GELOMBANG MEKANIK Pada pembelajaran ini kita akan mem pelajari gelombang mekanik Gelombang mekanik dapat dipelajari gejala gelombang pada tali melalui Pernahkah kalian melihat sekumpulan anak anak yang sedang bermain tali? Amatilah apa yang terjadi jika salah satu ujung tali kamu ikatkan pada suatu tiang kemudian ujung yang lain kamu getarkan! Tali yang digetarkan akan menunjukkan gejala gelombang. Apakah gelombang itu? Untuk memahaminya pelajarilah pembahasan berikut! A. Pengertian Gelombang Mekanik Gambar anak yang sedang menggetarkan tali Gambar 1 Berdasarkan gambar 1.1, kita dapat melihat timbulnya gejala gelombang pada tali. Gejala gelombang tersebut terjadi karena getaran yang merambat pada tali. Dengan demikian, dapat diambil pengertian bahwa gelombang adalah getaran yang merambat. Gejala gelombang pada tali merupakan gejala gelombang yang sudah tidak asing lagi bagi kita. Gelombang yang terjadi pada contoh di atas merupakan contoh gelombang mekanik. Gelombang mekanik adalah gelombang yang memerlukan media untuk merambat
Berdasarkan arah rambat dan arah getarnya, gelombang dibedakan atas gelombang transversal dan gelombang longitudinal. Gelombang transversal adalah gelombang yang arah rambatnya tegak lurus dengan arah getarnya. Sedangkan gelombang longitudinal adalah gelombang yang memiliki arah rambat sejajar dengan arah getarnya. Contoh gelombang longitudinal adalah gelombang pada slinky Gambar gelombang transversal pada tali Sebelum kita mempelajari lebih jau tentang mekanik, kita bahas istilah berikut ini: gelombang 1. Panjang gelombang Panjang gelombang adalah jarak yang ditempuh oleh gelombang dalam satu periode. Pada gelombang transversal dan gelombang longitudinal, panjang gelombang adalah jarak antara dua titik yang memiliki fase gelombang yang sama. Panjang gelombang dilambangkan dengan λ (dibaca: lambda). Dalam Sistem Internasional (SI), satuan panjang gelombang adalah meter (m). 2. Frekuensi gelombang Frekuensi adalah jumlah gelombang yang terbentuk selama satu detik. Frekuensi dilambangkan dengan f. Dalam Sistem Internasional (SI), satuan frekuensi adalah Hertz (Hz 3. Periode gelombang Periode adalah waktu yang diperlukan untuk melakukan satu gelombang. Periode dilambangkan T, dan dalam Sistem Internasional (SI), satuannya adalah detik (s) 4. Cepat rambat gelombang adalah jarak yang ditempuh oleh gelombang selama satu detik. Cepat rambat gelombang dilambangkan dengan v, dan dalam Sistem Internasional (SI), satuannya adalah m/s Hubungan antara cepat rambat gelombang (v), panjang
gelombang (λ), periode (T), dan frekuensi (f) adalah: B. Persamaan gelombang berjalan Yang harus diperhatikan sobat dalam persamaan gelombang berjalan adalah tanda negatif (-) dan positif (+). Perhatikan gambar di bawah ini Gelombang adalah getaran yang berpindah tempat (merambat). Misal titkk O melakukan getaran harmonik dengan frekuensi f dan simpangan terjauh A maka persamaan simpangan y adalah y = A sin ωt Jika getaran harmonik tersebu kemudian berjalan (gelombang berjalan) dari titik O sejauh x menuju titik P dengan cepat rambat gelombang v maka waktu yang diperlukan getarn untuk sampai ke titik P adalah. t = x/v Jika P bergetar t sekon setelah O, maka jika O sudah bergetar selama t sekon maka P telah bergetar selama (t -t ) sekon. Dengan demikian persamaan gelombang berjalan pada titik P adalah
