Coba perhatikan gambar berikut ini! Pernahkah kalian melihat fenomena pada gambar di bawah ini? apa kesamaan dari keempat fenomena tersebut? Menurut kalian bagaimana fenomena tersebut dapat terjadi?
Pada bahan ajar ini kita akan mempelajari mengenai gelombang mekanik antara lain pengertian gelombang, jenis-jenis gelombang, besaran pada gelombang, dan karakteristik gelombang mekanik.
Bagaimana cara astronot berkomunikasi di luar angkasa? Apakah mereka bisa bercakap-cakap layaknya orang yang ada di Bumi? Jika mereka bercakap-cakap seperti saat di Bumi, tentu suara mereka tidak akan terdengar satu sama lain. Hal itu karena di luar angkasa merupakan ruang hampa udara. Oleh karena itu, para astronot bisa berkomunikasi menggunakan gelombang radio. Mengapa gelombang bunyi tidak bisa merambat di luar angkasa, sementara gelombang radio bisa merambat di luar angkasa? Keadaan tersebut menunjukkan bahwa gelombang itu bermacam-macam jenis dan karakteristiknya. Ingin tahu selengkapnya tentang macam-macam gelombang beserta karakteristiknya?
Jadi, apa yang dimaksud dengan gelombang? Gelombang merupakan getaran yang merambat, baik melalui medium ataupun tidak melalui medium. Perambatan gelombang ada yang memerlukan medium, seperti gelombang tali melalui tali dan ada pula yang tidak memerlukan medium yang berarti bahwa gelombang tersebut dapat merambat melalui melalui vakum (hampa udara), seperti gelombang cahaya.
Gejala gelombang bisa diamati dengan mudah, contohnya gelombang air laut akibat hembusan angin. Selama merambat, gelombang akan memindahkan energi tertentu dari satu tempat ke tempat lainnya. Namun demikian, medium perambatan gelombang tidak ikut pindah.
1. Berdasarkan medium perambatannya, gelombang dikelompokkan menjadi dua.
a. Gelombang Mekanik, yaitu gelombang yang memerlukan medium untuk merambat. Contohnya gelombang bunyi, gelombang air, dan gelombang pada tali.
b. Gelombang Elektromagnetik, yaitu gelombang yang tidak memerlukan medium untuk merambat. Contohnya gelombang cahaya, sinar X, dan gelombang radio.
2. Berdasarkan arah getarnya, gelombang dikelompokkan menjadi dua.
a. Gelombang Transversal
Gambar 6. Gelombang Transversal Pada Tali
Ketika kamu mengusik tali secara vertikal sementara ujung yang satunya diikat ke dinding, akan terbentuk gelombang yang menjalar dari ujung yang kamu pegang ke ujung yang diikat di dinding. Arah gelombang tersebut mendatar (horizontal) Arah gelombang ini disebut dengan arah rambat, sedangkan hentakan yang kamu berikan disebut dengan arah getar. Gelombang seperti ini disebut dengan gelombang transversal Jadi, Gelombang transversal adalah gelombang yang arah getarmya tegak lurus terhadap arah perambatannya; misal gelombang pada tali, gelombang permukaan air, dan cahaya.
Gambar 7. Skema Gelombang Transversal
Beberapa istilah pada gelombang transversal adalah sebagai berikut.
Puncak gelombang = titik b dan f
Bukit gelombang = lengkungan abc, efg
Lembah gelombang = lengkungan cde
Dasar gelombang = titik d
Simpul gelombang = titik a, c, e, dan g
Amplitudo (A) simpangan terjauh diukur dari titik seimbang
Panjang gelombang (λ) = jarak antara dua puncak yang berdekatan
Satu gelombang (1 λ) = terdiri dari satu bukit dan satu lembah
b. Gelombang Longitudinal
Gambar 8. Gelombang Longitudinal Pada Slinki
Pada saat kamu mendorong slinki searah dengan panjangnya, gelombang akan merambat ke arah temanmu yang memegang ujung slinki satunya dengan bentuk rapatan dan renggangan. Arah rambatan gelombang yang timbul ternyata searah dengan arah getar yang kamu berikan. Gelombang seperti ini disebut dengan gelombang longitudinal. Jadi gelombang longitudinal adalah gelombang yang arah getarnya sejajar dengan arah rambatannya; misal gelombang pada slinki, dan gelombang bunyi.
Gambar 9. Skema Gelombang Longitudinal
Panjang gelombang longitudinal (λ) adalah sama dengan jarak antara dua rapatan atau dua regangan yang berdekatan. Satu panjang gelombang longitudinal terdiri dari satu rapatan dan satu regangan.
3. Berdasarkan amplitudonya, gelombang dikelompokkan menjadi dua.
a. Gelombang Berjalan
Gelombang berjalan merupakan gelombang yang amplitudonya tetap di setiap titik yang dilalui gelombang. Perhatikan gelombang berjalan pada Animasi 2.
Gambar 10. Gelombang Berjalan
Perhatikan Gambar 6. Ketika tali digetarkan naik turun di titik O, akan terbentuk gelombang tali yang merambat ke kanan dari titik O menuju titik setelah P. Secara umum persamaan yang berlaku pada gelombang berjalan dapat di tulis sebagai berikut.
