Getaran dan Gelombang

Transkripsi

1 Fisika Umum (MA301) Topik hari ini: Getaran dan Gelombang Hukum Hooke, Sistem Pegas-Massa Energi Potensial Pegas Perioda dan frekuensi Gerak Gelombang Bunyi Gelombang Bunyi Efek Doppler Gelombang Berdiri

2 Getaran dan Gelombang

3 Hukum Hooke F s = - k x F s adalah gaya pegas k adalah konstanta pegas Konstanta pegas adalah ukuran kekakuan dari pegas K yang besar menunjukkan pegas kaku dan k yang kecil menunjukkan pegas lunak x adalah perpindahan benda dari posisi kesetimbangannya Tanda negatif menunjukkan bahwa gaya pegas selalu berlawanan arah dengan perpindahan

4 Gaya pada Hukum Hooke Gaya selalu bekerja ke arah posisi kesetimbangan Dinamakan juga gaya pemulih Arah dari gaya pemulih sedemikian rupa sehingga benda terdorong atau tertarik ke arah posisi kesetimbangan

5 Aplikasi Hukum Hooke pada Sistem Pegas-Massa Ketika x positif (ke kanan), F adalah negatif (ke kiri) Ketika x = 0 (kesetimbangan), F adalah 0 Ketika x negatif (ke kiri), F adalah positif (ke kanan)

6 Gerak dari Sistem Pegas-Massa Asumsikan benda awalnya ditarik pada posisi x = A dan lepaskan dari keadaan diam Ketika benda bergerak ke arah posisi kesetimbangan, F dan a menurun, tetapi v meningkat Pada x = 0, F dan a nol, tapi v maksimum Momentum benda mengakibatkan benda melewati posisi kesetimbangan Gaya dan percepatan mulai meningkat ketika benda menjauhi posisi kesetimbangan dan kecepatan menurun Gerak akan terus menerus dan tidak berhenti

7 Gerak Harmonik Sederhana Gerak yang terjadi ketika gaya neto sepanjang arah gerak adalah tipe gaya hukum Hooke Gayanya berbanding lurus dengan perpindahan dan berlawanan arah Gerak dari sistem pegas-massa adalah contoh dari gerak harmonik sederhana

8 Gerak Harmonik Sederhana (lanjutan) Tidak semua gerak periodik yang melewati lintasan yang sama dapat digolongkan sebagai gerak harmonik sederhana Untuk menjadi gerak harmonik sederhana, gaya yang bekerja harus memenuhi hukum Hooke

9 Amplitudo Amplitudo, A Amplitudo adalah posisi maksimum benda relatif terhadap posisi kesetimbangan Ketika tidak ada gaya gesekan, sebuah benda yang bergerak harmonik sederhana akan berosilasi antara ±A pada tiap sisi dari posisi kesetimbangan

10 Perioda dan Frekuensi Prioda, T, adalah waktu yang diperlukan untuk sebuah benda bergerak lengkap satu siklus Dari x = A ke x = - A dan kembali ke x = A Frekuensi, ƒ, jumlah lengkap siklus atau getaran per satuan waktu

11 Percepatan Sebuah Benda dalam Gerak Harmonik Sederhana Hukum II Newton menghubungkan gaya dan percepatan Gaya diberikan oleh Hukum Hooke F = - k x = m a a = -kx / m Percepatan adalah fungsi dari posisi Percepatan tidak konstan, olehkarenanya persamaan untuk gerak dengan percepatan tetap tidak dapat digunakan

12 Percepatan yang Mendefinisikan Gerak Harmonik Sederhana Percepatan dapat digunakan untuk mendefinisikan gerak harmonik sederhana Sebuah benda bergerak dalam gerak harmonik sederhana jika percepatannya berbanding lurus dengan perpindahan dan arahnya berlawanan