Cara menetukan tanda negatif atau positif Jika gelombang merambat ke kanan maka tanda dalam sinus adalah negatif, dan jika gelombang merambat ke kiri maka tanda dalam sinus adalah positif. Untuk mudah mengingatnya itu kebalikan kanan negatif, kiri malah positif. Jika pertama kali sumber gelombang bergerak ke atas, maka amplitudo (A) bertandan posfitif dan jika pertama kali bergerka ke bawah maka amplitudo (A) bertanda negative Keterangan rumus A = simpangan terjauh atau amplitudo gelombang (m) t = lama titik asal telah bergetar (s) T = periode getaran (s) v = cepat rambat gelombang (v) ω = kecepatan sudut (rad/s) f = frekuensi getaran (Hz) k = bilangan gelombang y = simpangan getaran di titik yang berjarak x dari titik asal getaran (m) x = jarak titik pada tali dari titik asal getaran (,) λ = panjang gelombang (m) C. Cepat rambat gelombang transversal Pernahkah kamu memerhatikan senar gitar yang sedang dipetik? Pada senar gitar yang dipetik akan tampak gangguan atau disturbansi yang merambat ke kedua arah. Tiap gangguan tersebut disebut pulsa transversal. Disebut demikian karena arah gerak partikel-partikel senar tegak lurus dengan arah rambat pulsa. Dari eksperimen menggunakan alat sonometer diketahui bahwa cepat rambat gelombang transversal pada dawai (v) sebanding dengan akar tegangan dawai F dan berbanding
terbalik dengan akar massa persatuan panjang dawai ( ). Dengan demikian, cepat rambat gelombang transversal pada dawai dapat dinyatakan dengan persamaan berikut. Maka atau, maka Dengan v = cepat rambat getaran pada dawai (m/s) F = gaya tegangan tali (N) = massa per satuan panjang dawai (kg/m) m = massa dawai (m) = panjang dawai (m) = massa jenis bahan dawai ( ) A = luas penampang dawai ( ) V = volume dawai ( ) D. Gelombang stationer Sejauh ini kita telah membahas rambatan gelombang pada medium dengan jarak yang tidak terbatas, sehingga rambatannya pun kita anggap berjalan searah secara terus-menerus. Jika gelombang telah mengalami pemantulan, sementara sumber gelombang masih terus memberikan pulsa terus-menerus
maka akan terjadi pertemuan antara gelombang datang dan gelombang pantul. Baik gelombang datang maupun gelombang pantul dapat kita anggap koheren. Pertemuan ini akan menghasilkan pola gelombang yang disebut gelombang stasioner. Gelombang stasioner terjadi jika dua buah gelombang yang koheren dengan arah rambat yang saling berlawanan bertemu pada suatu titik, sehingga mengakibatkan terjadinya interferensi antara kedua gelombang tersebut. Singkatnya, gelombang stasioner merupakan perpaduan atau super posisi dari dua gelombang yang identik namun berlawanan arah. Sebagai contoh gelombang tali yang diikat di salah satu ujungnya, kemudian ujung yang lain kita ayunkan naik turun. Besar amplitudo gelombang stasioner akan berubah-ubah di antara nilai maksimum dan minimumnya. Titik yang amplitudonya maksimum disebut perut dan titik dengan amplitudo minimum disebut simpul. Gelombang stasioner ada dua yaitu gelombang stasioner pada ujung tetap dan ujung bebas. Gelombang Stasioner pada ujung tetap Perhatikan gambar gelombang berjalan berikut : Dari gambar di atas dapat diketahui bahwa pada ujung tetap (terikat) akan membentuk 2 gelombang tali yang arahnya berlawanan. Masing - masing mempunyai persamaan gelombang : y1 = A sin (ωt kx) (merambat ke kanan) y2 = A sin (ωt + kx) (merambat ke kiri) Super posisi dari kedua gelombang tersebut dinyatakan : ys = y1 + y2 = 2A sin kx cos ωt Amplitudo gabungan Ap sebesar Ap = 2A sin kx
(cara menghafal : dari gambar tampak bentuk gelombang menyerupai fungsi sinus, maka persamaan sin mendahului cos ). Cara menentukan letak simpul dan perut : Perhatikan gambar gelombang di atas dengan seksama. Simpul pertama merupakan titik awal berarti jarak dari titik pantul = 0. Simpul kedua merupakan ½ λ, simpul ketiga merupakan λ, keempat 1 ½ λ dst. Perut pertama merupakan ¼ λ, perut kedua ¾ λ, perut ketiga 1¼ λ dst. Metode di atas lebih mudah dipahami dari pada menghafal dengan rumus letak simpul dan perut. 2. Gelombang Stasioner pada ujung bebas Perhatikan gambar gelombang berjalan berikut : Berbeda dengan ujung terikat, pada ujung bebas mempunyai persamaan (fungsi cosinus) : ys = y1 + y2 = 2A cos kx sin ωt Amplitudo gabungan (Ap) sebesar Ap = 2A cos kx. Cara menentukan letak simpul dan perut : Perhatikan gambar gelombang di atas dengan seksama. Simpul pertama merupakan ¼ λ, simpul kedua = ¾ λ, simpul ketiga = 1¼ λ dst.
