BAB I. PENDAHULUAN
B. Landasan Teori
9. Materi Gelombang Mekanik
a. Pengertian Gelombang.
Gelombang didefinisikan sebagai gejalah atau peristiwa perambatan getaran melalui medium. Medium gelombang dapat berupa zat padat, cair, dan gas, misalnya slinki, tali, air, udara. Pada proses perambatan tersebut, materi-materi dalam medium tidak ikut merambat. Dalam perambatannya, gelombang memindahkan energi. Hal ini karena gelombang memiliki energi sehingga perambatan gelombang berarti pula perambatan energi. Berdasarkan keadaan fisis gelombang, gelombang dapat kita bagi sbb:
Bagan 1 : Pembagian Gelombang
1. Gelombang transversal ialah gelombang yang arah rambatnya tegak lurus dengan arah getarannya. Gelombang ini dapat merambat pada zat padat, tetapi kurang sempurna pada zat cair sebab kohesi zat cair sangat kecil dan tidak dapat merambat pada zat gas karena kohesi zat gas boleh dinggap tidak ada.
2. Gelombang longitudinal ialah gelombang yang arah rambatnya sejajar atau berhimpit dengan arah getarannya. Gelombang ini tidak memerlukan kohesi maka dapat merambat pada segala jenis zat (padat, cair, maupun gas).
3. Gelombang berjalan ialah gelombang yang tampak berjalan titik-titik yang dilewati gelombang akan menggetar dengan amplitude yang sama.
4. Gelombang diam ialah superposisi gelombang datang dan gelombang pantul yang tampak diam, titik-titik yang dilewati gelombang akan menggetar dengan amplitude yang berbeda-beda.
5. Gelombang zat (mekanik) ialah gelombang yang merambat lewat zat medium. Gelombang ini dapat bersifat transversal tetapi dapat pula bersifat longitudinal.
6. Gelombang elektromagnet ialah gelombang yang dapat merambat dalam segala jenis zat maupun dalam ruang hampa udara, bersifat transversal sehingga dapat dipolarisasikan, tak dapat dibelokkan oleh medan listrik maupun medan magnet. Di dalam ruang hampa kecepatannya sama dengan kecepatan cahaya, dapat dipantulkan, dibiaskan, dan dapat pula berinterferensi.
b. Besaran-besaran dasar gelombang
Ada empat besaran yang merupakan besaran dasar sebuah gelombang, yaitu periode (T), frekuensi (f), panjang gelombang (λ), dan cepat rambat gelombang (v).
Periode (T) didefinisikan sebagai waktu yang diperlukan untuk melakukan satu gelombang. Untuk gelombang transversal, satu gelombang adalah satu bukit dan satu lembah. Untuk gelombang longitudilan, satu gelombang adalah satu renggangan dan satu rapatan. Frekuensi (f) didefinisikan sebagai banyaknya gelombang yang ditempuh dalama satu sekon.
Panjang gelomgang (λ) didefinisikan sebagai jarak yang ditempuh gelombang dalam satu periode.
Cepat rambat gelombang (v) didefinisikan sebagai hasil bagi antara panjang gelombang dengan periode.
Hubungan keempat besaran dasar gelombang tersebut ditunjukkan pada persamaan berikut ini:
f 1 T atau T 1 f= = ; f v T v λ atau f λ T λ v= = = =
Satuan: f dalam Hz atau s-1; T dalam s; λ dalam m; v dalam ms-1.
Gambar 1 : Gelombang transversal dan gelombang longitudinal
c. Energi Gelombang
Gelombang dalam perambatannya membawa serta energi. Hal ini dikarenakan gelombang melikiki energi sehingga perambatan berarti perambatan energi. Jadi energi dapat berpindah dari satu tempat ke tempat lain melalui gelombang. Sewaktu gelombang melalui medium, energi dipindahkan dalam bentuk energi getaran dari partikel satu ke partikel lain dalam medium. Berdasarkan hukum kekekalan energi mekanik, energi gelombang dirumuskan sebagai E = ½ kA dan menurut frekuensi gelombang diperoleh k = 4 π2
mf2. sehingga energi getaran dapat dinyatan sebagai:
( )
2 2 2 2 2 2 A mf 2π E A mf 4π 2 1 E = =Contohnya, gelombang laut atau ombak memindahkan energi ke benda apa saja yang merintanginya sehingga mampu menghancurkan kapal atau batu karang.
d. Superposisi
Gelombang yang dihasilkan oleh suatu benda tidak selalu berupa gelombang tunggal, tetapi bisa saja merupakan superposisi (gabungan) dari dua atau lebih gelombang tunggal.
Bentuk gelombang superposisi dari dua gelombang yang memiliki frekuensi sama dibedakan menjadi dua yaitu bentuk gelombang superposisi sefase dan bentuk gelombang superposisi berlawanan fase. e. Formulasi Gelombang Berjalan
Gelombang berjalan adalah gelombang mekanik yang memiliki amplitudo konstan di setiap titik yang dilewati gelombang.