13 Energi Potensial Pegas Sebuah pegas yang tertekan atau teregang mempunyai energi potensial Pegas yang tertekan, ketika dilepaskan, dapat mengerjakan sebuah gaya pada benda Demikian pula pada pegas yang teregang Energi potensial pada pegas dapat ditransformasikan menjadi energi kinetik benda

14 Energi Potensial Pegas (lanjutan) Energi yang tersimpan dalam pegas yang tertekan atau teregang atau material elastik lain dinamakan energi potensial pegas Pe s = ½kx 2 Energi disimpan hanya ketika pegas tertekan atau teregang Energi potensial pegas dapat dijumlahkan pada pernyataan kekekalan energi dan kerja-energienergi

15 Energi dalam Sistem Pegas-Massa Benda meluncur tanpa gesekan dan menumbuk pegas Benda menekan pegas Benda didorong kembali oleh pegas

16 Kecepatan sebagai Fungsi dari Posisi Kekekalan energi memungkinkan menghitung kecepatan benda pada tiap posisi dalam geraknya v = ± k m ( 2 2 A x ) Laju adalah maksimum pada x = 0 Laju adalah nol pada x = ±A Tanda ± menyatakan bahwa benda dapat bergerek dalam salah satu arah

17 Gerak Harmonik Sederhana dan Gerak Melingkar Beraturan Sebuah bola dikaitkan pada sabuk yang dapat berputar dengan jari-jari A Perhatikan bayangan bola yang muncul pada layar Ketika bola berputar dengan kecepatan sudut tetap, bayangannya bergerak dalam gerak harmonik sederhana

18 Perioda dan Frekuensi Gerak Melingkar Perioda T = 2π m k Frekuensi ƒ = 1 T = 1 2π k m Satuan Hertz, Hz

19 Frekuensi Sudut Frekuensi sudut berkaitan dengan frekuensi ω = 2 π ƒ = k m

20 Pembuktian Sifat Sinusoidal Eksperimen ini menunjukkan sifat sinusoidal dari gerak harmonik sederhana Sistem pegas-massa berosilasi dalam gerak harmonik sederhana Berkas tinta (pada kertas bergerak) dari pena yang dikaitkan pada massa menunjukkan gerak sinusoidal

21 Bandul Sederhana Bandul sederhana adalah contoh lain dari gerak harmonik sederhana Gayanya adalah komponen dari gaya berat yang menyinggung lintasan gerak F = - m g sin θ

22 Bandul Sederhana (lanjutan) Secara umum, gerak dari sebuah bandul bukanlah harmonik sederhana Tetapi, untuk sudut yang kecil, geraknya menjadi harmonik sederhana Secara umum, sudut < 15 cukup kecil sin θ = θ F = - m g θ Gaya ini memenuhi hukum Hooke

23 Perioda dari Bandul Sederhana L T = 2π g Ini menunjukkan bahwa perioda tidak bergantung pada amplitudo Perioda bergantung pada panjang bandul dan percepatan gravitasi di tempat bandul tersebut

24 Bandul Sederhana Dibandingkan dengan Sistem Pegas-Massa

25 Osilasi Teredam Hanya sistem ideal yang dapat berosilasi tanpa henti Dalam sistem riel, gesekan selalu menyertai gerak Gesekan mereduksi energi total sistem dan osilasinya dinamakan teredam

26 Osilasi Teredam (lanjutan) Gerak teredam bervariasi bergantung pada medium (fluida) yang digunakan Dengan fluida yang viskositasnya rendah, gerak osilasi tetap terjaga, tetapi amplitudonya menurun seiring dengan waktu dan gerak akhirnya berhenti Ini di kenal dengan osilasi underdamped

27 Jenis Teredam yang Lain Dengan viskositas tinggi, benda kembali ke titik kesetimbangan setelah dilepaskan dan tidak berosilasi Disebut critical damped Dengan viskositas yang lebih besar lagi, setelah dilepaskan benda tidak mencapai titik kesetimbangan dan waktunya lebih lama Dinamakan over damped

