Voir la source de Couplage (physique)

{{Voir homonymes|Couplage}}
{{Palette Couplage en physique}}
En physique, on dit que deux objets sont couplés lorsqu'ils interagissent l'un avec l'autre. En [[mécanique newtonienne]], le '''couplage''' est une interaction entre deux [[Oscillateur harmonique|systèmes oscillants]], tels que des [[Pendule (physique)|pendule]]s reliés par une chaine. Ces interactions affectent le comportement oscillatoire des deux objets. En [[physique des particules]], deux particules sont couplées si elles exercent l'une sur l'autre l'une des quatre [[forces fondamentales]].

== Couplage d'oscillateurs harmoniques ==
{{article détaillé|oscillateur harmonique|système oscillant à un degré de liberté}}

=== Mécanique vibratoire ===
[[Fichier:Coupled.svg | thumb|Pendules couplés par un ressort]]
Si deux [[Oscillateur harmonique|oscillateurs harmoniques]] peuvent échanger de l'[[énergie]], on dit que ces deux oscillateurs sont couplés. Cela se produit lorsque les deux oscillateurs sont réceptifs aux excitations de l'autre. Un exemple de couplage est donné par deux [[Pendule (physique)|pendules]] reliés par un [[ressort]]. Si les pendules sont identiques, les équations de leurs mouvements s'écrivent :
:<math>m\ddot{x}=-mg\frac{x}{l_1}-k(x-y)</math>
:<math>m\ddot{y}=-mg\frac{y}{l_2}+k(x-y)</math>

Ces équations représentent le [[mouvement harmonique simple]] du pendule auquel s'ajoute un facteur de couplage dû au ressort<ref name=":0">{{Ouvrage|prénom1=H.J.|nom1=Pain|titre=The Physics of Vibrations and Waves, Fourth Edition|éditeur=Wiley|lieu=West Sussex, England|année=1993|isbn=0-471-93742-8}}</ref>. Ce comportement est également observé dans certaines [[molécule]]s, telles que [[Dioxyde de carbone|{{CO2}}]] et [[Eau|{{H2O}}]], où les deux atomes identiques vibrent autour de l’[[atome]] central<ref name=":0" />.

=== Circuits électroniques couplés ===
{{article détaillé|Couplage de deux oscillateurs électriques|Circuits magnétiquement couplés}}
[[Fichier:LC coupling.png|thumb|Deux [[Circuit LC|circuits LC]] couplés.]]
Dans les [[Circuit LC|circuits LC]], la charge oscille entre le [[condensateur]] et la [[Bobine (électricité)|bobine]] et peut donc être modélisée comme un simple oscillateur harmonique. Lorsque dans deux circuits LC non connectés, le [[flux magnétique]] généré par l'inducteur d'un circuit est capable d'affecter l'[[inductance]] de l'inducteur de l'autre circuit, les circuits sont dits couplés<ref name=":0" />. Le coefficient de couplage {{mvar|k}} définit la manière dont les deux circuits sont couplés. Il est donné par l'équation :
:<math>k=\frac{M}{\sqrt{L_\mathrm pL_\mathrm s}}</math>
où {{mvar|M}} est l'[[inductance mutuelle]] des circuits et <math>L_\mathrm p</math> et <math>L_\mathrm s</math> sont les inductances respectives des circuits primaire et secondaire. Si les lignes de flux de l’inducteur primaire traversent toutes les lignes de l’inducteur secondaire, le coefficient de couplage est égal à 1 et donc <math>M=\sqrt{L_\mathrm pL_\mathrm s}</math>. Toutefois, dans la pratique, il y a des pertes, si bien que les systèmes réels ne sont qu'imparfaitement couplés<ref name=":0" />.

== Interaction fluide-structure ==
{{article détaillé|Interaction fluide-structure|Aéroélasticité}}
En [[Mécanique (science)|mécanique]], l'interaction fluide-structure (IFS) concerne le comportement d'une [[structure]] immergée dans un [[Fluide (matière)|fluide]], sous l'effet des actions du fluide sur la structure et réciproquement.

