Ciri-Ciri Gelombang Mekanik - Simpangan dan Sifat-Sifatnya

Materi dasar gelombang mekanik dan ciri-cirinya
Dengan mempelajari konsep gelombang mekanik akan diketahui penyebab bunyi gitar.

Kalian pasti sudah tidak asing lagi dengan alat musik gitar. Instrumen ini dapat menghasilkan suara karena adanya vibrasi pada senar gitar yang menghasilkan gelombang mekanik.

Nah tapi, sebelum kita bahas tentang penyebab munculnya bunyi lebih lanjut, coba perhatikan fenomena yang mungkin tukang iseng sering lihat berikut ini.

Daftar Isi

Gelombang Mekanik

Air tenang di dalam ember akan menghasilkan suatu riak ketika kita sentuh salah satu titik permukaan airnya.

Bentuk riak itu terbentuk karena salah satu titiknya disentuh tersebut mengalami osilasi.

Akibatnya, membuat partikel-partikel disampingnya ikut mengalami osilasi juga, dan terbentuklah bentuk berupa gelombang.

Dalam fisika, gelombang punya makna tersendiri, bentuk berupa puncak dan lembah secara berulang atau periodis merupakan salah satu wujud dari gelombang.

Kerangka berpikirnya sederhana saja, kalau salah satu titik, misal air di dalam ember seperti sebelumnya disentuh sehingga bergerak, maka menyebabkan partikel-partikelnya sekitarnya ikut bergerak.

Tetesan air menyebabkan munculnya riak pada permukaan air berupa gelombang

Mengingat gerak merupakan wujud dari energi, maka ada rambatan energi pada permukaan air tersebut, dan itulah makna dari gelombang.

Nah, balik lagi ke contoh gitar sebelumnya, vibrasi oleh senar gitar membuat adanya getaran pada udara sehingga timbul bunyi.

Mungkin tukang iseng sempat kepikiran, kira-kira kalau kita main gitar apakah bakal muncul gelombang kayak riakan air di udara gak ya?

Jawabannya ada gelombang, namun tidak berbentuk seperti riakan air.

Gelombang yang dibentuk oleh getaran senar tidak berupa puncak dan lembah, namun berupa rapatan dan renggangan.

Gelombang longitudinal berupa rapatan dan regangan

Gelombang berupa lembah dan puncak disebut sebagai gelombang transversal. Sedangkan yang berupa rapatan dan renggangan adalah gelombang longitudinal.

Baik riakan air ataupun suara gitar yang tadi disebutkan, keduanya menggerakkan suatu perantara.

Satu diantaranya menggunakan air, satunya lagi menggunakan udara. Lah, kalau di ruang hampa gimana?

Nah ini, gelombang yang memerlukan perantara atau medium disebut gelombang mekanik.

Tapi ada pula yang tidak memerlukan medium, disebut sebagai gelombang elektromagnetik, salah satu contohnya adalah gelombang cahaya.

Gelombang Transversal

Gerakkan naik turun pada riakkan air mirip seperti gerak benda pada pembahasan tentang getaran harmonis. Gerak ini juga sama-sama sifatnya periodis, alias berulang-ulang.

Oleh karena itu, dapat kita representasikan juga secara matematis dengan persamaan sinus.

Nah tapi bedanya gini, kalau pada getaran harmonis kita punya satu objek atau satu titik yang bergerak. Pada gelombang kita punya banyak titik yang bergetar.

Artinya kalau kita mau mengekspresikannya secara matematis, maka fungsinya akan berupa lokasi berupa titik yang ingin diketahui, misal simpangannya, dan juga waktu.

Jika direprentasikan dengan fungsi sinusoid artinya ada beberapa hal yang memparametrisasi suatu bentuk sinusoid.

Pertama. yaitu seberapa sering naik turun dilakukan alias frekuensi ω.

Kemudian karena posisi mempunyai satuan meter, kita perlu hal yang merubahnya dari satuan meter, anggap dengan konstanta k.

Rumus Simpangan

Karena fungsi sinus memiliki amplitudo sebesar 1, tentu kita perlu pengali didepannya, misal A.

Tujuannya supaya nilai maksimal dan minimalnya gak sebatas 1 dan -1, bisa menjadi A dan -A.