28 Grafik Gerak Teredam Plot a menunjukkan osilasi teredam kritis (critical damped) Plot b menunjukkan osilasi teredam lebih (over damped)

29 Gerak Gelombang Gelombang merupakan gangguan yang bergerak (kuliah ini) Gelombang mekanik membutuhkan Sumber gangguan Medium yang dapat diganggu Mekanisme pengaruh dari bagian suatu medium ke bagian medium yang lain yang berdekatan Semua gelombang membawa energi dan momentum

30 Jenis-jenis Gelombang -- Transversal Dalam gelombang tranversal, setiap bagian yang diganggu bergerak tegak lurus dengan arah gerak gelombang

31 Jenis-jenis Gelombang -- Longitudinal Dalam gelombang longitudinal, setiap bagian medium yang diganggu mengalami perpindahan yang sejajar dengan gerak gelombang Gelombang longitudinal juga disebut gelombang mampat

32 Bentuk Gelombang Kurva merah adalah bentuk gelombang pada saat tertentu Kurva biru adalah bentuk gelombang berikutnya A adalah puncak gelombang B adalah lembah gelombang

33 Gelombang Longitudinal Digambarkan sebagai Kurva Sinusoidal Sebuah gelombang longitudinal dapat juga digambarkan sebagai kurva sinusoidal Mampatan sesuai dengan puncak dan regangan sesuai dengan lembah

34 Deskripsi Gelombang Amplitudo adalah perpindahan maksimum dari tali disekitar titik kesetimbangan Panjang gelombang, λ, adalah jarak antara dua titik berturutan yang identik

35 Laju gelombang v v = ƒ λ Diperoleh dari persamaan laju dasar jarak/waktu Ini adalah persamaan umum yang bisa digunakan untuk berbagai jenis gelombang

36 Laju Gelombang pada Tali Laju pada gelombang teregang akibat tegangan, F, adalah F m v = dimana µ = µ L Laju hanya bergantung pada sifat dari medium yang dilewati gangguan

37 Interferensi Gelombang Dua gelombang yang berjalan dapat bertemu dan saling melewati satu sama lain tanpa menjadi rusak atau berubah Gelombang memenuhi Prinsip Superposisi Jika dua gelombang atau lebih yang merambat bergerak melewati medium, gelombang yang dihasilkan adalah penjumlahan masing-masing perpindahan dari tiap gelombang pada setiap titik Sebenarnya hanya berlaku untuk gelombang dengan amplitudo yang kecil

38 Interferensi Konstruktif Dua gelombang, a dan b, mempunyai frekuensi dan amplitudo yang sama Berada dalam satu fase Gabungan gelombang, c, memiliki frekuensi dan amplitudo yang lebih besar

39 Interferensi Konstruktif pada Tali Dua pulsa gelombang menjalar dalam arah yang berlawanan Perpindahan neto ketika dua pulsa saling overlap adalah penjumlahan dari perpindahan setiap pulsa Catatan: pulsa tidak berubah setelah interferensi

40 Interferensi Destruktif Dua gelombang, a and b, mempunyai frekuensi dan amplitudo yang sama Perbedaan fasenya 180 o Ketika bergabung, bentuk gelombangnya hilang

41 Interferensi Destruktif pada Tali Dua pulsa gelombang menjalar dalam arah yang berlawanan Perpindahan neto ketika dua pulsa saling overlap adalah pengurangan dari perpindahan setiap pulsa Catatan: pulsa tidak berubah setelah interferensi

42 Pantulan Gelombang Ujung Terikat Ketika gelombang berjalan mencapai ujung, beberapa atau semua gelombang dipantulkan Ketika gelombang dipantulkan dari ujung terikat, pulsa gelombang akan dibalikkan

43 Refleksi Gelombang Ujung Bebas Ketika gelombang berjalan mencapai ujung, beberapa atau semua gelombang dipantulkan Ketika gelombang dipantulkan dari ujung bebas, pulsa gelombang tidak dibalikkan

