Leçon
La théorie — L'équation des ondes en une, deux et trois dimensions
L'équation des ondes, utt = c²∇²u, stipule que la dérivée seconde de u par rapport au temps en chaque point (son accélération, lorsque u est un déplacement) vaut c² fois son laplacien. Ce dernier est proportionnel à l'écart entre la moyenne de u sur l'environnement immédiat du point et u lui-même. En une dimension, toute solution consiste en deux formes voyageant à la vitesse c dans des directions opposées (d'Alembert, 1747). En trois dimensions, une perturbation confinée dans une région n'atteint un point distant que pendant que la sphère de rayon ct centrée sur ce point traverse la région. Elle le laisse ensuite au repos. En deux dimensions, il n'en va pas de même : une traînée résiduelle subsiste et, après une impulsion, elle ne décroît qu'en 1/t.
Ce que signifie chaque symbole
u- la valeur de l'onde : le déplacement de la corde ou de la membrane, ou dans l'espace une grandeur comme la surpression de l'air
c- la vitesse de l'onde
a- le rayon de la bosse initiale ; toutes les longueurs sur la page sont en unités de a, tous les temps en unités de a/c
g- la forme de la bosse initiale, (1 − s²)² à la distance s de son centre (en unités de a), nulle pour s ≥ 1
- Suppose
- Une ligne, une membrane ou un espace sans extrémités ni murs, pour qu'aucune réflexion ne revienne vers l'auditeur. Des déplacements de faible amplitude garantissent la linéarité de l'équation : une bosse frappée deux fois plus fort multiplie par deux chaque nombre de la page.
Problème entièrement résolu
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Combien de temps un claquement de mains résonne-t-il dans un monde plat ? 4 étapes
Sur la membrane frappée, un auditeur placé à 5a enregistre une valeur maximale de 0,0867 v₀a/c. Combien de temps faut-il pour que la traînée tombe à 1 % de ce chiffre ? Cliquez sur Frappée, écoutée à 5a : la page affiche le maximum, ainsi que la valeur à ct = 20a à côté de la loi de queue.
Ouvrez ce problème dans l'outil
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Bien après le passage de l'onde, la valeur sur la membrane suit la loi de queue d'une impulsion ponctuelle. À ct = 20a, les deux s'accordent déjà sur trois chiffres :
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Un pour cent du maximum donne
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Égalez la loi de queue à cette valeur et résolvez pour trouver ct/a :
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Dans l'espace, ce même auditeur n'entend plus rien à partir de ct = 6a. Pour une perturbation d'environ 10 cm de large, a = 0,05 m, lors d'un claquement dans l'air à c = 343 m/s, l'unité de temps a/c vaut
Réponse
À environ ct = 192a, soit trente-deux fois le temps de 6a où l'espace devient silencieux. Pour un claquement de 10 cm de large, cela représente 28 millisecondes contre moins d'une seule. Dans un monde plat, chaque son traînerait une résonance se prolongeant sur tout ce qui suit. Un seuil de 2 % réduirait l'attente de moitié, car la traînée décroît en 1/t.
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Parcours
Les équations de la chaleur, des ondes et de Laplace
Références (2)
- The vibrating string's equation solved as the sum of two arbitrary functions, y = Ψ(t + s) + Γ(t − s): every motion of the string is two shapes travelling in opposite directions (art. VII), followed by a long continuation working out which shapes satisfy fixed ends: J. le Rond d'Alembert, "Recherches sur la courbe que forme une corde tenduë mise en vibration", Histoire de l'Académie royale des sciences et belles lettres de Berlin 3 (1747, published 1749), 214–219; "Suite des recherches…", same volume, 220–249.
- Huygens' principle in its narrow sense, a disturbance localised at the start stays localised on a thin spherical shell (Book II, §33), and its failure in two dimensions: the 'residual integral' left after the wave has passed, so that 'cylindrical waves, unlike spherical ones, diffuse' (Book III, §111), and the sign of that residual, negative for a positive starting displacement when there are three variables (§112): J. Hadamard, Lectures on Cauchy's Problem in Linear Partial Differential Equations, Yale University Press, New Haven, 1923 (Mrs. Hepsa Ely Silliman Memorial Lectures), Book II §33, pp. 53–55, and Book III §§111–112, pp. 175–178.