.
Apprenez comment les percées dans l’amplification du mouvement permettent aux ingénieurs de mieux surveiller des vibrations presque imperceptibles, causées par des forces telles que le vent et la pluie, au sein des infrastructures des bâtiments.
© Massachusetts Institute of Technology (A Britannica Publishing Partner)Voir toutes les vidéos de cet article
Vibration, mouvement périodique de va-et-vient des particules d’un corps ou d’un milieu élastique, résultant couramment lorsque presque tout système physique est déplacé de sa condition d’équilibre et qu’on le laisse répondre aux forces qui tendent à rétablir l’équilibre.
Les vibrations se divisent en deux catégories : libres et forcées. Les vibrations libres se produisent lorsque le système est perturbé momentanément et qu’on le laisse ensuite se déplacer sans contrainte. Un exemple classique est fourni par un poids suspendu à un ressort. En équilibre, le système a une énergie minimale et le poids est au repos. Si le poids est tiré vers le bas et relâché, le système réagit en vibrant verticalement.
Les vibrations d’un ressort sont d’un type particulièrement simple connu sous le nom de mouvement harmonique simple (SHM). Celui-ci se produit chaque fois que la perturbation du système est contrée par une force de rappel exactement proportionnelle au degré de perturbation. Dans ce cas, la force de rappel est la tension ou la compression du ressort, qui (selon la loi de Hooke) est proportionnelle au déplacement du ressort. Dans un mouvement harmonique simple, les oscillations périodiques sont de la forme mathématique dite sinusoïdale.
La plupart des systèmes qui subissent de petites perturbations les contrent en exerçant une forme de force de rappel. Il est fréquemment une bonne approximation de supposer que la force est proportionnelle à la perturbation, de sorte que le SHM est, dans le cas limite de petites perturbations, une caractéristique générique des systèmes vibrants. Une caractéristique du SHM est que la période de la vibration est indépendante de son amplitude. De tels systèmes sont donc utilisés pour le réglage des horloges. L’oscillation d’un pendule, par exemple, s’approche de la SHM si l’amplitude est faible.
.
Encyclopædia Britannica, Inc.Voir toutes les vidéos de cet article
Une caractéristique universelle des vibrations libres est l’amortissement. Tous les systèmes sont soumis à des forces de frottement, et celles-ci sapent régulièrement l’énergie des vibrations, entraînant une diminution de l’amplitude, généralement de manière exponentielle. Le mouvement n’est donc jamais précisément sinusoïdal. Ainsi, un pendule oscillant, laissé sans entraînement, finira par revenir au repos à la position d’équilibre (énergie minimale).
Les vibrations forcées se produisent si un système est continuellement entraîné par un organisme extérieur. Un exemple simple est la balançoire d’un enfant qui est poussée à chaque descente. Les systèmes soumis au SHM et entraînés par un forçage sinusoïdal présentent un intérêt particulier. Cela conduit au phénomène important de la résonance. La résonance se produit lorsque la fréquence d’entraînement se rapproche de la fréquence naturelle des vibrations libres. Il en résulte une absorption rapide d’énergie par le système vibrant, avec une croissance concomitante de l’amplitude des vibrations. En fin de compte, la croissance de l’amplitude est limitée par la présence d’un amortissement, mais la réponse peut, en pratique, être très importante. On dit que des soldats marchant sur un pont peuvent créer des vibrations résonnantes suffisantes pour détruire la structure. Un folklore similaire existe à propos des chanteurs d’opéra qui brisent les verres à vin.
Les vibrations électriques jouent un rôle important en électronique. Un circuit contenant à la fois une inductance et une capacité peut supporter l’équivalent électrique du SHM impliquant un flux de courant sinusoïdal. La résonance se produit si le circuit est alimenté par un courant alternatif dont la fréquence est adaptée à celle des oscillations libres du circuit. C’est le principe de l’accord. Par exemple, un récepteur radio contient un circuit dont la fréquence naturelle peut être modifiée. Lorsque la fréquence correspond à celle de l’émetteur radio, il y a résonance et un grand courant alternatif de cette fréquence se développe dans le circuit. De cette façon, les circuits résonnants peuvent être utilisés pour filtrer une fréquence dans un mélange.
Dans les instruments de musique, le mouvement des cordes, des membranes et des colonnes d’air consiste en une superposition de SHM ; dans les structures d’ingénierie, les vibrations sont une caractéristique commune, bien que généralement indésirable. Dans de nombreux cas, les mouvements périodiques compliqués peuvent être compris comme la superposition de SHM à de nombreuses fréquences différentes.
.