44 Bunyi

45 Penghasil Gelombang Bunyi Gelombang bunyi adalah gelombang longitudinal yang merambat melalui sebuah medium Sebuah garpu tala dapat digunakan sebagai contoh penghasil gelombang bunyi

46 Penggunaan Garpu Tala Untuk Menghasilkan Gelombang Bunyi Garpu tala akan menghasilkan sebuah nada yang murni Ketika garpu bergetar, getarannya akan menggangu udara disekitarnya Ketika garpu di tarik ke kanan, akan memaksa molekul udara disekitarnya saling berdekatan Hal ini menghasilkan daerah dengan kerapatan yang tinggi pada udara Daerah ini adalah mampatan (commpression)

47 Penggunaan Garpu Tala (lanjutan) Ketika garpu di tekan ke kiri (saling berdekatan), molekul- molekul udara di sebelah kanan garpu akan saling merenggang Menghasilkan daerah dengan kerapatan yang rendah Daerah ini disebut regangan (rarefaction)

48 Penggunaan Garpu Tala (lanjutan) Ketika garpu tala terus bergetar, serangkaian mampatan (compression) dan regangan (rarefaction) menjalar dari garpu Kurva sinusoidal dapat digunakan untuk menggambarkan gelombang longitudinal Puncak sesuai dengan mampatan dan lembah sesuai dengan regangan

49 Kategori Gelombang Bunyi Gelombang yang dapat didengar (audible) Dalam jangkauan pendengaran telinga manusia Normalnya antara 20 Hz sampai Hz Gelombang Infrasonik Frekuensinya di bawah 20 Hz Gelombang Ultrasonik Frekuensinya di atas Hz

50 Aplikasi dari Gelombang Ultrasonik Dapat digunakan untuk menghasilkan gambar dari benda yang kecil Secara lebih luas digunakan sebagai alat diagnosa dan pengobatan di bidang medis Ultrasonik flow meter untuk mengukur aliran darah Dapat menggunakan alat piezoelectrik yang dapat mengubah energi listrik menjadi energi mekanik Kebalikannya: mekanik ke listrik Ultrasound untuk mengamati bayi di dalam kandungan Cavitron Ultrasonic Surgical Aspirator (CUSA) digunakan dalam proses pembedahan untuk mengangkat tumor otak

51 Laju Gelombang Bunyi v = sifat elastisitas medium sifat inersial medium Laju gelombang bunyi lebih tinggi dalam zat padat daripada dalam gas Molekul-molekul dalam zat padat berinteraksi lebih kuat Laju gelombang bunyi lebih rendah dalam zat cair daripada dalam zat padat Zat cair lebih kompressible

52 Laju Gelombang Bunyi di Udara v = (331 m s ) T 273 K 331 m/s adalah laju gelombang bunyi pada 0 C T T adalah suhu mutlak (T = t c + 273) K

53 Intensitas Gelombang Bunyi Intensitas dari gelombang adalah laju aliran energi yang melewati luas tertentu, A, arahnya tegak lurus dengan arah penjalaran gelombang E E I = = A t P A P adalah daya, laju energi yang di transfer Satuannya adalah W/m 2

54 Jenis Intensitas Gelombang Bunyi Ambang Pendengaran Bunyi terendah yang bisa didengar manusia Sekitar 1 x W/m 2 Ambang Rasa Sakit Bunyi terkeras yang masih bisa di toleransi manusia Sekitar 1 W/m 2 Telinga adalah detektor yang sensitif teradap gelombang bunyi

55 Tingkat intensitas Gelombang Bunyi Kenyaringan suara pada telinga manusia adalah logaritmik β adalah tingkat intensitas atau tingkat desibel dari bunyi β = 10 log I I o I o adalah ambang pendengaran Ambang pendengaran adalah 0 db Ambang rasa sakit adalah 120 db Pesawat jet sekitar 150 db

56 Contoh: konser rock Intensitas bunyi pada saat konser rock diketahui sekitar 1 W/m 2. Berapa desibel intensitas bunyi tersebut? dan siapakah pria ini?

