GELOMBANG MEKANIS: KARAKTERISTIK, SIFAT, RUMUS, JENIS - FISIK - 2024

Sebuah gelombang mekanik adalah gangguan yang memerlukan media fisik untuk menyebarkan. Contoh terdekat adalah suara, yang dapat ditransmisikan melalui gas, cairan, atau padatan.

Gelombang mekanis terkenal lainnya adalah yang dihasilkan ketika senar kencang alat musik dipetik. Atau riak melingkar yang biasanya disebabkan oleh lemparan batu ke dalam kolam.

Gambar 1. Senar kencang alat musik bergetar dengan gelombang melintang. Sumber: Pixabay.

Gangguan berjalan melalui medium menghasilkan berbagai perpindahan partikel yang menyusunnya, tergantung pada jenis gelombangnya. Saat gelombang lewat, setiap partikel dalam medium membuat gerakan berulang yang memisahkannya sebentar dari posisi kesetimbangannya.

Durasi gangguan tergantung pada energinya. Dalam gerakan gelombang, energi yang merambat dari satu sisi medium ke sisi lainnya, karena partikel yang bergetar tidak pernah menyimpang terlalu jauh dari tempat asalnya.

Gelombang dan energi yang dibawanya dapat menempuh jarak yang sangat jauh. Ketika gelombang menghilang, itu karena energinya akhirnya menghilang di tengah, meninggalkan segalanya setenang dan diam seperti sebelum gangguan.

Jenis gelombang mekanis

Gelombang mekanis diklasifikasikan menjadi tiga kelompok utama:

- Gelombang transversal.

- Gelombang longitudinal.

- Gelombang permukaan.

Gelombang transversal

Dalam gelombang geser, partikel bergerak tegak lurus dengan arah rambat. Misalnya, partikel string pada gambar berikut berosilasi secara vertikal sementara gelombang bergerak dari kiri ke kanan:

Gambar 2. Gelombang transversal dalam sebuah string. Arah perambatan gelombang dan arah gerak suatu partikel adalah tegak lurus. Sumber: Sharon Bewick

Gelombang longitudinal

Dalam gelombang longitudinal arah rambat dan arah pergerakan partikel adalah paralel.

Gambar 3. Gelombang longitudinal. Sumber: Polpol

Gelombang permukaan

Dalam gelombang laut, gelombang longitudinal dan gelombang transversal digabungkan di permukaan, sehingga menjadi gelombang permukaan, berjalan di perbatasan antara dua media yang berbeda: air dan udara, seperti yang ditunjukkan pada gambar berikut.

Gambar 4. Gelombang laut yang menggabungkan gelombang longitudinal dan transversal. Sumber: dimodifikasi dari Pixabay.

Saat memecah gelombang di pantai, komponen longitudinal mendominasi. Oleh karena itu, diamati bahwa alga di dekat pantai memiliki gerakan maju mundur.

Contoh dari jenis gelombang yang berbeda: gerakan seismik

Selama gempa bumi, berbagai jenis gelombang dihasilkan yang bergerak di seluruh dunia, termasuk gelombang longitudinal dan gelombang transversal.

Gelombang seismik longitudinal disebut gelombang P, sedangkan gelombang transversal disebut gelombang S.

Penunjukan P disebabkan oleh fakta bahwa mereka adalah gelombang tekanan dan juga primer ketika tiba pertama kali, sedangkan yang melintang adalah S untuk "geser" atau geser dan juga sekunder, karena mereka tiba setelah P.

Karakteristik dan sifat

Gelombang kuning pada Gambar 2 adalah gelombang periodik, terdiri dari gangguan identik yang bergerak dari kiri ke kanan. Perhatikan bahwa a dan b memiliki nilai yang sama di setiap daerah gelombang.

Gangguan gelombang periodik berulang baik dalam waktu maupun ruang, mengadopsi bentuk kurva sinusoidal yang ditandai dengan memiliki puncak atau puncak, yang merupakan titik tertinggi, dan lembah tempat titik terendah berada.

Contoh ini akan berfungsi untuk mempelajari karakteristik terpenting dari gelombang mekanis.

