Gelombang mekanik: ciri-ciri, sifat, rumus, jenis

Gelombang mekanik adalah gangguan yang memerlukan media fisik untuk menyebarkannya. Contoh terdekat adalah dalam suara, yang dapat ditransmisikan melalui gas, cairan, atau padatan.

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

Gambar 1. Senar tegang alat musik bergetar dengan gelombang transversal. Sumber: Pixabay.

Gangguan berjalan melalui media menghasilkan berbagai perpindahan dalam partikel yang menyusunnya, tergantung pada jenis gelombang. Saat gelombang lewat, setiap partikel dalam medium membuat gerakan berulang yang secara singkat memisahkannya dari posisi setimbangnya.

Durasi gangguan tergantung pada energinya. Dalam gerakan gelombang, energi adalah apa 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 berakhir di tengah, meninggalkan semuanya tenang dan sunyi seperti sebelum gangguan.

Jenis gelombang mekanik

Gelombang mekanik diklasifikasikan menjadi tiga kelompok utama:

– Gelombang transversal.

– Gelombang longitudinal.

– Gelombang permukaan.

Gelombang transversal

Pada gelombang geser, partikel bergerak tegak lurus terhadap arah rambat. Misalnya, partikel dawai pada gambar berikut berosilasi vertikal sementara gelombang bergerak dari kiri ke kanan:

Gambar 2. Gelombang transversal pada tali. Arah rambat gelombang dan arah gerak partikel individu tegak lurus. Sumber: Sharon Bewick [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]

Gelombang longitudinal

Pada gelombang longitudinal arah rambat dan arah gerak partikel sejajar.

Gambar 3. Gelombang longitudinal. Sumber: Polpol [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]

Gelombang permukaan

Dalam gelombang laut, gelombang longitudinal dan gelombang transversal digabungkan di permukaan, sehingga mereka adalah gelombang permukaan, berjalan di perbatasan antara dua media yang berbeda: air dan udara, seperti yang dapat dilihat 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. Untuk alasan ini, diamati bahwa ganggang di dekat pantai memiliki gerakan bolak-balik.

Contoh berbagai jenis gelombang: gerakan seismik

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

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

Penunjukan P adalah karena fakta bahwa mereka adalah gelombang tekanan dan juga primer ketika tiba lebih dulu, sedangkan yang transversal adalah S untuk “geser” atau geser dan juga sekunder, karena mereka tiba setelah P.

Ciri-ciri dan sifat

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

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

Contoh ini akan berfungsi untuk mempelajari ciri-ciri paling penting dari gelombang mekanik.

Amplitudo gelombang dan panjang gelombang

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

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 melakukan satu siklus lengkap, sedangkan frekuensi f adalah kebalikan atau kebalikan dari periode dan sesuai dengan jumlah siklus yang dilakukan per unit gelombang. 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 ditafsirkan sebagai frekuensi yang setara dengan satu siklus atau getaran per detik.

Kecepatan v gelombang menghubungkan frekuensi dengan panjang gelombang:

v =.f = l / T

Frekuensi sudut

Konsep lain yang berguna adalah frekuensi sudut yang diberikan oleh:

= 2πf

Kecepatan gelombang mekanik berbeda tergantung pada media di mana mereka melakukan perjalanan. Sebagai aturan umum, gelombang mekanik memiliki kecepatan lebih tinggi ketika merambat melalui benda padat, dan lebih lambat dalam gas, termasuk atmosfer.

Secara umum, kecepatan banyak jenis gelombang mekanik dihitung dengan ekspresi berikut:

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

Tegangan tali cenderung mengembalikan tali ke posisi setimbangnya, sedangkan rapat massa mencegah hal ini terjadi segera.

Rumus dan persamaan

Persamaan berikut berguna untuk menyelesaikan latihan berikut:

Frekuensi sudut:

= 2πf

Periode:

T = 1 / f

Kepadatan linier massa:

v =.f

v = / T

v = / 2π

Kecepatan rambat gelombang dalam seutas tali:

Contoh yang Dikerjakan

Latihan 1

Gelombang sinus pada Gambar 2 merambat searah sumbu x positif dan mempunyai frekuensi 18,0 Hz Diketahui 2a = 8,26 cm dan b/2 = 5,20 cm. Bertemu:

a) Amplitudo.

b) Panjang gelombang.

c) Periode.

d.Kecepatan gelombang.

Penyelesaian

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

b) Panjang gelombangnya 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) Cepat rambat gelombang adalah v = lf = 10,4 cm. 18Hz = 187,2 cm/s.