57 Contoh: Diketahui: I 0 =10-12 W/m 2 I 1 =10 0 W/m 2 Ditanyakan: 1. β=? 1. Gunakan definisi tingkat intensitas dalam desibel: I β = 10 log 10 = I 0 = 10 log = 10 log ( 10 ) = 120dB Cat: tingkat intensitas yang sama dengan ambang rasa sakit! Tingkat intensitas percakapan normal adalah sekitar 50 db.

58 Gelombang Speris Gelombang speris menjalar secara radial keluar dari lingkaran yang berosilasi Energi yang dirambatkan sama dalam semua arah Intensitasnya adalah I = P 4πr 2

59 Intensitas dari Sumber Titik Intensitas berubah sebagai 1/r 2, ini adalah hubungan inverse square Daya rata-rata yang melalui permukaan bola (sumber sebagai pusatnya) adalah sama Untuk membandingkan intensitas dari dua tempat, hubungan inverse square dapat digunakan I I 1 2 = r r

60 Representasi dari Gelombang Muka gelombang merupakan lingkaran- lingkaran yang konsentrik Jarak antara muka gelombang berturutan adalah panjang gelombang Berkas (Rays) adalah garis radial yang keluar dari sumber dan tegak lurus dengan muka gelombang

61 Gelombang Bidang Cukup jauh dari sumber, muka gelombang mendekati bidang sejajar Berkas gelombang mendekati garis-garis sejajar Bagian kecil dari muka gelombang adalah gelombang bidang

62 Efek Doppler Efek Doppler muncul ketika terdapat gerak relatif antara sumber gelombang dan pengamat Ketika sumber dan pengamat saling mendekat, pengamat mendengar frekuensi yang lebih tinggi daripada frekuensi sumber Ketika sumber dan pengamat saling menjauh, pengamat mendengar frekueni yang lebih rendah daripada frekuensi sumber Meskipun Efek Doppler biasanya terjadi pada gelombang bunyi, fenomena tersebut terjadi juga pada gelombang yang lain

63 Efek Doppler, Kasus 1 Pengamat mendekati sumber yang diam Untuk pergerakan ini, pengamat merasakan penambahan jumlah muka gelombang Frekuensi yang terdengar bertambah Fig 14.8, p. 435 Slide 12

64 Efek Doppler, Kasus 2 Pengamat menjauhi sumber yang diam Pengamat merasakan lebih sedikit muka gelombang per detik Frekuensi yang terdengar lebih rendah Fig 14.9, p. 436 Slide 13

65 Efek Doppler, Akibat Pengamat yang Bergerak Frekuensi yang terdengar, ƒ, bergantung pada frekuensi bunyi sebenarnya dan laju ƒ' = v + v ƒ v v o positif jika pengamat bergerak mendekati sumber dan negatif jika pengamat bergerak menjauhi sumber o

66 Efek Doppler, Sumber yang Bergerak Ketika sumber bergerak mendekati pengamat (A), panjang gelombang yang muncul lebih pendek dan frekuensinya bertambah Ketika sumber bergerak menjauhi pengamat (B), panjang gelombang yang muncul lebih panjang dan frekuensinya berkurang

67 Efek Doppler, Sumber Bergerak (lanjutan) ƒ' = ƒ v v v s v s ketika sumber bergerak mendekati pengamat dan + v s ketika sumber bergerak menjauhi pengamat

68 Efek Doppler, Pengamat dan Sumber Sama-sama Bergerak Ketika sumber dan pengamat sama-sama bergerak ƒ' = ƒ v v + v v o s v o dan v s positif jika bergerak saling mendekat Frekuensi yang terdengar lebih tinggi v o dan v s negatif jika bergerak saling menjauh Frekuensi yang terdengar lebih rendah

