnies par quelques paramètres seulement ; si l’on considère à nouveau une balle ﬂottant sur une mer couverte de vagues, on s’aperçoit rapi-dement qu’elle répète son mouvement cyclique à l’inﬁni, en mettant touours le même temps pour revenir à un point donné, par exemple du pic au creux et de nouveau au pic. Ce temps est appelé lapériodede l’onde. Il est souvent plus facile de mesurer lafréquenced’une onde que sa période. Si un cycle a une période d’un dixième de seconde, alors sa fréquenceest de dix cycles par seconde, ou dix ertz (matématiquement, la fréquence est l’inverse de la période). La fréquence (en ertz) est également le nombre de pics d’ondes qui passent devant un point en une seconde. La dis-tance entre les pics adacents, ou les creux, est lalongueur d’onde. La distance entre la position moyenne et le sommet ou le creux d’une vague est sonamplitude. Pour les vagues en mer, on parle parfois de la auteur, car elle est plus facile à estimer ; elle correspond à la distance entre le creux et la crête et est donc égale à deux fois l’amplitude. Le concept de vitesse est légèrement plus compliqué : la vitesse à laquelle les molécules d’une vague d’eau se déplacent sur leur traectoire est la vitesse des particules de la vague. Une cose plus simple à mesurer est la vitesse à laquelle les crêtes de la vague se déplacent vers le rivage ; c’est lavitesse de pHase. Si le terme « vitesse » est mentionné sans qualiﬁcatif, c’est généralement la vitesse de pase qui est visée.