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Une vague est une onde mécanique qui se propage à la surface de contact entre deux fluides, générée par l’énergie du vent et entretenue par la pesanteur. La formation et la croissance des vagues sous l’effet du vent est un phénomène complexe qui reste encore assez mal compris, et sur lequel la recherche est très active.

La formation des vagues

La naissance d’une vague

La vague prend naissance dans une perturbation. Le vent est la principale cause de la formation des vagues : il s’écoule de façon turbulente à la surface de l’eau. Dans ce cas, le champ des pressions n’est pas uniforme, l’eau est soumise à des pressions différentes en des points qui sont plus ou moins proches. Cela provoque l’apparition d’un clapot qui prend la forme de petites ondes de très faibles amplitudes, de longueurs différentes, se propageant dans le sens du vent à des célérités plus ou moins élevées.
Le vent génère des vagues dans toutes les directions, sur un secteur de -90° à +90° par rapport au vent.

Schémas à venir

Fluctuations de pression de l’air à la surface de l’eau, et relation avec les vitesses de l’eau dans une vague.

Les petites vagues vont s’amplifier car il se produit une réaction entre la surface des deux fluides qui se poussent et se repoussent mutuellement. Petit à petit, en s’amplifiant, les vagues vont finalement se stabiliser.

La caractérisation des vagues

Les vagues ne représentent aucune régularité : il n’y a pas deux vagues identiques mais elles sont malgré tout caractérisables grace à :

• la célérité : c’est la vitesse de la vague.
• la longueur d’onde : c’est la distance entre deux crêtes successives.
• la période : c’est le temps mis par deux crêtes pour passer en un même point.
• l’amplitude (aussi appelée hauteur de la vague) : c’est la distance verticale entre un creux et la crête suivante.

Voici un des principes les plus importants : l’énergie de la vague est la somme de ses énergies cinétiques ((m*v^2)/2) et potentielles (mgz avec z correspond à l’amplitude) .

Les solutions périodiques de faible amplitude obéissent à la relation de dispersion :

Équation à venir

avec w = 2p / T la pulsation de l’onde, T la période de la vague , g l’intensité de la pesanteur, k = 2p / L le nombre d’onde, L la longueur d’onde de la vague et H la profondeur de l’eau.
Cette relation permet d’aboutir à une expression simplifiée de la célérité de propagation de l’onde :

Équation à venir

La dissipation des vagues

Même si le vent est la cause première, il n’est pas le seul
phénomène qui participe à l’évolution des vagues.

Au large

Ces vagues ne se propagent pas à la même vitesse car un clapot désordonné se forme. Il faut donc « trier » et le vent va jouer le rôle de filtre passe-bas : les vagues ayant une longueur d’onde courte vont avoir une vitesse de propagation importante et vont aller plus vite que le vent. Ceci provoque un frottement dans le sens contraire de leur propagation et donc une pression plus importante sur leur face avant, ce qui va les faire se lever et déferler. Inversement, les vagues longues et ayant une vitesse de propagation faible, vont être entretenues par ce vent et elles vont continuer à grossir dans la zone où souffle le vent.

Sur le littoral

Une vague déferle lorsqu’elle arrive sur la côte. A la surface, l’eau a un mouvement circulaire, mais pas dans les profondeurs. Ce qui explique le fait que lorsque le fond remonte en pente douce, à un certain moment, les cercles du mouvement des vagues ne pourront plus se faire et ils deviennent des ellipses (voir dessin ci-dessous). En raison des frottements sur le fond et des efforts internes du fluide, sa célérité va diminuer et sa longueur d’onde du même coup. La vitesse diminue donc, l’énergie cinétique aussi.
Comme nous l’avons déjà dit, l’énergie de la vague est la somme de ses énergies cinétiques et potentielles, et elle doit rester constante :
Quand l’énergie cinétique diminue alors c’est l’énergie potentielle qui augmente, donc l’amplitude augmente. C’est ce qu’on apelle le déferlement car la vague va au bout d’un moment s’affaler. Voici le phénomène qui se produit et qui entraine le déferlement:

Schémas à venir

L’arrivée des vagues sur les côtes :

Pourquoi les vagues sont-elles toujours paralléles aux côtes ?
Nous venons de donner la réponse en expliquant le déferlement. A l’approche d’une côte, la vague va ralentir et les plus avancées vont s’enfoncer dans la baie en ” épousant ” la morphologie du rivage, on peut constater le même phénomène sur une île.
Voici une représentation d’une île et des vagues l’approchant :

Arrivée des vagues sur une ile

Résumé

Principe de Formation des vagues