Amplitudo gelombang dan panjang gelombang

Dengan asumsi gelombang pada gambar 2 mewakili string bergetar, garis hitam berfungsi sebagai referensi dan membagi rangkaian gelombang menjadi dua bagian simetris. Garis ini akan bertepatan dengan posisi tali diistirahatkan.

Nilai a disebut amplitudo gelombang dan biasanya dilambangkan dengan huruf A. Untuk bagiannya, jarak antara dua lembah atau dua puncak yang berurutan adalah panjang gelombang l dan sesuai dengan besaran yang disebut b pada gambar 2.

Periode dan frekuensi

Menjadi fenomena berulang dalam waktu, gelombang memiliki periode T yang merupakan waktu yang diperlukan untuk menyelesaikan siklus lengkap, sedangkan frekuensi f adalah kebalikan atau kebalikan dari periode dan sesuai dengan jumlah siklus yang dilakukan per unit waktu .

Frekuensi f memiliki sebagai unit dalam Sistem Internasional kebalikan dari waktu: s ^-1 atau Hertz, untuk menghormati Heinrich Hertz, yang menemukan gelombang radio pada tahun 1886. 1 Hz diartikan sebagai frekuensi yang setara dengan satu siklus atau getaran per kedua.

Kecepatan v gelombang menghubungkan frekuensi dengan panjang gelombang:

v = λ.f = l / T

Frekuensi sudut

Konsep berguna lainnya adalah frekuensi sudut ω yang diberikan oleh:

ω = 2πf

Kecepatan gelombang mekanis berbeda-beda tergantung pada media yang mereka tempuh. Sebagai aturan umum, gelombang mekanis memiliki kecepatan yang lebih tinggi ketika bergerak melalui benda padat, dan lebih lambat dalam bentuk gas, termasuk atmosfer.

Secara umum, kecepatan berbagai jenis gelombang mekanis dihitung dengan ekspresi berikut:

Misalnya, untuk gelombang yang bergerak di sepanjang tali busur, kecepatannya diberikan oleh:

Tegangan pada tali cenderung mengembalikan tali ke posisi kesetimbangannya, sedangkan kerapatan massa mencegah hal ini terjadi dengan segera.

Rumus dan persamaan

Persamaan berikut berguna dalam menyelesaikan latihan berikut:

Frekuensi sudut:

ω = 2πf

Titik:

T = 1 / f

Kepadatan linier massa:

v = λ.f

v = λ / T

v = λ / 2π

Kecepatan gelombang yang merambat dalam sebuah string:

Contoh yang Berhasil

Latihan 1

Gelombang sinusoidal pada Gambar 2 bergerak searah sumbu x positif dan memiliki frekuensi 18,0 Hz, diketahui 2a = 8,26 cm dan b / 2 = 5,20 cm. Temukan:

a) Amplitudo.

b) Panjang gelombang.

c) Periode.

d) Kecepatan gelombang.

Larutan

a) Amplitudo adalah a = 8,26 cm / 2 = 4,13 cm

b) Panjang gelombang adalah l = b = 2 x20 cm = 10,4 cm.

c) Periode T adalah kebalikan dari frekuensi, oleh karena itu T = 1 / 18.0 Hz = 0.056 s.

d) Kecepatan gelombang adalah v = lf = 10,4 cm. 18 Hz = 187,2 cm / dtk.

Latihan 2

Kawat tipis sepanjang 75 cm memiliki massa 16,5 g. Salah satu ujungnya dipasang ke paku, sementara yang lain memiliki sekrup yang memungkinkan ketegangan pada kawat disesuaikan. Menghitung:

a) Kecepatan gelombang ini.

b) Tegangan dalam newton yang diperlukan untuk gelombang transversal yang panjang gelombangnya 3,33 cm untuk bergetar dengan kecepatan 625 siklus per detik.

Larutan

a) Menggunakan v = λ.f, berlaku untuk setiap gelombang mekanik dan mengganti nilai numerik, kita mendapatkan:

v = 3,33 cm x 625 siklus / detik = 2081,3 cm / s = 20,8 m / s

b) Kecepatan gelombang yang merambat melalui string adalah:

Tegangan T dalam tali diperoleh dengan menaikkannya menjadi kuadrat ke kedua sisi persamaan dan menyelesaikan:

T = v ² .μ = 20,8 ² . 2,2 x 10 ^-6 N = 9,52 x 10 ^-4 N.