Gambar 2 : Gelombang Berjalan
Seperti halnya pada gerak harmonic sederhana, maka persamaan simpangan getar untuk titik O pada gambar di atas adalah:
yo = A sin ωt
gelombang kemudian merambat dari titik O kea rah sumbu x positif. Suatu titik P yang terletak di sebelah kanan titik O sejauh x akan ikut berjalan setelah gelombang dari titik O mencapai titik P. Apabila gelombang merambat dengan kecepatan v, maka waktu yang
diperlukan oleh gelombang berjalan untuk merambat dari titik O ke
titik P adalah
v x
t'= . Oleh karena itu pada saat titik O sudah bergetar
selama t sekon, maka titik P baru bergetar selama ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − = v x t tp sekon,
sehingga persamaan simpangan gelombang berjalan di titik P adalah:
⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − = v x t ω sin A yp ………..(1)
Dengan mendefinisikan bilangan gelombang k sebagai λ 2π
k= serta
menggunakan kembali hubungan ω = 2πf dan v = λf, dapat dituliskan bahwa : yp=Asin(ωt-kx) ………..(2)
Persamaan (1) dan (2) di atas menyatakan menyatakan bahwa gelombang merambat kea rah sumbu – x positif (kanan). Untuk gelombang berjalan yang merambat ke arah sumbu-x negative (kiri), maka pada saat titik O baru berjalan selama t sekon, maka titik P sudah
bergetar selama ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + = v x t
tp sekon sehingga persamaan simpangan
gelombang berjalan di titik P adalah: ) ( sin A kx) ωt ( sin A yp= + = ωt+kx
f. Formulasi Gelombang Stasioner
Gelombang stasioner yang disebut juga sebagai gelombang tegak, gelombang berdiri, atau gelombang diam adalah gelombang yang terbentuk dari hasil perpaduan atau interferensi dua buah gelombang
yang memiliki amplitudo dan frekuensi sama, tetapi arah rambatnya berlawanan. Amplitudo pada gelombang stasioner tidak konstan, artinya tidak semua titik yang dilalui gelombang memiliki amplitudo yang sama. Terdapat titik-titik yang bergetar dengan amplitudo maksimum yang disebut perut, dan terdapat titik-titik yang bergetar dengan amplitudo minimum (nol) yang disebut simpul.
g. Sifat-sifat Gelombang
Gelombang memiliki kekhasan yang dikenal dengan sifat-sifat gelombang
yakni: (1) Pemantulan gelombang, (2) Pembiasan gelombang, (3)
Difraksi gelombang, (4) Interferensi gelombang, dan (5) Polarisasi gelombang.
h. Cepat Rambat Gelombang Transversal dalam Dawai 1) Cepat Rambat Gelombang Transersal pada Dawai
Sebuah percobaan telah dilakukan oleh Melde dengan menggunakan sonometri untuk menentukan cepat rambat gelombang transversal pada dawai. Percobaan dilakukan dengan mengganti-ganti beban (gaya tegangan dawai F) dan jenis dawai (massa per satuan panjang dawai µ=m/l). Dari percobaan disimpulkan bahwa cepat rambat gelombang dalam dawai (v): a) Sebanding dengan akar kuadrat gaya tegangan tali v∞ F b) Berbanding terbalik dengan akar kuadrat massa senar tiap 1 m
atau massa per panjang tali (µ).
Dari kedua hasil di atas dapat dirumuskan bahwa
μ
F
v ∞
.Berdasarkan percobaan diperoleh bahwa konstanta perbandingan pada persamaan di atas adalah satu, sehingga cepat
rambat gelombang transversal dalam dawai adalah
m Fl μ F v= = , karena dan v Al, v m ρ= = maka diperoleh: A F v ρ = .
2) Cepat Rambat Gelombang Bunyi
Bunyi merupakan gelombang longitudinal yang dapat merambat dalam medium padat, cair, atau gas. Cepat rambat bunyi tergantung pada sifat-sifat medium rambat. Pada umumnya, cepat rambat bunyi dalam medium padat lebih besar daripada medium cair maupun gas.
a) Cepat rambat bunyi dalam zat padat
Cepat rambat bunyi dalam zat padat bergantung pada modulus Young dan massa jenis zat padat.
ρ E
v= ; dengan v = cepat rambat bunyi (m/s), E = modulus
Young (Nm-2), dan ρ = massa jenis zat padat (kgm-3) b) Cepat rambat bunyi dalam zat cair
Cepat rambat bunyi dalam zat cair bergantung pada modulus Bulk dan massa jenis zat cair.
ρ B
v= dengan v = cepat rambat bunyi (m/s), B = modulus
c) Cepat rambat bunyi dalam zat gas
Cepat rambat bunyi dalam zat cair bergantung pada suhu dan massa jenis gas.
M
RT
v = γ dengan v = cepat rambat bunyi (m/s),
γ = konstantan Laplace, R = Konstanta gas umum (J/mol.K), T = suhu gas (K), dan M = massa molekul relatif gas.
Baik gelombang transversal maupun gelombang longitudinal, kecepatan rambat gelombang ditentukan atau bergantung pada medium yang dilalui oleh gelombang tersebutdan menunjukkan suatu nilai yang selalu konstan (tetap). Panjang gelombang selalu berbanding terbalik dengan frekuensi getaran dan sebanding dengan periode getaran.
Dari beberapa sub pokok bahasan di atas akan diajarkan secara deteil akan tetapi peneliti hanya memfokuskan pemanfaatan metode eksperimen untuk membuktikan faktor penentu atau yang menentukan kecepatan rambat gelombang pada suatu medium yang dilalui oleh gelombang tersebut.