Latihan 2

Sebuah kawat tipis sepanjang 75 cm memiliki massa 16,5 g. Salah satu ujungnya dipasang pada paku, sedangkan ujung lainnya memiliki sekrup yang memungkinkan penyesuaian tegangan pada kawat. Menghitung:

a) Kecepatan gelombang ini.

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

Penyelesaian

a) Menggunakan v =.f, berlaku untuk setiap gelombang mekanik dan mensubstitusi nilai numerik, kita memperoleh:

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

b. Cepat rambat gelombang melalui tali adalah :

Tegangan T pada tali diperoleh dengan menaikkannya 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 untuk divisualisasikan. Untuk melakukan ini, Anda hanya perlu 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. Daerah terkompresi disebut “kompresi” dan daerah di mana kumparan pegas terjauh adalah “ekspansi” atau “rarefaction”. 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 seperti satu bagian pegas dikompresi dan yang lainnya diregangkan saat energi bergerak bersama gelombang, suara memampatkan bagian udara yang mengelilingi sumber gangguan. Oleh karena itu, ia tidak dapat merambat dalam ruang hampa.

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

Gambar 5 menunjukkan panjang gelombang gelombang longitudinal yang merambat sepanjang pegas koil.

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, maka gelombang suara juga dapat diwakili oleh gelombang sinus.

Ciri-ciri bunyi: frekuensi dan intensitas

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

Frekuensi

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

Rentang frekuensi yang terdengar 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 yang tidak terdengar oleh manusia, tetapi anjing dan hewan lain dapat merasakan dan menggunakannya.

Misalnya, kelelawar memancarkan gelombang ultrasound dari hidung mereka untuk menentukan lokasi mereka dalam gelap dan juga untuk komunikasi.

Hewan-hewan ini memiliki sensor yang dengannya mereka menerima gelombang pantul dan dengan cara tertentu menginterpretasikan waktu tunda antara gelombang yang dipancarkan dan gelombang pantul 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 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 diisi dengan 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 daya. Oleh karena itu intensitas suara adalah daya per satuan luas dan dinyatakan dalam watt / m 2 atau W / m 2 . Telinga manusia merasakan intensitas gelombang sebagai volume : semakin keras musiknya, semakin keras suaranya.

Telinga mendeteksi intensitas antara 10 -12 dan 1 W / m 2 tanpa merasakan sakit, tetapi hubungan antara intensitas dan volume yang dirasakan tidak linier. Untuk menghasilkan bunyi dengan volume dua kali lipat membutuhkan gelombang dengan intensitas 10 kali lebih besar.

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

Tingkat intensitas suara dilambangkan sebagai dan dinyatakan dalam desibel dengan:

= 10 log (I / I o )

Dimana I adalah intensitas suara dan I o adalah tingkat acuan yang diambil sebagai ambang batas 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 adalah beberapa eksperimen sederhana untuk melihat bagaimana gelombang mengirimkan energi, yang dapat dimanfaatkan.

-Eksperimen 1: Interkom

bahan

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

– Antara 5 dan 10 meter kawat kuat.

Praktekkan

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

– Setiap pemain mengambil gelas dan mereka berjalan lurus, memastikan benang tetap kencang.

– Salah satu pemain menggunakan gelasnya sebagai mikrofon dan berbicara kepada rekannya, yang tentu saja harus menempelkan gelasnya ke telinganya untuk mendengarkan. Tidak perlu berteriak.

Pendengar akan segera menyadari bahwa suara pasangannya ditransmisikan melalui benang yang kencang. Jika utasnya 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 diperlukan untuk mendengarkan.

Penjelasan

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

Benang mentransmisikan gelombang ke bagian bawah wadah pendengar, yang bergetar. Getaran ini ditransmisikan ke udara dan dirasakan oleh gendang telinga dan ditafsirkan oleh otak.

-Eksperimen 2: Mengamati ombak

Praktekkan

Sebuah 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 memanjang

Ujung-ujungnya dipegang, satu di masing-masing tangan. Kemudian impuls horizontal kecil diterapkan di salah satu ujungnya dan pulsa diamati menyebar di sepanjang pegas.

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

Gelombang transversal

Slinky juga dipegang oleh salah satu ujungnya, cukup meregangkannya. Ujung bebas diberi sedikit goyangan dengan menggoyangkannya ke atas dan ke bawah. Pulsa sinusoidal diamati untuk perjalanan sepanjang musim semi dan kembali.

Referensi

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

Related Posts