Suara: gelombang longitudinal

Suara adalah gelombang longitudinal, sangat mudah divisualisasikan. Yang Anda butuhkan hanyalah slinky, pegas heliks fleksibel yang dengannya banyak eksperimen dapat dilakukan untuk menentukan bentuk gelombang.

Gelombang longitudinal terdiri dari pulsa yang secara bergantian memampatkan dan memperluas medium. Area yang dikompresi disebut "kompresi" dan area di mana gulungan pegas berjarak paling jauh disebut "ekspansi" atau "penghalusan". Kedua zona tersebut bergerak sepanjang sumbu aksial slinky dan membentuk gelombang longitudinal.

Gambar 5. Gelombang longitudinal merambat di sepanjang pegas heliks. Sumber: buatan sendiri.

Dengan cara yang sama saat satu bagian pegas dikompresi dan bagian lainnya meregang saat energi bergerak bersama gelombang, suara memampatkan bagian udara yang mengelilingi sumber gangguan. Karena alasan itu ia tidak dapat merambat dalam ruang hampa.

Untuk gelombang longitudinal, parameter yang dijelaskan sebelumnya untuk gelombang periodik transversal sama-sama valid: amplitudo, panjang gelombang, periode, frekuensi, dan kecepatan gelombang.

Pada Gambar 5, panjang gelombang gelombang longitudinal yang merambat di sepanjang pegas kumparan ditampilkan.

Di dalamnya, dua titik yang terletak di tengah dua kompresi berturut-turut telah dipilih untuk menunjukkan nilai panjang gelombang.

Kompresi setara dengan puncak dan ekspansi setara dengan lembah dalam gelombang transversal, karenanya gelombang suara juga dapat diwakili oleh gelombang sinusoidal.

Ciri-ciri suara: frekuensi dan intensitas

Suara adalah jenis gelombang mekanis dengan beberapa sifat yang sangat khusus, yang membedakannya dari contoh yang telah kita lihat sejauh ini. Selanjutnya kita akan melihat properti apa yang paling relevan.

Frekuensi

Frekuensi suara dianggap oleh telinga manusia sebagai suara bernada tinggi (frekuensi tinggi) atau suara rendah (frekuensi rendah).

Rentang frekuensi yang dapat didengar di telinga manusia adalah antara 20 dan 20.000 Hz. Di atas 20.000 Hz adalah suara yang disebut ultrasound dan di bawah infrasonik, frekuensi tidak terdengar bagi manusia, tetapi anjing dan hewan lain dapat mengetahuinya dan gunakan.

Misalnya, kelelawar memancarkan gelombang ultrasonik dari hidungnya untuk menentukan lokasinya dalam kegelapan dan juga untuk komunikasi.

Hewan-hewan ini memiliki sensor yang dengannya mereka menerima gelombang yang dipantulkan dan entah bagaimana menginterpretasikan waktu tunda antara gelombang yang dipancarkan dan gelombang yang dipantulkan serta perbedaan frekuensi dan intensitasnya. Dengan data ini mereka menyimpulkan jarak yang telah mereka tempuh, dan dengan cara ini mereka dapat mengetahui di mana serangga itu berada dan terbang di antara celah-celah gua yang mereka huni.

Mamalia laut seperti paus dan lumba-lumba memiliki sistem yang serupa: mereka memiliki organ khusus yang berisi lemak di kepala mereka, yang dengannya mereka mengeluarkan suara, dan sensor yang sesuai di rahang mereka yang mendeteksi suara yang dipantulkan. Sistem ini dikenal sebagai ekolokasi.

Intensitas

Intensitas gelombang suara didefinisikan sebagai energi yang diangkut per satuan waktu dan per satuan luas. Energi per satuan waktu adalah tenaga. Oleh karena itu intensitas suara adalah daya per satuan luas dan datang dalam watt / m ² atau W / m ² . Telinga manusia melihat intensitas gelombang sebagai volume: semakin keras musiknya, semakin keras jadinya.

