Konsep Gelombang

Gelombang merupakan suatu fenomena yang terjadi akibat adanya getaran pada medium tertentu. Ketika suatu partikel dalam medium mengalami getaran, partikel tersebut akan bergerak dari posisi semula ke posisi baru. Gerakan ini memindahkan energi tanpa partikel itu sendiri berpindah tempat.

Pengukuran Kedalaman Laut dengan Sonar (Gelombang Suara) – Shutterstock.com. 2531945271

Definisi Getaran

Getaran adalah gerakan bolak-balik yang terjadi secara periodik, di mana partikel bergerak sekitar titik keseimbangannya.

Definisi Gelombang

Gelombang adalah getaran yang merambat dan membawa energi. Dalam gelombang, energi berpindah melalui medium tanpa partikel-medium itu berpindah secara permanen.

Macam-macam Gelombang

Gelombang dapat dikategorikan berdasarkan beberapa faktor, antara lain jenis medium perambatannya, arah getarannya, serta berdasarkan amplitudo dan fase gelombangnya.

Gelombang Mekanik

Gelombang mekanik adalah gelombang yang memerlukan medium untuk merambat. Gelombang ini tidak bisa merambat di ruang hampa. Contohnya termasuk gelombang bunyi, gelombang pada tali atau dawai, serta gelombang pada permukaan air.

Gelombang Elektromagnetik

Gelombang elektromagnetik tidak memerlukan medium untuk merambat, sehingga dapat merambat melalui ruang hampa. Contoh gelombang elektromagnetik meliputi sinar gamma, sinar-X, sinar ultraviolet, cahaya tampak, serta gelombang radio.

Gelombang Transversal

Gelombang transversal adalah gelombang yang arah rambatannya tegak lurus terhadap arah getarnya. Contoh gelombang jenis ini adalah gelombang pada tali, gelombang pada permukaan air, dan gelombang elektromagnetik.

Gelombang Longitudinal

Gelombang longitudinal adalah gelombang yang arah rambatannya sejajar dengan arah getarnya. Contoh gelombang longitudinal meliputi gelombang bunyi, gelombang pada pegas, dan gelombang tekanan udara.

Gelombang Berjalan

Gelombang berjalan adalah gelombang yang memiliki amplitudo yang tetap sepanjang perambatannya.

Gelombang Stasioner

Gelombang stasioner adalah gelombang yang memiliki amplitudo berbeda pada titik yang berbeda, namun tidak merambat, melainkan terhenti di satu titik tertentu.

Besaran dalam Gelombang

Pada gelombang, terdapat beberapa besaran penting yang perlu diperhatikan, yaitu amplitudo, panjang gelombang, periode, frekuensi, dan kecepatan rambat.

Panjang gelombang sinus λ diukur antara dua titik sefase (puncak, palung, atau simpangan nol) – id.wikipedia.org

Panjang gelombang adalah jarak antara dua titik berturut-turut yang berada pada fase yang sama. Pada gelombang transversal, panjang gelombang diukur dari satu puncak ke puncak berikutnya.

Amplitudo adalah simpangan maksimum partikel dari posisi keseimbangan pada gelombang. Amplitudo berhubungan dengan energi yang dibawa oleh gelombang.

Periode (T) adalah waktu yang dibutuhkan untuk satu siklus gelombang merambat. Frekuensi (f) adalah jumlah siklus gelombang yang terjadi per detik. Hubungan antara periode dan frekuensi adalah sebagai berikut:

Kecepatan gelombang adalah jarak yang ditempuh gelombang dalam satu satuan waktu. Kecepatan gelombang dapat dihitung menggunakan rumus:

Gelombang Berjalan

Gelombang berjalan merupakan gelombang yang merambat dengan amplitudo yang tetap sepanjang jalurnya. Persamaan umum untuk gelombang berjalan dapat dituliskan sebagai berikut:

di mana:

y adalah simpangan gelombang (m)

A adalah amplitudo (m)

t adalah waktu (s)

x adalah posisi gelombang (m)

Beda fase pada gelombang berjalan dinyatakan dengan persamaan:

dengan:

x = jarak dari sumber getaran (m)

Berdasarkan persamaan simpangan gelombang berjalan, perubahan simpangan terhadap waktu disebutkecepatan. Kecepatan gelombang dapat diturunkan dari persamaan simpangan sebagai berikut:

atau

sehingga diperoleh:

dengan:

A = amplitudo (m)

k = bilangan gelombang (m^{-1})

t = waktu (s)

x = posisi (m)

dengan:

A = amplitudo (m)

Gelombang Stasioner

Jika sebuah tali dengan salah satu ujungnya digetarkan terus-menerus, maka pada tali akan merambat gelombang transversal ke kanan. Gelombang yang merambat ke kanan disebut gelombang datang. Ketika mencapai ujung tali, gelombang tersebut akan dipantulkan kembali dan disebut gelombang pantul.

Perpaduan antara gelombang datang dan gelombang pantul menghasilkan pola baru yang dinamakan gelombang stasioner. Tidak semua titik pada gelombang stasioner memiliki simpangan yang sama. Beberapa titik bergetar dengan amplitudo maksimum yang disebut perut (P), sementara titik lain bergetar dengan amplitudo minimum (bahkan nol) yang disebut simpul (S).

Saat gelombang mencapai titik P, gelombang dipantulkan kembali ke arah titik O yang bergetar

Gelombang stasioner dapat terjadi pada dua kondisi, yaitu pemantulan dengan ujung bebas dan pemantulan dengan ujung terikat.

Gelombang Stasioner pada Pemantulan Ujung Bebas

Simpangan pada titik C dapat dihitung melalui perpaduan simpangan gelombang datang dan simpangan gelombang pantul.

