Materi Gelombang Mekanik

WooCommerce Materi Kelas X   Materi Kelas XI   Materi Kelas XII   Kumpulan Rumus   Soal-Soal    Les/Privat

——————————————————————————————————————–

1. Analisis Vektor untuk gerak parabola dan gerak melingkar 2. Hukum Newton tentang gravitasi 3. Usaha dan Energi 4. Getaran harmonis 5. Impuls, momentum dan tumbukan 6. Keseimbangan dan Dinamika Rotasi Benda Tegar 7. Fluida 8. Teori Kinetik Gas dan Termodinamika 9. Gelombang Mekanik

Klik salah satu materi pokok di atas yang ingin Anda pelajari!

——————————————————————————————————————–

GETARAN

Getaran adalah gerakan bolak-balik suatu benda melalui titik kesetimbangannya. Pada getaran harmonik akan bekerja gaya yang arahnya selalu menuju titik kesetimbangan dari gerak periodik tersebut. Perhatikan gambar berikut ini:

Dari gambar tampak bahwa jika bandul disimpangkan hingga ke titik A kemudian dilepas maka bandul akan melakukan getaran atau gerakan bolak-balik melalui titik kesetimbangannya yaitu titik B. Satu getaran adalah gerakan bandul dari titik A – B – C – B – A . Simpangan maksimum suatu getaran disebut dengan amplitudo dan dilambangkan  dengan A.

Waktu yang diperlukan untuk melakukan satu getaran disebut dengan periode (T), yang dirumuskan dengan:

Dimana:

T = peride (s)

t = waktu (s)

n = banyaknya getaran

Banyaknya getaran yang dilakukan dalam waktu satu sekon disebut dengan frekuensi (f), yang secara matematis dinyatakan dengan:

Satuan frekuensi adalah seper sekon, disebut dengan Hertz dan disingkat Hz.

Dari kedua persamaan di atas, dapat dilihat bahwa terdapat hubungan antara periode dan frekuensi yang dinyatakan dengan:

Sifat-sifat Gelombang

  1. Dispersi gelombang adalah perubahan bentuk gelombang ketika gelombang merambat melalui suatu medium. Jadi, apakah suatu gelombang mengalami dispersi atau tidak tergantung pada medium yang dilewatinya. Contoh medium nondispersi adalah udara sebagai medium perambatan bunyi. Contoh medium dispersi adalah prisma kaca sebagai medium gelombang cahaya.
  1. Pemantulan gelombang akan terjadi ketika sebuah gelombang menabrak sebuah penghalang atau sampai di ujung suatu medium yang dirambatinya. Pada semua jenis gelombang akan berlaku hukum pemantulan Snellius, yaitu:Di dalam laboratorium, pengamatan terhadap peristiwa pemantulan diamati dengan alat yang disebut tangki riak. Contoh peristiwa pemantulan gelombang dalam kehidupan sehari-hari adalah terjadinya gema. Pemantulan gelombang bunyi berperan penting dalam perancangan ruangan seperti ruang perkuliahan, perpustakaan, atau gedung pertunjukkan. Misalnya dalam sebuah ruang pertunjukan (konser), suatu lapisan pemantul ditempatkan di belakang orkestra, dan panel-panel pemantul digantung di langit-langit untuk memantulkan dan mengarahkan bunyi kembali ke pendengar.
  • Pembiasan gelombang terjadi bila suatu gelombang datang pada suatu permukaan batas yang memisahkan dua daerah dengan laju gelombang berbeda sehingga sebagian gelombang akan dipantulkan dan sebagian yang lain akan ditransmisikan (diteruskan). Pembelokan berkas gelombang yang ditransmisikan (diteruskan) disebut refraksi (pembiasan). Contoh peristiwa pembiasan dalam kehidupan sehari-hari adalah gelombang air laut pada pantai akan lebih lambat dari pada gelombang laut pada bagian yang lebih dalam.
  • Difraksi (pelenturan) gelombang yaitu pembelokan atau penyebaran gelombang karena melewati suatu celah kecil atau ujung sebuah penghalang. Efek difraksi menghadirkan keterbatasan pada kemampuan untuk menentukan lokasi benda-benda kecil atau mengidentifikasi detail-detail dengan pemantulan gelombang dari benda-benda tersebut. Karena itulah kapal-kapal menggunakan gelombang ultrasonik (gelombang bunyi dengan frekuensi di atas 20 000 HZ) untuk mendeteksi kapal-kapal selam atau benda-benda di bawah laut lainnya dengan suatu piranti yang disebut sonar (sound navigation and ranging).
  • Interferensi gelombang terjadi ketika dua buah gelombang yang koheren (memiliki frekuensi dan selisih fase tetap) bertemu. ada dua macam interferensi yaitu interferensi konstruktif (saling menguatkan) dan interferensi destruktif (saling melemahkan). Interferensi destruktif misalnya terjadi pada sinyal gelombang radio yang diterima oleh pesawat radio. Interferensi antara gelombang radio yang bergerak ke antena penerima dengan gelombang yang telah terlebih dahulu dipantulkan oleh gedung-gedung di sekitarnya bisa menyebabkan interferensi destruktif. Inilah yang mengakibatkan terganggunya penerimaan siaran radio.
  • Polarisasi gelombang dapat terjadi pada gelombang transversal tetapi tidak pada gelombang longitudinal. Contoh gelombang transversal yang mengalami polarisasi adalah gelombang cahaya. Beberapa aplikasi yang memanfaatkan gejala polarisasi gelombang antara lain: kacamata polariod, menyelidiki tekanan pada bahan-bahan atau material, LCD (liquid crystal display).