Telinga mendeteksi intensitas antara 10 ^-12 dan 1 W / m ² tanpa merasakan nyeri, tetapi hubungan antara intensitas dan volume yang dirasakan tidak linier. Untuk menghasilkan suara dengan volume dua kali lipat dibutuhkan gelombang dengan intensitas 10 kali lipat.

Tingkat intensitas suara adalah intensitas relatif yang diukur dalam skala logaritmik, di mana satuannya adalah bel dan lebih sering lagi desibel atau desibel.

Tingkat intensitas suara dilambangkan sebagai β dan diberikan dalam desibel dengan:

β = 10 log (I / I _o )

Dimana I adalah intensitas suara dan saya _o adalah tingkat referensi yang diambil sebagai ambang pendengaran pada 1 x 10 ^-12 W / m ² .

Eksperimen praktis untuk anak-anak

Anak-anak dapat belajar banyak tentang gelombang mekanik sambil bersenang-senang. Berikut ini beberapa eksperimen sederhana untuk melihat bagaimana gelombang memancarkan energi, yang dapat dimanfaatkan.

-Experiment 1: Intercom

bahan

- 2 gelas plastik yang tingginya jauh lebih besar dari diameternya.

- Kabel kuat antara 5 dan 10 meter.

Praktekkan

Tusuk bagian dasar kacamata untuk melewati benang dan kencangkan dengan simpul di setiap ujungnya agar benang tidak lepas.

- Setiap pemain mengambil gelas dan berjalan lurus, memastikan utasnya tetap kencang.

- Salah satu pemain menggunakan gelasnya sebagai mikrofon dan berbicara kepada rekannya, yang tentunya harus menempelkan gelasnya ke telinga untuk mendengarkan. Tidak perlu berteriak.

Pendengar akan segera memperhatikan bahwa suara pasangannya ditransmisikan melalui utas yang kencang. Jika utas tidak kencang, suara teman Anda tidak akan terdengar dengan jelas. Anda juga tidak akan mendengar apa pun jika Anda memasukkan benang langsung ke telinga Anda, kaca perlu untuk mendengarkan.

Penjelasan

Kita tahu dari bagian sebelumnya bahwa tegangan pada tali mempengaruhi kecepatan gelombang. Transmisi juga tergantung pada material dan diameter kapal. Ketika pasangan berbicara, energi suaranya ditransmisikan ke udara (gelombang longitudinal), dari sana ke dasar kaca dan kemudian sebagai gelombang transversal melalui benang.

Benang mentransmisikan gelombang ke dasar wadah pendengar, yang bergetar. Getaran ini ditransmisikan ke udara dan diterima oleh gendang telinga dan diinterpretasikan oleh otak.

-Percobaan 2: Mengamati ombak

Praktekkan

Slinky, pegas heliks fleksibel yang dengannya berbagai jenis gelombang dapat dibentuk, terletak di atas meja atau permukaan datar.

Gambar 6. Pegas heliks untuk dimainkan, dikenal sebagai slinky. Sumber: Pixabay.

Gelombang longitudinal

Ujung-ujungnya dipegang, satu di masing-masing tangan. Impuls horizontal kecil kemudian diterapkan ke salah satu ujung dan pulsa diamati untuk merambat di sepanjang pegas.

Anda juga dapat meletakkan salah satu ujung slinky pada penyangga atau meminta pasangan untuk memegangnya, cukup regangkan. Dengan cara ini, ada lebih banyak waktu untuk mengamati bagaimana kompresi dan ekspansi mengikuti satu sama lain yang merambat dari satu ujung pegas ke ujung lainnya dengan cepat, seperti yang dijelaskan di bagian sebelumnya.

Gelombang transversal

Slinky juga dipegang di satu ujung, cukup meregangkannya. Ujung bebas diberi sedikit goyangan dengan menggoyangkannya ke atas dan ke bawah. Denyut sinusoidal diamati berjalan di sepanjang pegas dan punggung.

Referensi

1. Giancoli, D. (2006). Fisika: Prinsip dengan aplikasi. Edisi Keenam. Prentice Hall. 308- 336.
2. Hewitt, Paul. (2012). Ilmu Fisika Konseptual. Edisi Kelima. Pearson. 239-244.
3. Rex, A. (2011). Dasar-dasar Fisika. Pearson. 263-273.