Perturbation et onde mécanique progressive
Lorsqu'on provoque une déformation brève et locale d'un milieu matériel (par exemple en pinçant une corde tendue ou en frappant la surface de l'eau), cette déformation, appelée perturbation, se propage de proche en proche à partir du point d'excitation, appelé la source. Ce phénomène de propagation, sans transport de matière, constitue une onde mécanique progressive. Chaque point du milieu atteint par la perturbation reproduit, avec un certain retard, le mouvement de la source.
Nécessité d'un milieu de propagation
Une onde mécanique ne peut se propager que dans un milieu matériel (solide, liquide ou gazeux) : c'est le milieu de propagation. Contrairement aux ondes électromagnétiques, les ondes mécaniques ne peuvent pas se propager dans le vide, car leur propagation résulte de l'interaction entre particules voisines du milieu, chacune entraînant la suivante par des forces de cohésion internes.
Onde à une, deux et trois dimensions
Selon la forme du milieu, on distingue une onde à une dimension (le long d'une corde ou d'un ressort), à deux dimensions (à la surface de l'eau, où la perturbation se propage sur des cercles concentriques appelés fronts d'onde) et à trois dimensions (une onde sonore se propageant dans l'air, sur des surfaces sphériques). La direction de propagation en un point est perpendiculaire au front d'onde qui passe par ce point.
Onde transversale
Une onde est dite transversale lorsque la direction de la perturbation (déplacement des points du milieu) est perpendiculaire à la direction de propagation de l'onde. C'est le cas de l'onde qui se propage le long d'une corde tendue horizontalement lorsqu'on l'ébranle verticalement : chaque point de la corde se déplace verticalement, alors que l'onde progresse horizontalement.
Onde longitudinale
Une onde est dite longitudinale lorsque la direction de la perturbation est parallèle à la direction de propagation de l'onde. C'est le cas de l'onde le long d'un ressort à spires non jointives comprimé puis relâché, ou encore de l'onde sonore dans l'air, où les molécules d'air oscillent dans la même direction que celle où le son se propage, créant des zones alternées de compression et de dilatation.
Absence de transport de matière
Lors de la propagation d'une onde mécanique progressive, chaque point du milieu oscille autour de sa position d'équilibre puis y revient : aucun point matériel n'est durablement déplacé dans la direction de propagation. Seule l'énergie apportée par la source se propage de proche en proche, sans transport global de matière. C'est ce qui permet, par exemple, à un bouchon flottant à la surface de l'eau de simplement osciller verticalement au passage d'une onde, sans être entraîné horizontalement.
Retard temporel
Un point du milieu, situé à une distance de la source , reproduit le mouvement de avec un retard temporel . Ce retard correspond à la durée nécessaire à l'onde pour parcourir la distance . Plus un point est éloigné de la source, plus son retard est important : l'élongation de à l'instant est égale à l'élongation de à l'instant antérieur , soit .
Célérité de l'onde
La célérité d'une onde mécanique est la vitesse à laquelle la perturbation se propage dans le milieu. Elle se mesure en mètres par seconde (m/s) et se calcule en divisant la distance parcourue par la durée de propagation . La célérité ne doit pas être confondue avec la vitesse de déplacement d'un point du milieu : elle caractérise le déplacement du phénomène ondulatoire lui-même, indépendamment du mouvement local de chaque point.
Facteurs dont dépend la célérité
La célérité d'une onde mécanique dépend uniquement des propriétés physiques du milieu de propagation (nature, état, température, tension, densité, élasticité), et non des caractéristiques de la perturbation (amplitude, forme, durée). Ainsi, la célérité du son dans l'air à vaut environ , alors qu'elle atteint environ dans l'eau, le milieu liquide étant plus dense et plus rigide que l'air. De même, la célérité d'une onde le long d'une corde augmente avec la tension de la corde.