Le mouvement harmonique est le concept d’un système oscillant ou répétitif tel qu’un pendule, un ressort ou l’orbite d’une planète autour du soleil. Les systèmes qui sont en mouvement harmonique conservent l’énergie et la quantité de mouvement tant que l’énergie interne reste la même. Dans un système réel, c’est-à-dire non idéal, la perte d’énergie se produit en raison de la friction même en quantités infinitésimales en raison de la collision avec les molécules. Deux qualités principales doivent exister pour qu’un système connaisse un mouvement oscillatoire : l’élasticité et l’inertie ; à cause de la première loi de Newton, tous les objets ont de l’inertie. Par conséquent, une source d’élasticité doit exister, comme un ressort.
Un système harmonique simple comprend un ou plusieurs objets oscillants qui sont fixés à un ressort ou à une autre source élastique, telle qu’un poids attaché à un ressort. Le mouvement de l’objet modifie la vitesse selon un schéma sinusoïdal. La force élastique qui fournit l’élan de l’objet augmente avec la distance du centre du mouvement ; plus l’objet est éloigné, plus la force élastique est exercée. Lorsque l’objet arrive à la fin de son mouvement, la force le fait reculer à vitesse croissante jusqu’à l’autre extrémité de la trajectoire oscillante où le cycle se répète. Le mouvement harmonique simple est utilisé pour illustrer le concept, mais ne prend pas en compte le frottement.
Le mouvement amorti, par comparaison, inclut la friction ou d’autres forces extérieures qui ralentiront le système et lui permettront éventuellement d’atteindre l’équilibre, ou l’absence de mouvement. Plus il y a de friction dans un système, plus vite un objet oscillant atteindra l’équilibre. Le suramortissement ne permet que quelques cycles d’oscillation avant l’équilibre ; l’amortissement critique crée un retour rapide à l’équilibre, comme un amortisseur dans une voiture ; et le sous-amortissement provoque une diminution de l’oscillation avec le temps. Un milieu plus visqueux comme l’eau crée plus de friction.
Le mouvement harmonique a de nombreuses applications dans la vie de tous les jours. Tout type de système oscillant – qu’il s’agisse d’un pendule d’horloge, d’un ressort du système de suspension d’une voiture ou de la rotation du volant d’un moteur – subit une forme d’oscillation amortie. Par exemple, connaître la force de frottement qui provoque l’amortissement permet de calculer la force motrice nécessaire pour maintenir un taux d’oscillation constant dans un système harmonique. Il existe également des applications musicales ; connaître la longueur d’une corde de guitare, par exemple, fournit une méthode de calcul du taux d’oscillation lorsqu’on lui donne une force motrice, et donc la fréquence de la note jouée.