morphogenèse - printemps 2013: Ondes Sonores - Belmeguenaï, Beurrier, Ghabra

Les Ondes

1. Comment définir les ondes ?

Une onde électromagnétique est un terme général qui désigne deux perturbations qui se déplacent:

→ Champ magnétique : un aimant
→ Champ électrique

Elles sont combinées indissociablement en se propageant dans l’espace à la vitesse de la lumière, 299 792 458 m/s. On peut illustrer une perturbation par un caillou lancé dans une eau calme, au contact de l'eau des cercles concentriques se forment à la surface de l'eau, c'est l'exemple le plus simple d'onde.

2. Comment comprendre le fonctionnement des ondes à l’échelle de l’œil ?

Pour nous permettre de faire des expériences sur les ondes, nous avons pris un phénomène très facile à voir. En effet, lancer un caillou dans l’eau calme nous permet de voir des perturbations. Cela est le même système pour les évolutions des vagues.

Une vague est une oscillation de la surface d’un océan, d’une mer, ou d’un lac. Ce qui entraîne des variations de pression et à l’augmentation ou la diminution de la vitesse des fluides. Toutes les tailles de vagues sont possibles allant de quelques centimètres à 34 mètres dues à la plus haute vague observée en 1959 d’après « Ocean Waves, Bascom, W ». Les vagues sont irrégulières, avec un groupe de grandes vagues suivies de petites. Ces vagues forment l’état de la mer qui est alors exploité. Elles peuvent être comparées à des ondes sismiques ou le son se propageant dans l’air, les matériaux ou les fluides.

Les vagues, approche théorique

1) qu’est ce qu’une vague ?

Une vague est une onde mécanique qui se propage. La surface de l’eau entre deux fluides, en l’occurrence l’eau et l’air. Les ondes correspondent à des déformations périodiques d’une interface. En océanographie, les ondes de surface se matérialisent par une déformation de la surface de la mer, c'est-à-dire une déformation de l’interface entre l’atmosphère et l’océan.

Une onde se caractérise par :

Sa période, T : c’est l’intervalle de temps qui s’écoule en un point donné entre le passage de 2 crêtes successives (de 0,1 sec . 30 secondes)

Sa longueur d’onde, L (selon le schéma proposé) : La longueur d’onde correspond à la distance horizontale entre deux crêtes ou deux creux de deux vagues successives. Plus la longueur d’onde d’une vague est importante, plus sa vitesse est grande (la vitesse de la vague se traduit par le rapport : longueur d’onde sur une durée. Donc plus la longueur d’onde est importante plus la vitesse l’est aussi)

Sa hauteur, H : c’est la dénivellation verticale entre la crête et le creux. Les vagues de plus de 12 m de hauteur sont très rares, on admet cependant l’existence de houle dont la hauteur moyenne est de 20 m.

Son amplitude, A : l’amplitude correspond. La distance verticale entre la crête et le niveau de l’eau au repos, soit une demi hauteur. Lorsque la vague atteint le rivage, son amplitude varie en fonction du relief sous- marin et de la configuration du rivage.

Sa vitesse de propagation ou vitesse de phase (célérité) :

La célérité correspond à la vitesse de propagation d’une crête d’une vague. La célérité de la vague croît avec son amplitude. Elle est différente selon si l’onde est courte ou longue. Lorsque la longueur d’onde est au moins deux fois plus faible que la profondeur de l’océan on parle d’onde courte, ceci se produit en eau profonde. A l’opposé, lorsque la longueur d’onde est au moins vingt fois supérieur. La profondeur, l’onde est qualifiée de longue. Ce phénomène intervient en eau peu profonde. La formule permettant de calculer la célérité est différente selon si les ondes sont courtes ou longues.

Dans le cas des ondes courtes :

Dans le cas des ondes longues :

La célérité correspond au produit de g par h comme g reste constant (ce paramètre représente l’attraction de l’apesanteur en un point donnée du globe et vaut en moyenne 9,8N.Kg-1 ), c’est la variation de la profondeur qui induira une variation de la célérité. Ainsi à l’approche des cites, lorsque h diminuera, la célérité diminuera aussi.

2) la formation des vagues

La vague naît dés l’apparition du vent. Si la brise marine est régulière à la surface de l’eau calme, l’air en mouvement adhère aux particules d’eau, pousse l’eau devant lui, provoquant ainsi une élévation des particules d’eau à l’avant alors qu’un creux se forme à l’arrière engendrant des rides. Le vent s’écoule de façon turbulente (les particules d’air n’adoptent pas une trajectoire rectiligne mais une trajectoire à sinusoïdale.) et provoque l’apparition de rides plus ou moins marquées en fonction de sa force (l’amplitude des vagues augmente proportionnellement avec la force du vent).

