EKSPERIMEN RIPPLE TANK Kusnanto Mukti W M0209031 Jurusan Fisika, Fakultas MIPA Universitas Sebelas Maret Surakarta ABSTRAK Eksperimen ripple tank ini dilakukan dengan mengamati bentuk-bentuk gelombang mekanik yang dihasilkan oleh seperangkat alat ripple tank. Bentuk gelombang yang diamati berupa gelombang datar dan gelombang sferis. Variabel bebas yang dicari yaitu frekuensi dari 10, 20, 30, 40, dan 50 Hz baik untuk gelombang datar maupun gelombang sferis sehingga didapatkan besarnya panjang gelombang untuk tiap-tiap frekuensi. Hasil yang diperoleh berupa hubungan frekuensi dengan panjang gelombangnya, semakin besar frekuensinya semakin kecil panjang gelombangnya. Langkah berikutnya yaitu mengamati bentuk gelombang baik gelombang datar maupun gelombang sferis setelah melewati penghalang bergigi banyak, bergigi tiga, celah tunggal, penghalang segitiga, segiempat, dan lengkung. Dari percobaan diperoleh kecepatan gelombang air pada gelombang datar adalah 0.244 m/s dan gelomabang sferis adalah 0.226 m/s. Kata kunci: ripple tank, gelombang datar, gelombang sferis I. PENDAHULUAN A. LATAR BELAKANG Gelombang didefinisikan sebagai getaran yang merambat melalui medium / perantara. Medium gelombang dapat berupa zat padat, cair, dan gas, misalnya tali, slinki, air, dan udara. Salah satu gejala gelombang yang dapat diamati dengan mudah, yaitu melemparkan batu ke dalam kolam yang airnya tenang, maka pada permukaan air kolam itu akan timbul usikan yang merambat dari tempat batu itu jatuh ke tepi kolam. Usikan yang merambat pada permukaan air tersebut disebut gelombang. Gelombang memiliki sifat difraksi, interferensi, refleksi, refraksi dan polarisasi. Pada interferensi gelombang air yang melalui dua celah sempit, menghasilkan pola gelap terang. Ketika dua sumber gelombang bersuperposisi menghasilkan pola gelap maka dua sumber gelombang tersebut memiliki beda fase yang saling meniadakan (destruktif) dan ketika menghasilkan pola terang maka kedua sumber gelombang tersebut sefase saling menguatkan (konstruktif). Pola gelap terang dapat diamati dengan jelas pada layar pengamatan. Gelombang biasanya dikarakteristikan dengan panjang gelombangnya, kecepatannaya, frekuensinya dan lain-lain B. TUJUAN 1. Mempelajari sifat-sifat gelombang meliputi: a. Bentuk gelombang datar dan gelombang sferis b. Difraksi, refraksi, dll. 2. Menentukan kecepatan gelombang air II. TINJAUAN PUSTAKA Berdasarkan sifat fisisnya, gelombang dikelompokkan berdasarkan arah getarnya, amplitudo, dan medium rambatnya. Berdasarkan arah getarnya gelombang dapat dibedakan menjadi dua, yaitu
a. gelombang longitudinal yang merupakan gelombang yang arah getarannya berimpit dengan arah rambatannya (misalnya gelombang bunyi) b. gelombang transversal yang merupakan gelombang yang arah getarannya tegak lurus dengan arah rambatannya (misalnya gelombang pada tali dan gelombang cahaya). Berdasarkan amplitudonya gelombang dapat dibedakan menjadi dua, yaitu a. gelombang berjalan yang merupakan gelombang dengan amplitudonya tetap pada setiap titik yang dilalui gelombang (misalnya gelombang pada tali) b. gelombang diam/berdiri yang merupakan gelombang yang amplitudonya berubah (misalnya gelombang pada senar gitar yang dipetik). Berdasarkan zat perantara atau medium rambatannya, gelombang dibedakan menjadi dua, yakni a. gelombang mekanik yang merupakan gelombang yang dalam perambatannya memerlukan medium (gelombang air, gelombang pada tali, dan gelombang bunyi) b. gelombang