Perut pertama merupakan titik awal berarti jarak dari titik pantul = 0. perut kedua merupakan ½ λ, perut ketiga merupakan λ, keempat 1 ½ λ dst. E. Interferensi Gelombang Salah satu sifat gelombang adalah adanya gejala interferensi gelombang. Bagaimana gejala interferensi gelombang dapat terjadi? Interferensi gelombang terjadi jika dua buah gelombang atau lebih yang koheren bertemu pada suatu titik. Interferensi ini akan saling memperkuat (interferensi konstruktif) jika fase gelombang pada titik tersebut sama dan akan saling memperlemah (interferensi destruktif) jika fasenya berlawanan. Gelombang resultan merupakan penjumlahan dari gelombang-gelombang tersebut PENERAPAN INTERFERENSI DALAM KEHIDUPAN SEHARI-HARI Dalam kehidupan sehari-hari, kita melihat gelembung air sabun akan terlihat berwarna, warni. Begitu juga genangan minyak tanah diatas permukaan air, akan terlihat sama berwarna warni. Warna-warni pelangi menunjukkan pada kita bahwa sinar matahari adalah gabungan gabungan dari berbagai macam warna dari spektrum kasat mata. Akan tetapi warna pada gelombang sabun, lapisan minyak, warna bulu burng merah dan burung kalibri bukan disebabkan oleh pembiasan. Tetapi karna terjadi interferensi konstruktif dan distruktif dari sinar yang dipantulkan oleh suatu lapisan tipis. Adanya gejala interferensi ini bukti yang paling menyakinkan bahwa cahaya itu adalah gelombang. Warna-warni terbentuk karena adanya interferensi gelombang cahaya yang memasuki lapisan tipis sabun. Karena cahaya putih seperti sinar matahari memiliki banyak panjang gelombang maka sinar yang masuk kedalam lapisan sabun dan yang dipantulkan oleh lapisan sabun itu juga akan mengalami pembiasan dan pemantulan yang tidak sama karena masing-masing panjang gelombang memiliki indeks bias sendiri-sendiri. Lintasan yang dilalui masingmasing gelombang tidak sama. Sinar putih ini mengalami dispersi atau penguraian warna dan terbentuklah cahaya berwarna-warni. Berwarna-warni karena cahaya yang jatuh ke gelembung sabuk dipantulkan dan dibiaskan secara tidak merata karena indeks bias yang berbeda di tiap titik gelembung gara-gara tidak samanya ketebalan gelembung sabun. Apa yang terjadi dengan peristiwa itu? Kesan melihat gelembung air sabun berwarna-warni disebabkan terjadinya interferensi yaitu perpaduan dua gelombang cahaya a yang jatuh pada selaput tipis, seperti selaput air sabun.
Sinar datang (AB) jatuh pada selaput tipis dengan tebal lapaisan (d), oleh selaput akan dibiaskan sinar (BC) dan dua sinar dipantulkan yaitu sinar (BD) dan EF, kedua sinar s1 dan s2 akan berinterferensi di retina mata, sehingga kita bisa melihat gelembung sabun berwarna warni, seperti pada gambar berikut. Jika cahaya yang dijatuhkan pada selaput tipis cahaya monokhromatik, maka pada gelembung sabun tidak akan terlihat warna pelangi, melainkan warna terang dan gelap. Rumus untuk menghasilkan pola terang/interferensi maksimum sbb: Keterangan : n. = Indek bias lapisan tipis d = tebal lapisan r = sudut bias m = orde terang ke 1,2,3 dst Contoh lainnya PROSES TERJADINYA PELANGI BAGAIMANA TERJADINYA PELANGI Bagaimana proses terjadinya pelangi adalah bermula dari ketika cahaya matahari melewati sebuah tetes hujan yang kemudian dibelokkan atau dibiaskan menuju tengah tetes hujan tersebut, yang memisahkan cahaya putih itu menjadi sebuah warna spektrum. Kemudian, warna-warna yang terpisah ini memantul di belakang tetes hujan dan memisah lebih banyak lagi saat meninggalkannya. Akibatnya, cahaya tampak melengkung menjadi kurva warna yang disebut sebagai pelangi. Cahaya dengan panjang gelombang terpendek seperti ungu, terdapat di bagian kurva dan yang memiliki panjang gelombang terpanjang seperti merah terdapat pada bagian luar. Interferensi merupakan sifat cahaya yang dapat diamati ketika perbedaan gelombang cahaya dicampur bersamaan. Contoh interferensi adalah pelangi yang kamu lihat dalam gelembung sabun, spektrum warna oval, dan kilauan warna dari beberapa bulu burung. Di sebagian area pola interferensi, gelombang cahaya berada dalam fase, dengan bukit dan lembah saling menguatkan, membentuk daerah yang berkilau. Di daeah lain, di luar fase, dengan bukit dan lembah yang berlawanan, membentuk daerah yang suram. Terdapat berbagai variasi cara untuk memperagakan interferensi, pada bagian daerah yang terang maupun daerah suram, dan perbedaan warna menggambarkan perbedaan panjang gelombang cahaya. Interferensi menghasilkan gelombang yang berhimpit. Ketika dua bukit (titik tertinggi) gelombang bertemu, mereka bergabung menjadi gelombang yang lebih besar. Ketika bukit sebuah gelombang dan lembah (titik terendah) gelombang
bertemu, gelombang saling mengapuskan satu sama lain. Posisi bukit dan lembah disebut fase.