Bisa dipahami ya wahai tukang iseng mengapa persamaannya mengandung parameter-parameter seperti berikut:

y(x,t) = A\,\sin(kx-\omega t)

Di mana:

  • A (m) adalah amplitudo gelombang.
  • x (m) merupakan posisi yang ingin diketahui simpangannya.
  • ω (rad/s) adalah frekuensi gelombang.
  • t (s) merupakan pada detik keberapa simpangan ingin diketahui.
  • k (m-1) adalah konstanta gelombang.

Pertanyaannya sekarang, bagaimana nilai k ditentukan? Saya kasih clue aja, nilai sinus selalu berulang setiap satu panjang gelombang λ.

Artinya ada kesamaan antara y(x,t) dengan y(x+λ, t), samakan kedua ruas kalian bisa dapatkan:

k = \frac{2\pi}{\lambda}

Kalau k dapat diketahui, apakah ω dapat ditentukan?

Clue-nya sama, hanya saja kali ini parameternya adalah waktu, nilai sinus selalu sama setiap satu periode T.

Maksudnya, ada kesamaan antara y(x,t) dengan y(x, t + T), akan didapat:

\omega = \frac{2\pi}{T}
Rumus simpangan gelombang transversal

Simpangan Longitudinal

Untuk gelombang longitudinal sejatinya regangan dan rapatan sendiri dapat dimodelkan dengan persamaan trigonometri juga, yakni sebagai berikut:

d(x,t) = A\,\cos\left(kx-\omega t\right)

Penjelasan variabelnya sama seperti sebelumnya.

Kita gak bakal bahas ini lebih lanjut karena bakal dibahas secara tersendiri nanti, pada pembahasan mengenai gelombang bunyi.

Sifat-Sifat Gelombang

Gelombang juga bisa berinteraksi dengan lingkungan sekitar, dia mempunyai karakteristiknya tersendiri berikut adalah sifat-sifatnya.

Pemantulan

Kita paham bahwa, benda-benda dimuka bumi ini, misal bola, itu dapat memantul (ke tembok, lantai, atau apapun itu). Nah, gelombang juga bisa memantul.

Pemantulan gelombang dengan ujung tali diikat

Apabila diperhatikan ilustrasi di atas, tentu tali di salah satu ujungnya dapat diikat ataupun dibebaskan, pastinya akan menghasilkan pantulan berbeda.

Ketika ujungnya diikat, maka gelombang yang semula berbentuk puncak artinya memberikan gaya ke atas pada tembok.

Berdasarkan hukum Newton III, maka tembok akan memberikan gaya berlawanan, dengan demikian gelombangnya berubah menjadi lembah.

Kemudian ketika ujungnya dilepas, dengan asumsi batang licin, maka gelombang yang semula ke atas akan tetap ke atas hanya saja berlawanan arahnya.

Hal ini disebabkan karena, ujung yang bebas tersebut seolah-olah berperan seperti tangan kita ketika memberikan gelombang, namun arah rambatnya berkebalikan.

Pemantulan gelombang dengan ujung tali dilepas

Menarik untuk diketahui ketika adanya pantulan gelombang, karena di satu sisi kita juga terus menghasilkan gelombang dari sisi lainnya.

Bagaimana jadinya ketika dua gelombang identik saling berlawanan arah bertemu?

Ujung Diikat

Oke, misal gelombang 1 y1(x,t) dari sumber atau dihasilkan oleh tangan, dan gelombang 2 y2(x,t) hasil pantulan.

Simpangan dari resultannya adalah jumlahan dari simpangan oleh masing-masing gelombang. Jika masing-masing amplitudo sama, maka:

y_r(x,t) = y_1(x,t) + y_2(x,t) = A\,\sin(kx-\omega t) + A\,\sin(kx+\omega t)

Dengan sedikit manipulasi menggunakan identitas trigonometri didapat:

y_r(x,t) = 2A\,\sin\,kx\,cos\,\omega t

Ujung Dilepas

Apa jadinya ketika dua gelombang saling berlawanan fase seperti pada ujung tali yang dilepas?

Maka resultannya saling meniadakan alias bernilai nol, pada titik di mana pada ujung diikat memberikan amplitudo terbesar.

