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L'équation des ondes (physique)

1747
  • Jean le Rond d’Alembert
Jean le Rond d'Alembert developing the wave equation in a historical office setting.

(Image générée à titre d'illustration uniquement)

Un modèle linéaire hyperbolique du second ordre différentielle partielle équation qui régit la propagation de divers types d'ondes. Dans sa forme la plus simple, elle s'écrit [latex]\frac{\partial^2 u}{\partial t^2} = c^2 \nabla^2 u[/latex], où [latex]u(\vec{x},t)[/latex] est l'amplitude de l'onde, [latex]c[/latex] est la vitesse de l'onde, et [latex]\nabla^2[/latex] est l'équation de propagation de l'onde. Laplace opérateur. Il modélise des phénomènes tels que les cordes vibrantes, les ondes sonores et les ondes lumineuses.

L'équation des ondes est l'archétype de l'EDP hyperbolique. Contrairement à l équation thermiqueElle est du second ordre dans le temps, ce qui donne lieu à des solutions oscillatoires et ondulatoires. La présence du terme [latex]\frac{\partial^2 u}{\partial t^2}[/latex] implique que l'accélération est proportionnelle à la courbure locale de la fonction, une relation caractéristique des forces réparatrices comme la tension dans une corde. La constante [latex]c[/latex] représente la vitesse finie à laquelle les perturbations se propagent dans le milieu.

Une caractéristique essentielle de l'équation des ondes est le principe de causalité et la vitesse de propagation finie. Une perturbation en un point [latex]\vec{x}_0[/latex] au moment [latex]t_0[/latex] ne peut affecter que les points [latex]\vec{x}[/latex] à un moment ultérieur [latex]t[/latex] qui se trouvent à une distance de [latex]c(t-t_0)[/latex]. Cette région est appelée "cône d'influence". Inversement, la valeur de la solution à [latex](\vec{x}, t)[/latex] ne dépend que des données initiales à l'intérieur de son "domaine de dépendance". Ceci contraste fortement avec la vitesse de propagation infinie de l'équation de la chaleur.

Dans une dimension spatiale, l'équation [latex]u_{tt} = c^2 u_{xx}[/latex] a une solution générale remarquablement simple, découverte par d'Alembert : [latex]u(x,t) = F(x-ct) + G(x+ct)[/latex]. Il s'agit de la superposition de deux ondes se déplaçant en sens inverse à la vitesse [latex]c[/latex]. Les formes de ces ondes, déterminées par les fonctions [latex]F[/latex] et [latex]G[/latex], sont conservées au cours de leur propagation.

UNESCO Nomenclature: 1208
- Physique mathématique

Taper

Système abstrait

Perturbation

Fondamentaux

Usage

Utilisation généralisée

Précurseurs

  • les lois du mouvement de newton
  • loi de hooke pour les forces élastiques
  • développement du calcul et des dérivées partielles
  • études sur les cordes vibrantes par brook taylor et johann bernoulli

Applications

  • acoustique et ingénierie audio
  • électromagnétisme (propagation de la lumière et des ondes radio)
  • sismologie pour la modélisation des tremblements de terre
  • dynamique des fluides pour les ondes de surface
  • relativité générale pour les ondes gravitationnelles

Brevets:

NA

Idées d'innovations potentielles

  • systèmes de suppression active du bruit pour les bureaux à aire ouverte utilisant l'interférence prédictive des ondes
  • thérapies médicales non invasives utilisant des ultrasons focalisés pour détruire les tumeurs
  • technologies de camouflage basées sur des métamatériaux qui courbent les ondes lumineuses autour d'un objet
  • imagerie sismique de nouvelle génération pour l'exploration des ressources
  • haptic feedback technology that simulates textures using surface acoustique waves
  • systèmes de communication sous-marine utilisant des ondes acoustiques modulées
  • technologie de communication sans fil haut débit lifi (light fidelity)
  • modélisation prédictive des éruptions solaires et de leur impact électromagnétique sur la Terre
Voir aussi : équation d'onde, pde hyperbolique, formule de d'alembert, propagation des ondes, acoustique, électromagnétisme, vitesse de la lumière, physique mathématique.

Contexte historique

L'équation des ondes (physique)

150
1640
1650
1747
1758
1777
1799
-550
1635
1650
1736
1750
1763-12-23
1780
1805

(si la date est inconnue ou non pertinente, par exemple « mécanique des fluides », une estimation arrondie de son émergence notable est fournie)

10e année anniversaire

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