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Onde sinusoïdale

Posté par
madabeach
11-11-14 à 19:34

Bonjour à tous,
J'ai un exercice en physique pour un devoir maison, et je vais pas vous mentir la physique et moi cela fait 2 ! Je voudrais une lumière dans le noir de mes connaissances...

Voilà l'exercice :
Considérons une onde sinusoïdale de pulsation  se propageant le long d'une corde tendue. Cette onde se propage vers les x décroissants, elle a pour expression :
Yi(x,t)=A.sin(k.x+t)

Cette onde se réfléchit sur une extrémité O, l'expression de l'onde réfléchie est alors :
Yr(x,t)=A'.sin(k.x-t)

1.1   L'onde résultante est la superposition des ondes incidente et réfléchie. Quelle est son expression y(x, t)? On donnera cette expression sous la forme de sommes et de produits de sinus et/ou cosinus de kt et de t. On rappelle que sin(A+B) = sinA cosB+cosA sinB.

1.2   On suppose maintenant que l'extrémité O (d'abscisse 0) de la corde est fixe. Quelle doit être alors la condition sur y(0, t)?

1.3   Quelle relation entre A et A' cette relation implique-t-elle?

1.4   En déduire l'expression de y(x, t) et montrer qu'elle se met sous la forme :
Y(x,t)=f(x)g(t)
Où f(x) représente l'amplitude du mouvement en un point d'abscisse x donné.

1.5  Quels sont les points d'abscisse xM où l'amplitude est maximale en valeur absolue (ventres de vibration)? Quelle est la distance séparant deux ventres de vibration? On donnera l'expression de ces longueurs en fonction de .

1.6   Pour quelle raison peut-on dire que cette onde est stationnaire?

1.7   On considère maintenant la corde est de longueur finie L et que son autre extrémité est fixe. Quelle doit être alors la condition sur y(L, t)?

1.8   Cette condition impose que seules certaines longueurs d'onde sont permises, donner l'expression de ces longueurs d'onde en fonction de L.

1.9   Quelles sont alors les fréquences correspondantes?

1.10   Représenter graphiquement la corde aux instants suivants : T, T/2 et T/4 (T représentant la période de l'onde). On prendra L = 1 m et  = 0,5 m.

Posté par
madabeach
+ d'infos 11-11-14 à 19:35

Je tiens  à préciser, que je ne veux pas une réponse certes toute faite, je veux un peu d'explications. Mais ne m'en voulez pas si je ne suis pas réceptive des réponses.. j'ai vraiment du mal.

Posté par
pseudoarallonge
re : Onde sinusoïdale 11-11-14 à 19:56

Bonjour,
il est intéressant de constater tout d'abord la notation utilisée pour représenter les ondes aller et retour.
Dans l'expression de la phase, ce qui change de signe, c'est le temps!
Comme si l'onde réfléchie remontait le temps...

  

Posté par
madabeach
re 11-11-14 à 19:59

Je crains ne pas avoir compris ce que vous vouliez dire ?
L'onde réfléchie est l'inverse de l'onde sinusoïdale a cause du signe - ?

Posté par
pseudoarallonge
re : Onde sinusoïdale 11-11-14 à 20:05

Rien de très important, en fait.
Simplement on aurait pu s'attendre à avoir une phase du type (-kx+\omega t) au lieu de (kx-\omega t)...

Sinon pour la question 1.1 il doit certainement falloir poser
A=kx et B=\omega t et remplacer dans l'expression sin(A+B) + sin(A-B)

Posté par
pseudoarallonge
re : Onde sinusoïdale 11-11-14 à 20:22

Si je ne me suis pas gouré, l'expression de y(x,t) doit être
y(x,t)=(A+A')sin(kx)cos(\omega t)+(A-A')cos(kx)sin(\omega t)
Obtenez-vous la même expression ?

Posté par
madabeach
re : Onde sinusoïdale 11-11-14 à 22:36

Déjà merci de m'avoir répondu, et désolé du retard de ma réponse, j'étais au repas

Alors voilà ce que j'avais fait :

A =kx
B=t

sin(kx+t)=sin(xt).cos(t)+cos(xt).sin(t)

mais je vois pas comment intégrer le (A+A') dans mon expression?

