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  • Ondes mécaniques

    Formulaire de report

    Une onde peut être décrite comme un couplage de \(n\) oscillateurs (Oscillateurs couplés)

    Formalisme mathématique

    On remplace les \(n\) oscillateurs par un approximation du continu.



    Retrouvons l'équation d'Alembert à une dimension

    $$
    \begin{align}ed
    & d z=a_0, z=n \cdot a_0 \\
    & x_n=x\left(n a_0, t\right)=x(z, t) \\
    & x_n \pm 1=x\left(n a_0 \pm a_0, t\right)=x(z \pm d z, t) \\
    & m \fracd^2 x_n(t)d t^2=-k\left(x_n(t)-x_n-1(t)\right)+k\left(x_n+1(t)-x_n(t)\right) \text devient: \\
    & m \frac\partial^2 x(z, t)\partial t^2=-k(x(z, t)-x(z-d z, t))+k(x(z+d z, t)-x(z, t))
    \end{align}ed
    $$

    On introduit dz :
    $$
    M \frac\partial^2 x(z, t)\partial t^2=-k d z\left(\fracx(z, t)-x(z-d z, t)d z-\fracx(z+d z, t)-x(z, t)d z\right)
    $$
    \(\mathrm{dz}\) est petit, on peut le faire tendre vers 0 :
    $$
    \fracx(z, t)-x(z-d z, t)d z \cong \frac\partial x(z, t)\partial z \quad \fracx(z+d z, t)-x(z, t)d z \cong \frac\partial x(z+d z, t)\partial z
    $$
    On a alors :
    $$
    M \frac\partial^2 x(z, t)\partial t^2=-k d z\left(\frac\partial x(z, t)\partial z-\frac\partial x(z+d z, t)\partial z\right)
    $$

    $$
    M \frac\partial^2 x(z, t)\partial t^2=-k d z\left(\frac\partial x(z, t)\partial z-\frac\partial x(z+d z, t)\partial z\right)
    $$
    On pose : \(f(z, t)=\frac{\partial x(z, t)}{\partial z}\)
    $$
    M \frac\partial^2 x(z, t)\partial t^2=-k d z(f(z, t)-(f(z+d z, t))
    $$

    En divisant à nouveau par \(\mathrm{dz}\), on obtient :
    $$
    \begin{align}ed
    & m \frac\partial^2 x(z, t)\partial t^2=-k d z^2\left(\fracf(z, t)-(f(z+d z, t)d z\right) \\
    \Rightarrow \quad & m \frac\partial^2 x(z, t)\partial t^2=-k d z^2\left(-\frac\partial f(z, t)\partial z\right)=+k d z^2\left(\frac\partial^2 x(z, t)\partial z^2\right) \\
    \Rightarrow & \frac\partial^2 x(z, t)\partial z^2=\fracmk d z^2 \frac\partial^2 x(z, t)\partial t^2
    \end{align}ed
    $$

    On retrouve finalement l'Equation d’Alembert à une dimension.
    $$\frac{\partial^2x(z,t)}{\partial z^2}=\frac{1}{c^2}\frac{\partial^2x(z,t)}{\partial t^2}$$

    Cette équation fonctionne aussi bien pour les ondes transversales et longitudinales.

    Vitesse d'une onde

    Vitesse de phase

    Pour une onde porgressive, on a \(v_\varphi=\frac{\omega}{k}=c\) (relation de dispersion)

    Notion d'Impédance

    Impédance mécanique


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