Jenis-Jenis Gelombang

Gelombang Transversal

Gelombang transversal adalah gelombang yang arah getarnya tegak lurus dengan arah rambatnya. Yang termasuk gelombang transversal adalah gelombang tali, gelombang permukaan air, dan gelombang elektromagnetik. Bentuk gelombang transversal dapat dilihat pada gambar di bawah ini:

Jarak titik c-d-e disebut lembah gelombang

Jarak titik a-b-c disebut bukit gelombang

Jarak titik b, f, j, dan n disebut puncak gelombang

Jarak d, h, l, dan p disebut lembah gelombang

Jarak a-b-c-d-e disebut satu gelombang atau satu gelombang terdiri dari satu bukit dan satu lembah gelombang.

Gelombang Longitudinal

Gelombang longitudinal adalah gelombang yang arah getarnya searah dengan arah rambatnya. Yang termasuk gelombang longitudinal antara lain gelombang pada pegas dan gelombang bunyi. Bentuk gelombang longitudinal dapat dilihat pada gambar di bawah ini:

Pada gelombang longitudinal, satu gelombang adalah jarak dari pusat regangan atau rapatan ke pusat regangan atau rapatan berikutnya. Atau dengan kata lain, satu gelombang terdiri atas satu rapatan dan satu regangan.

Persamaan Dasar Gelombang

Ketika merambat, gelombang memiliki cepat rambat yang sesuai dengan frekuensi dan panjang gelombangnya. Panjang gelombang simbolnya λ dibaca lamda, adalah panjang satu gelombang, yang bisa dihitung dengan membagi panjang seluruh gelombang dengan banyaknya gelombang yang terbentuk. Secara matematis, cepat rambat gelombang dinyatakan dengan:

Dimana:

v = cepat rambat gelombang (m/s)

f = frekuensi gelombang (Hz)

λ = panjang gelombang (m)

Contoh Soal dan Penyelesaiannya

  1. Gelombang air laut mendekati mercu suar dengan cepat rambat 7 m/s. Jarak antara dua dasar gelombang yang berdekatan 5 m. Tentukan frekuensi dan periode gelombang tersebut!

       

GELOMBANG BUNYI

Bunyi merambat sebagai gelombang sebab bunyi dapat mengalami interferensi, pemantulan, pembiasan, dan difraksi. Bunyi termasuk gelombang mekanik karena hanya dapat merambat melalui medium (zat padat, cair dan gas) dan tidak dapat merambat dalam vakum. Gelombang bunyi termasuk gelombang longitudinal karena dalam perambatannya tidak menyertakan perambatan molekul mediumnya, tapi hanya bergetar membentuk rapatan dan regangan.

Cepat Rambat Bunyi

WordPress.com

Cepat rambat bunyi adalah hasil bagi jarak tempuh dengan waktu tempuh gelombang bunyi. Secara matematis:

v = s / t

Dimana:

v = cepat rambat bunyi (m/s)

s = jarak yang ditempuh (m)

t = selang waktu (s)

Contoh Soal

Cepat rambat bunyi dalam zat padat adalah:

Dimana:

 E = modulus Young (N/m2 atau Pa)

ρ = massa jenis zat padat (kg/m3)

Cepat rambat bunyi dalam zat cair dinyatakan dengan:

Dimana:

B = modulus Bulk zat cair (N/m2)

ρ = massa jenis zat cair (kg/m3)

Cepat rambat bunyi dalam gas dinyatakan oleh:

Dimana:

M = massa molekul relatif (kg/kmol)

mo = massa 1 molekul gas (kg)

R = tetapan umum gas

k = tetapan Boltzman

γ = tetapan Laplace

Contoh Soal

Frekuensi Bunyi

Frekuensi bunyi dapat dikelompokkan ke dalam tiga daerah frekuensi yaitu frekuensi audio, frekuensi infrasonik, dan frekuensi ultrasonik. Frekuensi audio (20 – 20 000 Hz) adalah daerah frekuensi yang dapat didengar oleh telinga manusia. Fekuensi infrasonik adalah daerah frekuensi yang lebih rendah dari 20 Hz dan frekuensi ultrasonik adalah daerah frekuensi yang lebih tinggi dari 20 000 Hz.

Tinggi rendahnya bunyi ditentukan oleh frekuensinya. Makin besar frekuensi, makin tinggi nada bunyinya. Kuat/lemahnya bunyi ditentukan oleh amplitudo gelombang bunyi. Makin besar amplitudo gelombang bunyi, makin kuat bunyinya.

Gelombang bunyi tidak mengalami dispersi dan polarisasi. Gelombang bunyi dipantulkan mengikuti hukum pemantulan: sudut pantul sama dengan sudut datang. Gelombang bunyi mengalami pembiasan, yang menyebabkan bunyi petir pada malam hari terdengar lebih keras daripada siang hari. Gelombang bunyi dengan mudah didifraksi, sehingga seseorang dapat mendengar bunyi dari kamar yang bersebelahan. Gelombang bunyi mengalami interferensi sehingga dapat mengalami penguatan (interferensi konstruktif) dan pelemahan (interferensi destruktif).

Efek Doppler

Ketika sumber bunyi dan pendengar bergerak relatif, frekuensi yang terdengar akan bertambah jika keduanya bergerak saling mendekati, dan akan berkurang jika keduanya bergerak saling menjauhi. Ini disebut sebagai efek Doppler. Jika kecepatan sumber bunyi dan pendengar masing-masing vs dan vp, cepat rambat bunyi di udara = v, frekuensi sumber bunyi = fs, dan frekuensi yang didengar oleh pendengar = fp, maka :

 Dengan ketentuan:

vp (+) bila pendengar mendekati sumber

vp (-) bila pendengar menjauhi sumber

vs (-) bila sumber mendekati pendengar

vs (+) bila sumber menjauhi pendengar

Gelombang Bunyi

Gelombang merupakan rambatan energi getaran. Jika ada gelombang tali berarti energinya dirambatkan melalui tali tersebut. Bagaimana dengan bunyi? Bunyi dirambatkan dari sumber ke pendengar melalui udara.

Yang menarik bahwa bunyi disebarkan dari sumber ke segala arah. Jika seseorang berdiri berjarak R dari sumber akan mendengar bunyi maka bunyi itu telah tersebar membentuk luasan bola dengan jari-jari R. Berarti energi yang diterima pendengar itu tidak lagi sebesar sumbernya. Sehingga yang dapat diukur adalah energi yang terpancarkan tiap satu satuan waktu tiap satu satuan luas yang dinamakan dengan intensitas bunyi. Sedangkan kalian tentu sudah mengenal bahwa besarnya energi yang dipancarkan tiap satu satuan waktu dinamakan dengan daya. Berarti intensitas bunyi sama dengan daya persatuan luas. Perhatikan persamaan berikut.

Karena bunyi disebarkan ke segala arah, maka luasan yang terbentuk adalah luasan bola, sehingga: Dengan: I = intensitas bunyi (watt/m2) P = daya bunyi (watt) A = luasan yang dilalui bunyi (m2) R = jari-jari luasan bola (m) Jika intensitas bunyi dari sebuah sumber bunyi di dengar pada dua buah jarak yang berbeda, maka hubungan intensitas bunyi pada dua buah jarak yang berbeda tersebut adalah:

Taraf Intensitas

Kalian tentu pernah mendengar bunyi dalam ruangan yang bising. Tingkat kebisingan inilah yang dinamakan dengan taraf intensitas. Taraf intensitas didefinisikan sebagai sepuluh kali logaritma perbandingan intensitas dengan intensitas ambang pendengaran. Secara matematis dituliskan sebagai berikut.

Dari persamaan di atas dapat dikembangkan untuk menentukan taraf intensitas dari kelipatan intensitasnya. Misalnya ada n buah sumber bunyi yang terdengar bersamaan maka I n = n I dan taraf intensitasnya TIn memenuhi persamaan berikut.