Désolée je suis vraiment pas doué.

Posté par
pseudoarallonge
re : Onde sinusoïdale 12-11-14 à 09:29

Bon,
faut mettre alors cela sur le compte de la digestion...
L'énoncé est formulé de telle manière qu'il peut y avoir une confusion entre le A de Amplitude et le A qui est utilisé dans la formule sin(A+B).
Il faut commencer en écrivant que:
Y(x,t)=Yi(x,t)+Yr(x,t)
Ensuite à vous de déployer votre calcul.
==============
P.S. Attention à ne pas écrire xt

Posté par
pseudoarallonge
re : Onde sinusoïdale 13-11-14 à 08:30

Bonjour,

La question 1.6 est intéressante. Je vois 3 réponses possibles :
1. La position des ventres de vibration ne varient pas au cours du temps.
2. La vitesse de groupe est nulle : v_{g}=v_\phi^{1}+v_\phi^{2}=\frac{\omega}{k}-\frac{\omega}{k}=0
3. La solution peut se mettre sous la forme de variables séparées :y(x,t)=f(x).g(t), la forme de l'onde n'est pas modifiée au cours du temps, seule son amplitude varie.

Perso, si un autre forumeur a une autre explication, je suis preneur...

D'ailleurs la question que je me pose est de savoir si :
Séparation de variables <=> ondes stationnaires?

Posté par
J-P
re : Onde sinusoïdale 13-11-14 à 14:05

1.1

Yi = A.[sin(kx).cos(wt) + cos(kx).sin(wt)]
Yr = A'.[sin(kx).cos(-wt) + cos(kx).sin(-wt)] = A'.[sin(kx).cos(wt) - cos(kx).sin(wt)]

Y = Yi + Yr
Y = A.[sin(kx).cos(wt) + cos(kx).sin(wt)] + A'.[sin(kx).cos(wt) - cos(kx).sin(wt)]
Y = (A+A').sin(kx).cos(wt) + (A-A').cos(kx).sin(wt)
-----
1.2 et 1.3

Y(x,t) = (A+A').sin(kx).cos(wt) + (A-A').cos(kx).sin(wt)
Y(0,t) = (A-A').sin(wt) = constante (pour tout t)
---> Ce n'est possible que si A-A' = 0
A = A'
-----
1.4

Avec A = A' ---> Y(x,t) = 2A.sin(kx).cos(wt)
-----
1.5

Y a une amplitude max pour |sin(kx)| = 1 Donc pour kx = Pi/2 + K'.Pi,
Distance entre 2 ventres successifs : x = Pi/k

Lambda = 2Pi/k
-----
1.7

Il faut y(L,t) = 0
-----
1.8

sin(kL) = 0
kL = n.Pi
L = n.Pi/k )
L = n.(Lambda/2)  (avec n dans N*)

Lambda = 2L/n
-----
1.9

f = n.v/(2L) (avec v la vitesse de propagation de l'onde)
-----

Sauf distraction.  

Posté par
pseudoarallonge
re : Onde sinusoïdale 13-11-14 à 20:27

Félicitation J-P pour toutes vos réponses! C'est assez impressionnant.

On peut essayer de voir aussi physiquement ce qui se passe et proposer une interprétation des différents phénomènes :

On a une corde infinie et une onde (définie par sa longueur d'onde) dessus. A priori les ventres et nœuds de vibration peuvent se situer en tout point. Il n'y a pas de raison de privilégier un point plutôt qu'un autre. Du coup, l'onde se propage (à une certaine vitesse) pour que tous les points de la corde soient des nœuds ou des ventres.

Si un point de la corde est bloqué, alors un nœud est imposé. L'onde n'a plus besoin de se propager. Il y a eu une brisure de symétrie. L'onde conserve cependant la même longueur d'onde.

