Qu'est-ce qu'une onde ?

Une onde est une énergie qui se propage

Dire qu'une onde est la propagation d'une perturbation du milieu ne suffit pas pour comprendre ce qu'est une onde.
Dire que la vitesse, la longueur d'onde et la fréquence sont les 3 propriétés caractérisant une onde et que la relation entre les trois grandeurs est v = λ * ν cela ne suffit pas non plus pour comprendre ce qu'est une onde.
Dire qu'une onde se déplace avec une vitesse déterminée qui dépend des caractéristiques du milieu de propagation, cela ne nous montre pas l'onde.
Dire qu'une onde transporte de l'énergie sans transporter de matière, cela ne nous dit toujours rien de la nature d'une onde.
Imaginons maintenant une corde que l'on secoue d'un geste vertical. Ce simple mouvement va dessiner une onde d'une certaine hauteur, qui semble se propager vers l'avant mais en réalité aucun point de la corde ne se déplace, chaque point va et vient en bougeant verticalement. Cette amplitude nous donne une idée de la force avec laquelle on secoue la corde mais pas de l'onde elle-même.
Pour comprendre ce qu'est une onde il faut enlever la corde et imaginer les molécules d'air subir la pression mécanique de la corde. A ce moment là il ne reste dans le milieu (l'air) que de l'énergie, une force engendrée par le mouvement de la corde. Cette énergie fait osciller la pression de l'air autour d'une valeur d'équilibre, la pression croît et décroit alternativement autour de cette valeur. L'onde (l'énergie) déplace les molécules d'air sans les transporter. Tant que l'on secoue la corde, on peut mesurer la distance entre 2 bosses ou 2 creux, cette distance est la longueur d'onde mesurée en mètre. Le rythme avec lequel on secoue la corde correspond à la fréquence de l'onde mesurée en Hertz. La vitesse de l'onde mesurée en mètre/seconde est égale à la longueur d'onde multipliée par la fréquence.

Une onde se propage dans un milieu stable, capable de revenir dans un état d'équilibre, pour une onde sonore c'est la pression de l'air qui se déplace par rapport à une valeur moyenne, pour une onde électromagnétique c'est l'intensité du champ électromagnétique qui se déplace par rapport à une valeur moyenne du champ.
L'électricité peut être statique, comme l'ambre qui après avoir été frotté, attire des objets de petite taille. Le magnétisme peut aussi être statique comme dans un aimant. Mais lorsque ces champs se déplacent ensemble, ils deviennent des ondes électromagnétiques (voir image). Les ondes électromagnétiques sont formées quand un champ électrique (représenté par des flèches rouges) se couple avec un champ magnétique (représenté par des flèches bleues). Les champs magnétiques et électriques d'une onde électromagnétique sont toujours perpendiculaires l'un par rapport à l'autre mais aussi perpendiculaire à la direction de l'onde.
Ces deux types d'ondes, mécaniques et électromagnétiques, sont deux façons de transporter l'énergie dans un milieu. Les vagues dans l'eau et les ondes sonores dans l'air sont deux exemples d'ondes mécaniques. Ce transport d'énergie perturbe ou fait vibrer la matière (solide, liquide, gaz ou plasma) sans la transporter, les molécules d'eau ou d'air s'entrechoquent mais restent au même endroit.
Un champ magnétique variable induit un champ électrique variable et vice-versa, les deux sont liés. Ces deux champs lorsqu'ils se couplent (équations de Maxwell), forment les ondes électromagnétiques (voir image). Les ondes électromagnétiques contrairement aux ondes mécaniques, n'ont pas besoin du milieu pour se propager, elles voyagent partout, même dans le vide spatial. La lumière, les ondes électromagnétiques et tous les rayonnements sont issus du même phénomène physique : l'énergie électromagnétique.

Image : Les ondes électromagnétiques sont formées par les vibrations sinusoïdales des champs électriques et magnétiques. Ces champs sont toujours perpendiculaires l'un par rapport à l'autre mais aussi perpendiculaire à la direction de déplacement de l'onde. Une fois formée, cette énergie se déplace à la vitesse de la lumière jusqu'à la prochaine interaction avec la matière. Une onde électromagnétique est une onde transversale.

Fréquence, longueur d'onde et énergie