Fase gelombang datang:

Persamaan simpangan gelombang datang:

Fase gelombang pantul:

Persamaan simpangan gelombang pantul:

Persamaan simpangan perpaduan gelombang di titik C:

Amplitudo gelombang pada pemantulan ujung bebas:

Syarat Simpul dan Perut pada Pemantulan Ujung Bebas:

Syarat Simpul (S):

Syarat Perut (P)

dengan:

L = panjang tali (m)

x = jarak dari ujung bebas ke titik C (m)

T = periode gelombang (s)

t = lama gelombang bergetar (s)

A = amplitudo gelombang datang/pantul (m)

n = bilangan bulat 0, 1, 2, 3, ...

Gelombang Stasioner pada Pemantulan Ujung Tetap

Jika sebuah titik C berada pada jarak x dari ujung tetap, maka simpangan di titik tersebut merupakan hasil perpaduan antara gelombang datang dan pantul.

Fase gelombang datang:

Persamaan simpangan gelombang datang:

Fase gelombang pantul:

Persamaan simpangan gelombang pantul:

Persamaan simpangan perpaduan gelombang di titik C:

Amplitudo gelombang pada pemantulan ujung tetap:

Syarat Simpul dan Perut pada Ujung Tetap

Syarat Simpul (S):

Syarat Perut (P)

Gelombang stasioner juga dapat dibentuk dengan percobaan Melde. Dalam percobaan ini, salah satu ujung dawai dihubungkan dengan vibrator (sumber getar), sementara ujung lainnya diberi beban melalui katrol. Saat vibrator bekerja, dawai bergetar dan terbentuk pola gelombang stasioner.

Hasil percobaan menunjukkan bahwa cepat rambat gelombang pada dawai:

Berbanding lurus dengan akar tegangan dawai .

Berbanding lurus dengan akar panjang dawai .

Berbanding terbalik dengan akar massa dawai

Maka, rumus cepat rambat gelombang pada dawai adalah:

dengan:

v = cepat rambat gelombang pada dawai (m/s)

F = tegangan tali (N)

L = panjang dawai (m)

Panjang gelombang pada dawai dapat ditentukan dengan:

dengan:

S = jumlah simpul

n = banyak gelombang

Kegiatan Kelompok 1

Memahami konsep dasar gelombang berjalan pada tali dan pegas.

Mengukur periode, frekuensi, panjang gelombang, dan cepat rambat gelombang.

Membedakan gelombang transversal dan gelombang longitudinal.

Gelombang adalah getaran yang merambat dan membawa energi. Pada gelombang transversal, arah getar tegak lurus dengan arah rambat (contohnya gelombang pada tali). Sedangkan pada gelombang longitudinal, arah getar sejajar dengan arah rambat (contohnya gelombang pada pegas atau bunyi).

Periode (T): waktu yang dibutuhkan untuk satu getaran penuh.

Frekuensi (f): banyaknya getaran per detik.

Panjang Gelombang (λ): jarak antara dua puncak/dua lembah yang berurutan pada gelombang transversal, atau dua rapatan/dua renggangan pada gelombang longitudinal.

Cepat Rambat Gelombang (v):

Tali plastik/nilon ± 2 meter

Pegas mainan (slinky)

Stopwatch

Meteran/penggaris panjang

Papan tulis/kertas untuk mencatat hasil

Bentuklah kelompok yang terdiri dari 4–5 orang.

Setiap kelompok menyiapkan alat dan bahan yang sudah ditentukan.

Percobaan Gelombang Transversal pada Tali

Bentangkan tali secara horizontal di atas meja atau dipegang oleh dua orang pada kedua ujungnya.

Getarkan salah satu ujung tali ke atas-bawah secara teratur.

Amati gelombang yang terbentuk, catat waktu 10 getaran menggunakan stopwatch.

Hitung periode (T) dan frekuensi (f).

Ukur panjang satu gelombang (λ) dengan meteran.

Hitung cepat rambat gelombang (v = f·λ).

Percobaan Gelombang Longitudinal pada Pegas (Slinky)

Rentangkan pegas (slinky) di lantai lurus sejauh ±2 m.

Getarkan salah satu ujung pegas ke depan-belakang sehingga terbentuk rapatan dan renggangan.

Catat waktu untuk 10 getaran, lalu hitung periode (T) dan frekuensi (f).

Ukur panjang satu rapatan-renggangan penuh (λ).

Hitung cepat rambat gelombang longitudinal.

No.	Waktu untuk 10 getaran (s)	Periode T (s)	Frekuensi f (Hz)	Panjang Gelombang λ (m)	Cepat Rambat v (m/s)
1 — <b>1</b>	—	—	—	—	—
2 — <b>2</b>	—	—	—	—	—
3 — <b>3</b>	—	—	—	—	—

No.	Waktu untuk 10 getaran (s)	Periode T (s)	Frekuensi f (Hz)	Panjang Gelombang λ (m)	Cepat Rambat v (m/s)
1 — <b>1</b>	—	—	—	—	—
2 — <b>2</b>	—	—	—	—	—
3 — <b>3</b>	—	—	—	—	—

Apa perbedaan antara gelombang transversal dan gelombang longitudinal berdasarkan percobaan yang dilakukan?

Bagaimana cara menghitung periode dan frekuensi gelombang dari data percobaan?

Mengapa pada tali terbentuk gelombang transversal, sedangkan pada pegas terbentuk gelombang longitudinal?

Faktor apa saja yang memengaruhi cepat rambat gelombang pada tali dan pegas?

Buatlah kesimpulan dari hasil percobaan ini tentang sifat-sifat gelombang berjalan.