Si un deuxième point est bloqué, alors on passe d'une onde stationnaire (semi-infinie) à une infinité d'ondes stationnaires (finies)!.
Physiquement, il m'est difficile de trouver une interprétation à l'apparition de cet "infini"...

Posté par
madabeach
re : Onde sinusoïdale 14-11-14 à 14:29

Tout d'abord merci pour toutes vos réponses.

Désolée du retard pour la réponse, je vous montre ce que moi j'ai fais ce soir en rentrant.

J'étais en plein dossier sur une autre matière du coup j'ai un peu lâché la physique.

A ce soir.

Merci encore

Posté par
madabeach
re : Onde sinusoïdale 20-11-14 à 11:36

Re-bonjour à tous,
désolée du retard,

alors voilà ce que j'ai fais :

question 1 :

pour Yi
A = kx
B = t

donc : Yi=A.sin(kx)cos(t) + cos(kw)sin(t)

pour Yr
A= kx
B= -t

donc : Yr=A'sin(kx)cos(-t) - cos(kx)sin(t)

du coup :

Y(x,t) = [A.sin(kx)cos(t) + cos(kw)sin(t)] + [A'sin(kx)cos(-t) - cos(kx)sin(t)]
Y(x,t) = (A+A').sin(kx).cos(t) + (A-A').cos(kx).sin(t)


donc là super ! j'ai enfin compris la formule !


question 2 et 3 :

y(0,t) = (A+A').sin(k*0).cos(t) + (A-A').cos(k*0).sin(t)
y(0,t) = (A-A').sin(t)

donc cela dépend de (A-A')

si A-A'=0
alors A=A'

je retombe sur votre résultat.

question 4 :
En partant de la question précédent : A = A'

Alors
f(x) = kx
g(t) = t

donc
y(x,t) = (A+A)sin(fx)cos(gt) + (A-A)cos(fx)sin(gt)
y(x,t) = 2A.sin(fx)cos(gt) + (0)cos(fx)sin(gt)
y(x,t) = 2A.sin(kx).cos(t)

(désolée je détail tout mais je veux être sûr de moi)

question 5 :

Bon la je comprend pas pourquoi pour J-P , l'amplitude maximal est sin(kx) ?

Posté par
J-P
re : Onde sinusoïdale 20-11-14 à 13:15

Citation :
Bon la je comprend pas pourquoi pour J-P , l'amplitude maximal est sin(kx) ?


Je n'ai jamais écrit cela.

Relis ma réponse et essaie de la comprendre.

Posté par
madabeach
re : Onde sinusoïdale 20-11-14 à 13:55

Pardon en effet.

"Y a une amplitude max pour |sin(kx)| = 1 Donc pour kx = Pi/2 + K'.Pi,
Distance entre 2 ventres successifs : x = Pi/k "

Je comprend pas d'où cela sort.. pardon

Posté par
J-P
re : Onde sinusoïdale 20-11-14 à 18:17

Y(x,t) = 2A.sin(kx).cos(wt)

Pour une position x donnée, Y oscille (dans le temps) avec une amplitude valant |2A.sin(kx)|

comme -1 <= sin(kx) <= 1, |2A.sin(kx)| est max pour les valeurs de x telles que |sin(kx)| = 1 ... donc pour kx = Pi/2 + K'.Pi (avec K' dans N)

Soit donc pour x = Pi/(2k) + (K'/k).Pi

x(n) = Pi/(2k) + (n/k).Pi
x(n+1) = Pi/(2k) + ((n+1)/k).Pi

L'écart (dans l'espace) entre 2 max successifs est donc  (Pi/(2k) + ((n+1)/k).Pi) - (Pi/(2k) + (n/k).Pi) = Pi/k
C'est l'écart entre 2 ventres successifs.

Sauf distraction.  

Posté par
madabeach
re : Onde sinusoïdale 27-11-14 à 18:50

Merci J-P génial. J'y ai repensé hier soir et tu as raison , mais c'est plus clair une fois que tu l'as réexpliqué.

Merci pour tout.

J'ai mon exercice 2 arrive , je compte sur votre aide aussi alors



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