69 Interferensi Gelombang Bunyi Interferensi gelombang bunyi Interferensi Konstruktif terjadi ketika perbedaan lintasan antara dua gelombang adalah nol atau kelipatan bulat Beda lintasan = nλ Interferensi Destruktif terjadi ketika perbedaan lintasan antara dua gelombang adalah setengah kelipatan bulat Beda lintasan = (n + ½)λ

70 Gelombang Berdiri Ketika gelombang berjalan dipantulkan kembali, hal ini akan menciptakan gelombang berjalan dalam dua arah Gelombang dan pantulannya berinterferensi sesuai dengan prinsip superposisi Dengan frekuensi yang tepat, gelombang akan terlihat seperti berdiri Gelombang ini disebut gelombang berdiri

71 Gelombang Berdiri (lanjutan) Simpul terjadi ketika dua buah gelombang berjalan memiliki besar perpindahan yang sama, tetapi perpindahannya dalam arah yang berlawanan Perpindahan neto adalah nol pada setiap titik Jarak antara dua simpul adalah ½λ Perut terjadi ketika gelombang berdiri bergetar dengan amplitudo maksimum

72 Gelombang Berdiri pada Tali Simpul harus terjadi pada ujung-ujung tali karena merupakan titik tetap Fig 14.16, p. 442 Slide 18

73 Gelombang Berdiri pada Tali Frekuensi getaran terendah dinamakan frekuensi fundamental / frekuensi nada dasar ƒ = nƒ1 = n n 2L F µ Fig 14.18, p. 443 Slide 25

74 Gelombang Berdiri pada Tali (lanjutan) ƒ 1, ƒ 2, ƒ 3 membentuk deret harmonik ƒ 1 adalah nada dasar dan juga disebut harmonik pertama ƒ 2 adalah harmonik kedua Gelombang pada tali yang bukan merupakan deret harmonik akan teredam secara cepat sehingga, ketika tali diganggu, gelombang yang terjadi akan memilih frekuensi gelombang berdiri

75 Getaran Terpaksa Sebuah sistem dengan gaya pengendali akan mengakibatkan getaran yang terjadi sesuai dengan frekuensinya Ketika frekuensi gaya pengendali sama dengan frekuensi alami sistem, sistem dikatakan berada dalam resonansi

76 Contoh dari Resonansi Bandul A digetarkan Bandul yang lain mulai bergetar karena getaran pada tiang yang lentur Bandul C berosilasi pada amplitudo yang besar karena panjangnya,dan frekuensinya sama dengan bandul A Fig 14.19, p. 445 Slide 28

77 Gelombang Berdiri pada Kolom Udara Jika salah satu ujung dari kolom udara tertutup, simpul harus ada pada ujung tersebut karena pergerakan udara dibatasi Jika ujungnya terbuka, bagian dari udara memiliki kebebasan bergerak dan sebuah perut akan muncul

78 Pipa dengan Kedua Ujung Terbuka

79 Resonansi pada Kolom Udara dengan Kedua Ujung Terbuka Pada pipa yang kedua ujungnya terbuka, frekuensi alami dari getaran membentuk sebuah deret yang harmonik yang sama dengan perkalian bulat frekuensi dasar v ƒ = n n = n 2L 1, 2, 3,K

80 Pipa yang Tertutup pada Salah Satu Ujung

81 Resonansi pada Kolom Udara yang Tertutup pada Salah Satu Ujung Ujung tertutup adalah simpul Ujung terbuka adalah perut v f n v = n n = 4L 1, 3, 5,K

82 Telinga Bagian luar telinga terdiri atas saluran telinga (ear canal) yang berakhir pada gendang telinga (eardrum) Bagian di belakang gendang telinga termasuk bagian tengah telinga Tulang belulang di bagian tengah telinga mengirimkan bunyi ke bagian dalam telinga Fig 14.27, p. 452 Slide 41