On distingue les cas suivants, selon les échelles de temps qui régissent le mouvement de la structure et celui du fluide<ref>{{Ouvrage
 | langue=fr
 | auteur1=Emmanuel de Langre
 | titre=Fluide et solides
 | éditeur=École Polytechnique
 | lieu=Palaiseau
 | année=2001
 | mois=novembre
 | pages totales=130
 | passage={{p.|84}}
 | isbn=2-7302-0833-X
 | lire en ligne=https://books.google.com/books?id=IFnLwQ4eTIwC&printsec=frontcover
}}.</ref> :
* si on peut considérer que le fluide n'a pas de [[mouvement propre]] à l'échelle de temps du solide ([[Vitesse réduite|U<sub>R</sub>]] << 1), l’interaction se traduit par des termes de raideur de gradient (liée au [[gradient]] de [[pression]] du fluide), de raideur de forme (liée à la [[Déformation d'un matériau|déformation]] du solide) et de [[masse ajoutée]] (traduisant la résultante des effets d’[[Force d'inertie|inertie]] opposés par le fluide à l’[[accélération]] du solide ; [[Nombre de Strouhal|S<sub>T</sub>]] >> 1) ; un fluide embarqué dans un véhicule peut être exposé au phénomène de [[ballotement]] (effet de surface libre) avec des modes de ballotement qui peuvent se coupler avec les modes structuraux ; enfin la [[viscosité]] du fluide influence le mouvement du solide (mouvement de l’œuf frais comparé à celui de l’œuf dur) ;
* si à l'inverse la vitesse relative du fluide est élevée ([[Vitesse réduite|U<sub>R</sub>]] >> 1), apparaissent les problèmes d'[[aéroélasticité]], décrivant l'influence de l'[[Mécanique des fluides|écoulement]] stationnaire sur la [[Dynamique (mécanique)|dynamique]] du solide ;
* quand ces conditions ne sont pas remplies, on parle de « couplage fort » du fait de la [[simultanéité]] des évolutions de l'écoulement et de la structure.

== Chimie ==
[[Fichier:1H NMR Ethyl Acetate Coupling shown - 2.png|thumb|Pics dans une image [[Résonance magnétique nucléaire|RMN]] de l'[[acétate d'éthyle]].]]
=== Couplage de moment cinétique ===
Le [[Couplage de moment cinétique|couplage spin-spin]] se produit lorsque le [[champ magnétique]] d'un atome affecte le champ magnétique d'un atome proche. Ceci est très courant en [[Imagerie par résonance magnétique|imagerie]] par [[résonance magnétique nucléaire]]. Si les atomes ne sont pas couplés, on observe deux pics individuels, appelés doublets, représentatifs des atomes individuels. Si le couplage est présent, alors il y aura un triplet, un plus grand pic avec deux plus petits de chaque côté. Cela est dû aux spins des atomes individuels qui oscillent en tandem<ref>{{lien web|url=https://chem.libretexts.org/Textbook_Maps/Organic_Chemistry_Textbook_Maps/Map%3A_Organic_Chemistry_With_a_Biological_Emphasis_(Soderberg)/Chapter_05%3A_Structure_Determination_II/5.5%3A_Spin-spin_coupling|titre=5.5 Spin-Spin Coupling|nom=|prénom=|date=2015-07-21|website=Chemistry Libretexts|archive-url=|archive-date=|consulté le=13 Apr 2017}}</ref>.

== Astrophysique ==
Les objets dans l'espace qui sont couplés les uns aux autres sont sous l'influence mutuelle de la gravité de chacun. Par exemple, la [[Terre]] est couplée à la fois au [[soleil]] et à la [[lune]] du fait qu'elle réagit à leur influence gravitationnelle. Les [[Système binaire (astronomie)|systèmes binaires]], à savoir deux objets couplés gravitationnellement l'un à l'autre, sont communs dans l'espace. Des exemples en sont les [[étoiles binaires]] qui tournent l'une autour de l'autre (autour du [[centre de gravité]] du système constitué par ces deux étoiles). Plusieurs objets peuvent également être couplés les uns aux autres simultanément, comme par exemple des [[amas globulaire]]s ou des [[groupes de galaxies]]. L'[[accrétion]] se produit lorsque des particules plus petites, telles que de la [[poussière interstellaire]], qui se sont couplées au fil du temps, s'agglutinent. C'est le principal mode de [[formation des étoiles]] et des [[planète]]s<ref>{{Ouvrage|prénom1=William|nom1=Kaufmann|titre=Universe, Second Edition|éditeur=W.H. Freeman and Company|année=1988|isbn=978-0-7167-1927-4}}</ref>.

== Plasma ==
La constante de couplage d'un [[État plasma|plasma]] est donnée par le rapport entre son énergie moyenne d'[[Loi de Coulomb (électrostatique)|interaction de Coulomb]] et son [[énergie cinétique]] moyenne. Elle est représentative de la force électrique qui lie chaque atome et assure la cohésion du plasma<ref name=":1">{{Ouvrage|prénom1=Setsuo|nom1=Ichimaru|titre=Plasma Physics|sous-titre=An Introduction to Statistical Physics of Charged Particles|éditeur=Benjamin/Cumming Publishing Company|lieu=Menlo Park, California|année=1986|pages totales=316|isbn=978-0-8053-8754-4}}</ref>. On peut donc classer les plasmas selon l'intensité de leur couplage. Beaucoup de plasmas, tels que le plasma de la [[couronne solaire]], sont faiblement couplés, tandis que le plasma d'une étoile [[naine blanche]] est un exemple de plasma fortement couplé<ref name=":1" />.