elektromagnetik merupakan gelombang yang dalam perambatannya tanpa memerlukan medium, misalnya gelombang cahaya. (Suharyanto, 2009) (Difraksi merupakan gejala pembelokan (penyebaran) gelombang ketika menjalar melalui celah sempit atau tepi tajam suatu Benda. Difraksi terjadi bila ukuran celah lebih kecil dari panjang gelombang yang melaluinya Anonim, 2011). Pembiasan merupakan pembelokan arah rambat cahaya karena memasuki medium yang kerapatannya berbeda. Indeks bias (n) merupakan perbandingan cepat rambat cahaya dalam ruang hampa terhadap cepat rambat cahaya dalam suatu medium. Secara matematis n= c v dimana n adalah indeks bias, c adalah cepat rambat cahaya dalam ruang hampa (3x10 8 m/s) sedangkan v merupakan cepat rambat cahaya dalam medium tersebut. Semakin besar indeks biasnya, berarti medium itu semakin rapat dan sebaliknya semakin kecil indeks biasnya semakin renggang mediumnya. Menentukan sudut bias n 1 sin i = n 2 sin r n 1 = indeks bias medium 1 i = sudut datang n 2 = indeks bias medium 2 r = sudut bias Sudut kritis Merupakan sudut datang ketika sinar bias sejajar/ berimpit dengan batas medium. Besarnya sudut kritis adalah sin ik = n 2 n 1 dimana ik adalah sudut kritis, n 2 adalah indeks bias medium 2 dan n 1 adalah indeks bias medium 1. Sudut kritis hanya akan dicapai jika sinar datang dari medium yang rapat ke medium yang lebih renggang (Cahkleca,2010). Cristian Huygens menjelaskan bahwa each point on the leading surface of a wave disturbance-the wave front-may be regarded as a secondary source of sperical wave (or wavelets), which themselves progress with the speed of the light in the medium ang whose envelope at a later time constitutes the new wave front. Prinsip ini disebut prinsip Huygens. Prinsip untuk gelombang datar dan sferis ditunjukkan pada gambar (1) berikut:
9. Beberapa penghalang Gambar 1. Ilustrasi prinsip Huygens gelombang datar dan gelombang sferis (Pedrotti, 1993) Prinsip Fermat menyatakan bahwa jika sebuah gelombang merambat dari satu titik ke titik yang lain maka gelombang tersebut akan memilih jarak yang tercepat. Tercepat dalam artian jarak yang akan dilalui oleh sebuah gelombang adalah jarak yang secara waktu tercepat bukan yang terpendek secara jarak. Tidak selamanya yang terpendek itu tercepat (Suwedana, 2010). Dengan demikian jika gelombang melewati sebuah medium yang memiliki variasi kecepatan gelombang seismik, maka gelombang tersebut akan cenderung melalui zona-zona kecepatan tinggi dan menghindari zona-zona kecepatan rendah. III. METODOLOGI PENELITIAN A. ALAT DAN BAHAN Seperangkat alat percobaan Ripple Tank yang terdiri dari: 1. Cermin 2. Selang 3. Power Supply 4. Air 5. Penggaris 6. Sumber cahaya (lampu spektral Hg) 7. Kaca 8. Layar B. CARA KERJA 1. Alat dirangkai alat seperti pada gambar 2. Air dituangkan di atas kaca secukupnya 3. Power supply dihidupkan dan selanjutnya mengatur besar kecilnya angin yang dikeluarkan 4. divariasi sebanyak 5x dengan menggunakan stroboscope 5. Amati gambar gelombang dengan teliti dan diambil gambarnya 6. Data yang diperoleh kemudian dianalisa. C. GAMBAR RANGKAIAN Gambar 2. Rangkaian alat IV. DATA PENELITIAN a. Gelombang Datar 10 2,5 20 1,5 30 1,0 40 0,7 50 0,5