Dengan menggunakan sifat logaritma yang sama dapat ditentukan taraf intensitas oleh kelipatan jarak Nilainya seperti persamaan berikut.

 APLIKASI GELOMBANG

Berikut ini adalah beberapa aplikasi/penerapan prinsip dan konsep gelombang dalam kehidupan sehari-hari dan teknologi.

Gelombang Sonar

Seperti yang telah disinggung sebelumnya, gelombang SONAR adalah singkatan dari Sound Navigation and Ranging atau navigasi dan penjajakan bunyi. Sonar adalah sebuah piranti yang menggunakan frekuensi ultrasonik (gelombang di atas 20 000 Hz), yang banyak digunakan oleh kapal-kapal untuk mendeteksi kapal-kapal selam dan benda-benda di bawah laut lainnya. Gelombang sonar ini digunakan karena adanya efek difraksi yang menghadirkan keterbatasan pada kemampuan untuk menentukan lokasi benda-benda kecil atau mengidentifikasi detail-detail dengan pemantulan gelombang dari benda-benda tersebut.

Ketika terjadi kecelakaan pesawat Silk Air di perairan sungai Musi Palembang pada 19 Desember 1997, dimana sebagian besar badan pesawat terbenam ke dalam sungai yang kedalamannya mencapai 10-15 m, para penyelam sulit menemukan puing-puing pesawat karena air sungai yang sangat keruh. Untuk mengatasi masalah ini, regu penolong menggunakan sebuah kapal penyapu ranjau yang memiliki peralatan sonar untuk menemukan reruntuhan pesawat di dasar sungai.

SONAR juga digunakan pada kamera sehingga memungkinkan membuat sebuah kamera dapat mengatur fokusnya secara otomatis. Sonar juga sedang diujicobakan sebagai perlengkapan mobil, yang fungsinya untuk mendeteksi benda-benda di sekitar mobil dan data-datanya didisplai di depan pengemudi untuk menghindari kecelakaan dan memudahkan memarkir kendaraan agar lebih aman.

Supersonik dan Sonicboom

Laju supersonik yaitu laju kecepatan yang melebihi kecepatan cahaya. Laju ini sering dinyatakan dengan bilangan mach, yang didefinisikan sebagai perbandingan antara laju benda dengan laju bunyi di medium pada lokasi tersebut. Misalnya, sebuah pesawat yang melaju dengan 900 m/s jauh tinggi di atmosfer, dimana laju bunyi hanya 300 m/s, memiliki laju sebesar 3 mach.

Gelombang kejut dihasilkan oleh benda yang bergerak dengan kelajuan supersonik, yang diakibatkan oleh tertumpuknya puncak gelombang yang berbeda dan membentuk satu puncak yang sangat besar. Gelombang kejut pada intinya merupakan hasil dari interferensi konstruktif dari sejumlah besar muka gelombang.

Ketika sebuah pesawat terbang melaju dengan laju supersonik, kebisingan yang dibuatnya dan gangguannya terhadap bentuk udara menjadi gelombang kejut yang berisi energi bunyi yang sangat besar, dimana energi ini akan terdengar sebagai “ledakan yang sangat keras (sonicboom)” ketika melewati seorang pendengar. Ledakan sonik terjadi hanya dalam sepersekian detik tetapi energi yang dikandungnya seringkali cukup untuk memecahkan jendela dan menyebabkan kerusakan lainnya.

Ultrasonik dan Infrasonik

Infrasonik adalah gelombang bunyi yang frekuensinya di bawah 20 Hz.  Sedangkan ultrasonik adalah gelombang bunyi yang frekuensinya di atas 20 000 Hz. Anjing dapat mendengar bunyi yang frekuensinya 50 000 Hz. Inilah sebabnya mengapa anjing digunakan sebagai pelacak jejak oleh kepolisian. Kelelawar dapat mendengar bunyi yang frekuensinya 100 000 Hz. Beberapa penggunaan gelombang ultrasonik antara lain:

  • Untuk mengukur kedalaman laut. Alat pengukur kedalaman laut ini disebut fathometer, yang mengirimkan pulsa gelombang ultrasonik kemudian menerima pantulannya.
  • Survei geofisika. Gelombang ultrasonik juga digunakan untuk mendeteksi kapal yang tenggelam, letak palung laut, letak kelompok ikan, serta menganalisa struktur permukaan bumi, khususnya menyelidiki kandungan minyak dan mineral di dalam bumi.
  • Mendeteksi retak-retak pada struktur logam, misalnya untuk menscanning bagian-bagian penting pesawat sehingga segera dapat ditanggulangi jika ada keretakan. di Inggris, gelombang ultrasonik digunakan untuk mendeteksi keretakan rel kereta api.
  • Mencuci benda, misalnya berlian, komponen-komponen elektronik, atau bagian-bagian mesin yang sulit dibersihkan dimasukkan ke dalam suatu cairan yang digunakan sebagai medium gelombang ultrasonik sehingga cairan akan bergetar dan merontokkan kotoran pada benda-benda tersebut.
  • Kacamata tunanetra dilengkapi dengan pengirim dan penerima ultrasonik sehingga tunanetra dapat menduga jarak benda-benda yang ada di sekitarnya.
  • Aplikasi dalam bidang kedokteran. Dalam bidang kedokteran, gelombang ultrasonik digunakan untuk mendiagnosis serta menghancurkan tumor dan kanker, menyelidiki otak, hati dan liver, serta mendeteksi janin di dalam rahim ibu. Pemeriksaan untuk melihat bagian-bagian dalam tubuh manusia dengan menggunakan pulsa-pulsa ultrasonik dinamakan USG (Ultrasonografi). Dibanding sinar-X, ultrasonik masih jauh lebih aman karena tidak merusak sel, tidak menimbulkan resiko meskipun digunakan terus menerus, dapat mengukur kedalaman suatu benda di bawah permukaan kulit (sinar-X hanya menampilkan gambar datar tanpa informasi kedalaman), dan ultrasonik dapat mendeteksi jaringan-jaringan lunak dalam tubuh (dimana sinar-X tidak mampu) sehingga dapat menemukan tumor atau gumpalan dalam tubuh manusia.

Gelombang Elektromagnetik

Secara tidak langsung pada pembahasan sebelumnya telah dibahas mengenai gelombang mekanik yaitu gelombang yang dalam perambatannya memerlukan medium antara lain gelombang tali, gelombang permukaan air, maupun gelombang bunyi. Berikut ini akan disinggung beberapa hal tentang gelombang yang tidak memerlukan medium dalam perambatannya, yaitu gelombang elektromagnetik.

Gelombang elektromagnetik terdiri dari bermacam-macam gelombang yang berbeda frekuensi dan panjang gelombangnya, tetapi kecepatannya di ruang hampa adalah sama yaitu c = 3 x 108 m/s. Urutan spektrum gelombang elektromagnetik dari frekuensi terkecil hingga frekuensi terbesar adalah: gelombang radio, gelombang televisi, gelombang mikro (radar), sinar inframerah, sinar tampak (cahaya), sinar ultraviolet, sinar-X, dan sinar gamma.

Gelombang Radio

Gelombang radio dapat dihasilkan oleh rangkaian elektronika yang disebut osilator. Gelombang radio ini dipancarkan dari antena dan diterima oleh antena pula. Luas daerah yang hendak dicakup dan panjang gelombang yang akan dihasilkan dapat ditentukan dengan tinggi rendahnya antena. Radio penerima akan mengubah gelombang energi ini menjadi gelombang bunyi.

Gelombang TV

Dengan frekuensi sedikit lebih tinggi dari gelombang radio, gelombang televisi ini merambat lurus, tidak dapat dipantulkan oleh lapisan-lapisan atmosfer bumi. Untuk menangkap siaran televisi stasiun Jakarta, maka di wilayah Bandung diperlukan sebuah stasiun penghubung (relay) yang terletak di puncak gunung Tangkuban Perahu. Untuk daerah yang lebih jauh lagi, misalnya untuk Indonesia bagian timur, diperlukan sebuah satelit sebagai stasiun penghubung. Untuk menangkap siaran dari luar negeri, harus juga digunakan satelit sebagai stasiun penghubung.

Radar

Radar adalah singkatan dari Radio Detection and Ranging, merupakan gelombang mikro (microwave) dengan frekuensi 3 GHz. Antena radar dapat bertindak sebagai pemancar dan penerima gelombang elektromagnetik. Di pangkalan udara, antena pemanar radar dapat berputar ke segala arah untuk mendeteksi adanya pesawat terbang yang menuju atau meninggalkan pangkalan udara. Dengan demikian, cuaca yang buruk tidak lagi merupakan penghambat pendaratan pesawat.

Soal dan Pembahasan
Sahabat fisoontal, untuk lebih memahami materi fisika serta untuk mempersiapkan diri untuk menghadapi UAS, UN, SBMPTN, berikut akan diberikan contoh soal beserta tips dan trik pembahasannya. Bagaimana sudah siap? Ayo kita mulai!
Materi: Gelombang Bunyi

 
 
 
 
WordPress.com

Related Post