== Mécanique quantique ==
[[Fichier:Spin orbit coupling dispersion relation.pdf|thumb|Relations de dispersion pour les particules non couplées, faiblement couplées et fortement couplées]]
Deux systèmes quantiques couplés peuvent être modélisés par un [[Hamiltonien (mécanique quantique)|hamiltonien]] de la forme :
:<math>\hat{H}=\hat{H}_a+\hat{H}_b+\hat{V}_{ab}</math>
qui est l'addition des deux hamiltoniens propres et d'un facteur d'interaction. Dans la plupart des systèmes simples, <math>\hat{H}_a</math> et <math>\hat{H}_b</math> peuvent être résolus exactement alors que <math>\hat{V}_{ab}</math> peut l'être par la [[Théorie des perturbations (mécanique quantique)|théorie des perturbations]]<ref name=":2">{{Ouvrage|prénom1=Peter|nom1=Hagelstein|prénom2=Stephen|nom2=Senturia|prénom3=Terry|nom3=Orlando|titre=Introductory Applied Quantum and Statistical Mechanics|éditeur=Wiley|lieu=Hoboken, New Jersey|année=2004|pages totales=785|isbn=978-0-471-20276-9|lire en ligne=https://books.google.com/books?id=ARUm4RiA-6gC&printsec=frontcover}}</ref>. Si les deux systèmes ont une [[énergie totale]] similaire, le système peut alors être le siège d'[[oscillations de Rabi]]<ref name=":2" />.

=== Couplage de moment cinétique ===
Lorsque des [[Moment cinétique (mécanique quantique)|moments cinétiques]] provenant de deux sources distinctes interagissent, on dit qu'ils sont couplés<ref name=":3">{{Ouvrage|prénom1=Eugene|nom1=Merzbacher|titre=Quantum Mechanics, Third Edition|éditeur=Wiley|année=1998|pages totales=672|isbn=978-0-471-88702-7}}</ref>. Par exemple, deux [[électron]]s en orbite autour du même [[Noyau atomique|noyau]] peuvent avoir des moments cinétiques couplés. Du fait de la [[conservation du moment cinétique]] et de la nature de l’opérateur du moment cinétique, le moment cinétique total est toujours la somme des moments cinétiques individuels des électrons :

<math>\mathbf{J}=\mathbf{J_1}+\mathbf{J_2}</math><ref name=":3" />

L'[[interaction spin-orbite]] (également appelée couplage spin-orbite) est un cas particulier du couplage de moment angulaire. Plus précisément, il s’agit de l’interaction entre le [[spin]] intrinsèque d’une particule '''S''' et son moment cinétique orbital '''L'''. Comme il s’agit des deux formes de moment angulaire, leur somme doit être conservée. Même si de l’énergie est transférée entre les deux, le moment angulaire total <math>\mathbf{J}=\mathbf{L}+\mathbf{S}</math> du système doit être constant<ref name=":3" />.

== Physique des particules et théorie quantique des champs ==
[[Fichier:Gluon coupling.svg|thumb|Exemples de couplage de [[gluon]]s]]
Les [[Particule (physique)|particule]]s qui interagissent les unes avec les autres sont dites couplées. Cette interaction est provoquée par l’une des [[forces fondamentales]], dont l'intensité est généralement donnée par une [[constante de couplage]] sans dimension. En [[électrodynamique quantique]], cette valeur est connue sous le nom de [[constante de structure fine]] α, approximativement égale à 1/137. Pour la [[chromodynamique quantique]], la constante change en fonction de la distance entre les particules. Ce phénomène est connu sous le nom de [[liberté asymptotique]]. Les forces ayant une constante de couplage supérieure à 1 sont dites « fortement couplées », tandis que celles ayant une constante inférieure à 1 sont dites « faiblement couplées »<ref>{{Ouvrage|prénom1=David|nom1=Griffiths|titre=Elementary Particle-Second, Revised Edition|éditeur=Wiley-VCH|année=2010|pages totales=454|isbn=978-3-527-40601-2}}</ref>.

== Notes et références ==
{{Références}}

== Voir aussi ==
=== Bibliographie ===
* [[Vladimir Damgov]], ''Nonlinear and parametric phenomena. Applications in radiometric and mechanical systems,'' [[World Scientific]], Series on Nonlinear Sciences, 2004.
* Leonard Meirovitch, ''Elements of vibration analysis'', 2nd ed., Mc Graw Hill, 1986 {{ISBN|0-070-41342-8}}.
* {{Landau|tome 1}}

=== Articles connexes ===
* [[Rétroaction]]
* [[Oscillateur]]
* [[Systèmes oscillants à un degré de liberté]]
* [[Oscillateur harmonique quantique]]
* [[Oscillations amorties]]

{{Portail|physique}}

[[Catégorie:Système oscillant]]
[[Catégorie:Interaction]]