Ces rides ainsi formées donnent une prise au vent qui les renforce et les fait grandir à condition que sa vitesse soit égale à 4 nœuds (le nœud est une unit. de mesure de vitesse utilisé en aéronautique et en marine, un nœud correspond à 1,852 km.h-1 ). Mais le vent est rarement régulier et va engendrer des vagues de différentes tailles. Les plus petites se briseront et alimenteront les plus grosses en énergie pour les renforcer. Seules les vagues ayant une vitesse inférieure ou proche de celle du vent pourront être entretenues et voyager à travers l’océan.

3) La propagation d’une vague

Nous avons vu précédemment que les vagues naissent et grandissent sous l’action du vent, mais à partir du moment d’équilibre la propagation de la vague ne nécessite plus l’action du vent. Quel est alors le moteur de son déplacement ? Par conservation du débit, lorsque la vitesse des particules d’eau augmente, la vague est étirée, sa structure s’en voit modifie comme une feuille de papier bombe sur laquelle on tirerait sur ses extrémités : on observe alors un étirement de la surface de l’eau. Mais il y a une diminution de la vitesse, le niveau d’eau augmente : c’est le phénomène inverse qui se produit. Pour reprendre l’analogie de la feuille, c’est comme si ici on poussait sur les bords de la feuille (le ralentissement des particules d’eau à décolle à la surface de l’eau) ; on s’aperçoit de l’apparition d’une à bosse à qui se déplace.

Pour mieux comprendre le phénomène de variation des pressions en fonction de la vitesse, revenons au 18eme siècle avec le physicien Daniel BERNOULLI qui a porté ses recherches sur la mécanique des fluides (aussi bien l’eau que l’air) et a énoncé le principe suivant : dans un fluide en écoulement, la vitesse et la pression varient en sens inverse. Ces résultats peuvent être mis en rapport avec la variation des vitesses et des pressions dans le cas d’une vague. La pression de la bosse est maximale en son sommet. En effet comme vu précédemment, la vitesse des particules d’eau diminue de part et d’autre de la bosse et augmente au niveau de la bosse pour la faire tendre à sa position plane d’origine. Lorsque l’on pousse l’eau celle ci monte (ici apparition de la bosse) ce qui entraîne une augmentation de la pression et l’eau est freinée. La pression décroît au fur et à mesure que l’on s’en éloigne (phénomène inverse) : la vitesse augmente.

Ce phénomène permet l’avancement de la vague à travers l’océan jusqu’à ce qu’elle se meurt sur les cites de nos plages ou en eau profonde si elle est trop petite.

Voici comment les chercheurs étudient les vagues et tout les phénomènes s’y rattachant : la meilleure façon de mesurer les caractéristiques de la surface de l’eau est de le faire sans contact. Les chercheur utilisent donc des méthodes de traitement d’image : un appareil prend une photo de la surface de l’eau. L’appareil regarde, pour ainsi dire, depuis le haut à travers la surface de l’eau et vise un motif de couleurs qui est éclairé. Du fait des vagues, les rayons lumineux sont réfléchis et réfractés et différentes couleurs apparaissent. L’analyse colorimétrique leur permet d’en déduire la position et la forme de la vague. Ils peuvent donc étudier la formation des vagues, quelles vagues se forment en fonction de la vitesse du vent, avec quelle fréquence. Une camera infrarouge mesure en permanence les conditions thermiques juste au-dessous de la surface de l’eau ; les scientifiques observent comment se repartit la chaleur en fonction de la vitesse des vagues (zones froides en bleu et zones chaudes en jaune). En effet plus la vitesse de la vague est grande, plus la chaleur est uniforme. Bien sûr, nous ne disposons en rien de cette logistique, qui de toute façon n’est pas à notre portée ; mais le sujet de nos recherches est propice à des expériences de modalisation simples, permettant de cerner les mécanismes fondamentaux de la propagation des vagues et de voir les changements de structure qui s’opèrent selon des conditions.

Compte-rendu des expériences

Expérience de modélisation n°1

La première expérience a été réalisée en laboratoire (expérience qui n’a pas pu être réalisé par nos soins) car elle nécessite un appareil spécial : la cuve à ondes ; mais la seconde et la troisième, peu très bien être effectuée à la maison car elle ne nécessite aucun matériel spécialisé. Ces expériences ont pour but de faire la relation entre onde et vague.

Lors de cette expérience le problème à étudier est le suivant : y a t il un déplacement de matière lors de la propagation de l’onde ?

Matériel : Une cuve à onde munie de ses différents accessoires, différents types de générateur d’onde, eau

Principe de fonctionnement : On remplit le haut de la cuve avec de l’eau ; un générateur d’onde est fixé sur l’appareil et on met ensuite en place la source lumineuse (présence aussi d’un stroboscope qui, lorsque sa fréquence est alignée avec la longueur d’onde de la vague permet d’observer certains phénomènes qui seront développés plus bas). Grâce la transparence de la cuve en plastique, à l’éclairage et à un ingénieux système de miroirs, nous pouvons visualiser sur l’écran l’onde de la vague.