Dapat dilihat juga dari persamaan sebelumnya, ketika y2(x,t) berbeda fase sejauh 180°.

Seperti ini jadinya:

y_r(x,t) = y_1(x,t) + y_2(x,t) = A\,\sin(kx-\omega t) + A\,\sin(kx+\omega t - 180^{\circ})
\begin{align*} &= A\,\sin(kx-\omega t) - A\,\sin(kx+\omega t)\\ &= 2A\,\cos((kx-\omega t + kx+\omega t)/2)\sin((kx-\omega t - (kx+\omega t))/2)\\ &= -2A\,\cos(kx)\sin(\omega t)\end{align*}

Berdasarkan kedua rumus tersebut, dapat dilihat bahwa, untuk ujung diikat simpangan terbesar dicapai ketika t = T/2.

Sedangkan ujung dilepas, pada waktu tersebut justru tidak ada simpangan.

Pembiasan

Pada gelombang mekanik memang agak jarang untuk memberikan contohnya dari fenomena pembiasan atau refraksi.

Kalau pada gelombang elektromagnetik, misalnya cahaya, maka contohnya yaitu fenomena ketika suatu benda dicelupkan setengah badan.

Bayangin sebuah pensil sebagiannya tercelup, maka akan terlihat seolah-olah pensil tersebut tertekuk.

Pembiasan pensil karena berada di dua medium berbeda

Hal tersebut terjadi karena adanya dua medium berbeda (udara dan air) dilalui oleh cahaya.

Sedangkan contoh pada gelombang mekanik, misal gelombang bunyi, perubahan medium mengakibatkan perbedaan kecepatan gelombang, alhasil menyebabkan gelombang berbelok.

Makanya kalau di malam hari pada kondisi tertentu, bunyi yang dihasilkan oleh sumber apapun terkadang lebih jelas terdengar (faktor selain karena malam itu sunyi).

Refraksi yang terjadi dapat membuat gelombang bunyi yang mulanya menyebar menjadi berbelok. Sehingga seolah-olah berfokus pada seseorang yang mendengarkannya.

Difraksi

Lagi-lagi contohnya paling enak pakai cahaya, mungkin karena cahaya itu nampak di mata jadi gampang nyari contohnya ya.

Jadi, difraksi ini adalah pelaku mengapa saat sore-sore langit berwarna oranye.

Hal ini terjadi karena banyaknya debu-debu di atmosfer. Sehingga cahaya melalui celah-celah lubang antara partikel debu tersebut menyebabkan cahaya menjadi tersebar spektrumnya. Nanti ngerti lah istilah-istilah ini pada pembahasan mengenai cahaya.

Untuk contoh gelombang mekaniknya, dapat ditunjukkan melalui eksperimen dengan sedikit modifikasi menggunakan tangki riak.

Eksperimen ini menggunakan tangki sebagai wadah penyimpanan air, lalu salah satu permukaannya digetarkan. Biasanya dilakukan secara otomatis menggunakan motor DC.

Sifat difraksinya dapat diamati dengan membuat celah pada sebuah halangan.

Interferensi

Nah kalau sifat satu ini terjadi pada contoh tali yang telah dibahas sebelum-sebelumnya.

Yakni ketika tali digetarkan dan ujungnya ada yang diikat dan ada pula yang dibebaskan. Intinya interferensi adalah penggabungan antara dua gelombang.

Superposisi sendiri merupakan konsep yang lebih umum dari interferensi. Dikatakan interferensi apabila kedua gelombangnya identik dari segi frekuensi, panjang gelombang, hingga amplitudonya.

Interferensi ini ada yang bersifat destruktif alias saling meniadakan, seperti ketika ujungnya diikat pada t = T/2. Amplitudonya dapat mengecil atau bisa juga menghilang.

Kalau yang bersifat konstruktif, yaitu ketika ujungnya dibebaskan saat t = T/2, sehingga hasil superposisinya menjadi suatu simpangan dengan amplitudo yang lebih besar.

Apabila amplitudo awalnya adalah A maka hasil superposisinya dikatakan:

  • Desktruktif jika amplitudonya < A.
  • Konstruktif jika amplitudonya > A.
Sifat-sifat gelombang mekanik
Label

Komentar

Search icon