b. Gelombang Sferis 10 2,0 20 1,0 30 0,5 40 0,3 50 0,2 Gambar 5. Gambar 6. V. HASIL DAN PEMBAHASAN Pada eksperimen riplle tank atau percobaan tentang sifat-sifat gelombang bertujuan dapat menunjukkan dan mempelajari sifat sifat gelombang yang terdiri dari bentuk gelombang datardan bentuk gelombang sferis. Percobaan ini dilakukan dengan menggunakan gelombang datar dan gelombang sferis dimana dari masing-masing gelombang tersebut dilakukan variasi frekuensi dan variasi penghalang seperti penghalang yang berbentuk celah satu, gigi tiga, gigi banyak, lengkung, segitiga, dan kotak. Percobaan pertama menggunakan gelombang datar dengan variasi frekuensi. Dari percobaan diperoleh data seperti berikut 10 2,5 20 1,5 30 1,0 40 0,7 50 0,5 Gambar 7. Gambar 3. Gelombang datar pada f=10 Hz Gambar 4. Gelombang datar pada f=20 Hz Gambar 5. Gelombang datar pada f=30 Hz Gambar 6. Gelombang datar pada f=40 Hz Gambar 7 Gelombang datar pada f=50 Hz Selain itu praktikan juga mengamati gelombang datar dengan berbagai jenis penghalang pada frekuensi konstan yakni 10 Hz, yaitu Gambar 8. Gambar 9. Gambar 3. Gambar 4. Gambar 10. Gambar 11.
Dimana λ = v. 1 f Gambar 12. Gambar 13. Gambar 14. Gambar 8. Gelombang datar dengan celah tunggal Gambar 9. Gelombang datar dengan celah banyak Gambar 10. Gelombang datar dengan celah tiga Gambar 11. Gelombang datar dengan celah cekung Gambar 12. Gelombang datar dengan celah cembung Gambar 13. Gelombang datar dengan celah segitiga Gambar 14. Gelombang datar dengan celah segiempat y = m. x + c Dari grafik diperoleh kecepatan gelombang air pada gelombang datar adalah 0.244 m/s. Dari data dan grafik diatas diketahui bahwa frekuensi berbanding terbalik dengan panjang gelombang (1/f ~ λ), hal ini sesuai dengan persamaan v f = λ. Percobaan kedua yaitu menggunakan gelombang sferis / melingkar. Gelombar sferis pada percobaan ini dapat dibuat dengan meletakkan sekrup di dalam air yang terhubung dengan alat pembuat gelombang, sehingga terbentuk gelombang melingkar/sferis. Percobaan ini dilakukan dengan variasi frekuensi dan menentukan panjang gelombang yang nantinya akan didapat kecepatan gelombang air dari grafik λ vs 1/f. dari percobaan diperoleh data seperti berikut 10 2,0 20 1,0 30 0,5 40 0,3 50 0,2 Dari data diatas dapat dibuat grafik hubungan antara 1/f vs λ 0.030 0.025 0.020 0.015 0.010 0.005 0.000 Grafik 1/f vs λ y = 0.244x + 0.001 0 0.05 0.1 0.15 Gambar 15. Gambar 16. Grafik 1. Garfik λ vs 1/f pada gelombang datar Gambar 17. Gambar 18.
Gambar 19. Gambar15. Gelombang sferis, f=10 Hz Gambar16. Gelombang sferis, f=20 Hz Gambar 17. Gelombang sferis, f=30 Hz Gambar 18. Gelombang sferis, f=40 Hz Gambar 19. Gelombang sferis, f=50 Hz Selain itu praktikan juga mengamati gelombang datar dengan berbagai jenis penghalang pada frekuensi konstan yakni 10 Hz, yaitu Gambar 26. Gambar 20. Gelombang sferis dengan celah tunggal Gambar 21. Gelombang sferis dengan celah banyak Gambar 22. Gelombang sferis dengan celah tiga Gambar 23. Gelombang sferis dengan celah cembung Gambar 24. Gelombang sferis dengan celah cekung Gambar 25. Gelombang sferis dengan celah segitiga Gambar 26. Gelombang sferis dengan celah segiempat Gambar 20. Gambar 21. 0.025 0.020 0.015 0.010 0.005 0.000 grafik 1/f vs λ y = 0.226x - 0.002 0 0.05 0.1 0.15 Gambar 22. Gambar 23. Gambar 24. Gambar 25. Grafik 2. Garfik λ vs 1/f pada gelombang sferis Dari data yang diperoleh, maka dapat dibuat grafik hubungan antara 1/f dengan λ. Maka besarnya kecepatan gelombang dapat dilihat dari gradien garisnya. Kecepatan gelombang air pada gelombang sferis ini adalah 0.226 m/s. Pada gelombang datar dengan a. penghalang bergigi tunggal, banyak, dan tiga, gelombang yang datang melewati penghalang maka gelombang akan diteruskan.