Sur le tableau de commande, en jouant sur la fréquence du générateur, ils peuvent obtenir différents types d’ondes. Au début de l’expérience ils ont fixé le générateur d’ondes (le tube) sur la cuve à ondes et ils lui ont imprimé un léger mouvement d’oscillation jusqu’à l’apparition de petites rides à la surface de l’eau (produisant une onde à circulaire du même type que lorsque l’on jette un caillou dans de l’eau).

Oscillations à la surface de l’eau. Grâce à un réglage adéquat de l’éclairage et de la fréquence du générateur d’ondes ils obtenaient sur l’écran une représentation satisfaisante de l’onde. Nous pouvons voir sur ces photos la représentation d’ondes de différentes longueurs d’onde.

Expérience de modélisation n°2

Suite aux explications des vagues et à l’expérience ci-dessus, nous avons mis en place une deuxième expérience qui n’est pas naturelle comme celle des vagues dans un océan. Nous avons voulu observer l’évolution de l’eau quand celle-ci subit des variations liées aux ondes sonores que génère une baffle.

Matériels : Baffle, logiciel permettant de générer du son avec différents pitch ou le bpm (beat per minute), cuve avec de l’eau

La 1er expérience à comme variation le pitch, de -12 à +12

Expérience de modélisation n°3

Même processus que celui de-dessus avec une variante sur le bpm

La 2ème varie le bpm (beat per minute), de 140 à 280

Conclusion :

Nous pouvons observer des variations dans le déplacement de l’eau. Nous pouvons dire que plus le son est aigue et plus il y a de vagues. Et enfin plus on augmente le bpm et plus il y a des évolutions sur la hauteur et les nombres des vagues. Les vagues expliquent bien le fonctionnent que nous voulons d’obtenir soit montrer des ondes grâce à une matière qui peut être observé à l’œil nu.

Expérience de modélisation n°4

Cette expérience est mise en place pour provoquer des modifications des copeaux de fer grâce à l’attraction de l’aimant. Cela permet de générer des formes aléatoires.

Matériels : Aimant, copeaux de fer

L’expérience réalisée n’a pas fonctionné comme nous le souhaitions en raison du manque de matériel et de puissance. Nous avons pu trouver une expérience réalisée par d’autres personnes qui arrivent à travailler le processus.

Grâce au fer qui est attiré par l'aimant de l'autre côté de la vitre, nous pouvons observer des variations du déplacement des copeaux de fer en fonction du déplacement des aimants (avec des changements vitesse ou éloignement).

Conclusion :

Nous pouvons constater que l'effet généré ne correspond pas à nos attentes. En effet nous obtenu un résultats d'attraction et non d'ondulation. L’échec de cette expérience nous amenez à nous rediriger vers des dispositifs plus liquides.

Expérience de modélisation n° 5

Matériels : Farine, eau, batteur électrique

Conclusion :

Cette expérience est basée sur l'effet d'ondulation. Utilisant un batteur électrique de cuisine et une solution visqueuse, nous avons voulu voir ce pouvait créer des ondulations au sein du mélange. L'hypothèse évoquée avant l'expérience était qu'une série de vagues se formerait dû au mouvement circulaire des fouets. Cela, créé comme sur les autres expériences par une force répétitive variable, selon son intensité et son rythme. Or, nous avons pu constater que le mouvement du battre était constant, et de ce fait ne créait pas de vagues, mais un motif correspondant au déplacement de la matière dans le récipient. Nous n'avons donc pas reproduit l'expérience en changeant les variables, car l'expérience même ne fonctionnait pas.

Evolution architecturale

Référence expérimentale

Références architecturales

Projet d'assises

Toutes ces expériences ont pu nous montrer les différentes variations possibles en matières de vagues et d'ondes. Cela nous permettant d'élaborer un projet documenté inspiré de formes naturelles, sachant les contrôler. Les expériences concrète ont été la 2 & 3 ainsi que la référence expérimentale non reproduite faute de matériel.

Le processus qui nous a permis de mettre en place un mobilier de médiathèque pour tous et toutes est un inspiration sur les ondes sonores. En effet les mouvements fluides des ondes nous permettent de placer des ondulations variées. Une onde sonore fonctionne comme un vague (référence qui montre les évolutions des

ondulations à l’œil nu, contrairement aux ondes qui ne sont pas visibles). Quand nous observons les vagues dans un océan, nous pouvons constater différentes vagues en fonction du temps. C’est ce que nous avons voulu mettre en place dans ce mobilier.

PROGRAMME :

- Le rond symbolise la perturbation que nous pouvons créer par un caillou lancé dans une eau calme, au contact de l’eau des cercles concentriques se forment à la surface de l’eau, c’est l’exemple le plus simple d’ondes (en plan).

- Les ondulations représentent les différentes ondes que nous pouvons créer (en élévation). Sur ce mobilier les différentes hauteurs d’ondes permettent que les enfants comme les adultes puissent s’installer seul, ou à plusieurs. La largeur des ondulations est mise en place pour permettre de s’asseoir de manière différente (assis, allongé). Cela permet à chacun de choisir comment il veut être positionné pour lire, regarder, naviguer sur internet.