b. penghalang segiempat terjadi peristiwa refleksi karena indeks bias air lebih kecil dari indeks bisa besi segiempat. c. penghalang cekung, cembung dan segitiga gelombang berlaku Hukum Fermat yakni gelombang akan memilih jarak tercepat atau terdekat ketika melewati bidang penghalang, dengan penghalang cekung gelombang datang akan dikumpulkan dan sebaliknya penghalang cembung gelombang datang akan disebarkan) Pada gelombang sferis dengan a. penghalang segiempat terjadi peristiwa refleksi karena indeks bias air lebih kecil dari indeks bisa besi segiempat. b. penghalang cekung, cembung dan segitiga gelombang berlaku Hukum Fermat yakni gelombang akan memilih jarak tercepat atau terdekat ketika melewati bidang penghalang, diaman dengan penghalang cekung gelombang datang akan dikumpulkan dan sebaliknya penghalang cembung gelombang datang akan disebarkan. c. penghalang tunggal bergigi banyak dan gigi tiga, gelombang datang yang melewati penghalang akan didifraksikan sesuai prinsip Hyugens Prinsip Hyugens menyatakan bahwa setiap muka gelombang dapat dianggap memproduksi gelombang-gelombang baru yang panjang gelombangnya sama dengan panjang gelombang sebelumnya. Pada saat melewati celah kecil, muka gelombang akan menimbulkan gelombang gelombang baru sehingga gelombang tidak mengalir lurus saja, tetapi juga menyebar, sedangkan pada penghalang celah tunggal akan terjadi superposisi dua gelomabang setelah mengenai penghalang atau terjadi interferensi. Dalam pengukuran panjang gelombang, baik gelombang datar maupun sferis hanya menggunakan mistar. Hal ini sangat sulit untuk menetukan panjang gelombangnya dengan akurat, karena gelombang terus berjalan secara kontinyu. Pengukuran yang dilakukan hanya sebatas mentafsir atau mengkira-kira ukuran panjang gelombang yang berjalan atau merambat. VI. VII. KESIMPULAN 1. Percobaan ripple tank yaitu mengamati bentuk gelombang mekanik yang berupa gelombang datar dan gelombang sferis ketika melalui penghalang (celah tunggal, bergigi tiga, bergigi banyak, segi empat, segi tiga, dan lengkung) yang bersesuaian dengan Hukum Fermat dan Prinsip Hyugens. Serta mengamati peristiwa difraksi, refleksi, maupun interferensi yang menimbulkan pola gelap terang. 2. Semakin besar frekuensi, maka panjang gelombang semakin kecil (frekuensi berbanding terbalik dengan panjang gelommbang) DAFTAR PUSTAKA Anonim.2011 (http//:file.upi.edu/../bab7-3_intdifx.pdf Diakses pada 16 Oktober 2011) Cahkleca. 2010. Pembiasan. Online (http://cahkleca.blogspot.com/2010/04 /pembiasan.htm. diakses tanggal 17 oktober 2011). Pedrotti, Frank L. 1993. Introduction To Optics. London: Prentice-Hall International. Suharyanto, dkk. 2009. Fisika untuk Kelas XII SMA dan MA. Jakarta: Pusat perbukuan. Suwedana. 2010. Prinsip Fermat. Online, (http://suwedana.wordpress.com/2010 /04/07/prinsip-fermat/diakses tanggal 19 Oktober 2011)