Perjanjian tanda:
Tanda amplitudo
Positif (+) : arah getar pertama kali ke atas
Negatif (-) : arah getar pertama kali ke bawah
Tanda bilangan gelombang
Positif (+) : arah rambat gelombang ke kiri
Negatif (-) : arah rambat gelombang ke kanan
Kecepatan gelombang pada gelombang berjalan dapat diturunkan dari persamaan sebelumnya. Jika persamaan simpangan kita turunkan akan didapat:
Persamaan percepatan gelombang pada gelombang berjalan dapat diturunkan dari persamaan kecepatan gelombang.
Sudut fase gelombang merupakan sudut yang ditempuh oleh benda yang bergetar. Sudut fase dinyatakan dalam fungsi sinus dari persamaan umum gelombang. Secara matematis, dirumuskan sebagai berikut.
Fase gelombang adalah besaran yang berkaitan dengan simpangan dan arah gerak gelombang. Secara matematis, fase gelombang dirumuskan sebagai berikut.
Beda fase adalah perbedaan fase gelombang atau tahapan gelombang. Secara matematis, beda fase dirumuskan sebagai berikut.
b. Gelombang Stasioner
Gelombang stasioner adalah gelombang yang terjadi karena interferensi terus-menerus antara gelombang datang dan gelombang pantul yang berjalan dengan arah berlawanan, tetapi memiliki amplitudo dan frekuensi yang sama. Gelombang ini juga disebut gelombang berdiri. Gelombang stasioner dibagi menjadi dua yaitu gelombang stasioner ujung terikat dan gelombang stasioner ujung bebas.
1) Gelombang Stasioner Ujung Terikat
Gambar 11. Gelombang Stasioner Ujung Terikat
Persamaan simpangan gelombang stasioner ujung terikat adalah sebagai berikut.
dengan amplitudo stasionernya:
Jarak simpul-simpul gelombang stasioner ujung terikat pada Gambar 7. dapat dinyatakan dalam persamaan sebagai berikut.
Jarak perut-perut gelombang stasioner ujung terikat pada Gambar 7. dapat dinyatakan dalam persamaan sebagai berikut.
2) Gelombang Stasioner Ujung Bebas
Gambar 12. Gelombang Stasioner Ujung Bebas
Persamaan simpangan gelombang stasioner ujung bebas adalah sebagai berikut.
dengan amplitudo stasionernya:
Jarak simpul-simpul gelombang stasioner ujung bebas pada Gambar 8. dapat dinyatakan dalam persamaan sebagai berikut.
Jarak perut-perut gelombang stasioner ujung bebas pada Gambar 8. dapat dinyatakan dalam persamaan sebagai berikut.
Amplitudo (A)
Amplitudo adalah simpangan maksimum gelombang yang memiliki satuan meter (m).
Panjang Gelombang (𝛌)
Jika ditinjau dari gelombang transversal, panjang gelombang adalah jarak antara dua puncak yang berdekatan atau jarak antara dua lembah yang berdekatan. Pada gelombang longitudinal, panjang gelombang adalah jarak antara pusat rapatan ke rapatan berikutnya, atau pusat regangan ke pusat regangan berikutnya.
Frekuensi Gelombang (𝒇)
Frekuensi adalah banyaknya gelombang yang bisa terbentuk setiap detik. Secara matematis, frekuensi dirumuskan sebagai berikut :
Keterangan:
𝑓 = frekuensi gelombang (Hz)
𝑛 = jumlah gelombang yang terbentuk
𝑡 = waktu tempuh gelombang
4. Periode Gelombang (𝑻)
Periode adalah waktu yang dibutuhkan gelombang untuk menempuh satu panjang gelombangnya. Periode juga bisa didefinisikan sebagai waktu yang dibutuhkan gelombang untuk melakukan satu kali putaran. Secara matematis, periode dirumuskan sebagai berikut.
Keterangan:
𝑇 = Periode (s)
𝑛 = Jumlah gelombang yang terbentuk
𝑡 = Waktu tempuh gelombang (s)
5. Kecepatan Rambat Gelombang (v)
Kecepatan rambat gelombang pada suatu medium dihitung dengan :
Keterangan:
𝑣 = Kecepatan rambat gelombang (m/s)
λ = Panjang gelombang (m)
𝑓 = Frekuensi gelombang (Hz)
𝑇 = Periode gelombang (s)
6. Fase dan beda fase gelombang
Fase gelombang adalah keadaan gelombang yang berkaitan dengan simpangan dan arah rambatnya. Secara matematis fase gelombang dinyatakan sebagai berikut :
Dimana 𝜑 = fase gelombang tanpa satuan ; 𝜃 = sudut fase (rad)
Dua titik dikatakan sefase jika kedua titik memiliki jarak 1λ, 2λ, 3λ, … … . , nλ. Jadi kedua titik akan memiliki amplitude dan arah gerak yang sama. Dua titik dikatakan berlawanan fase jika kedua titik berjarak 1/2λ, 3/2λ, 5/2λ, … (2n − 1/2λ).
Kedua titik akan memiliki arah simpangan yang berlawanan, walaupun sama besar. Sedangkan beda fase adalah apabila pada tali terdapat dua buah titik, maka beda fasenya adalah jarak antara dua titik tersebut. Persamaan beda fase gelombang adalah sebagai berikut :
∆𝜑 = 𝜑2 − 𝜑1
Sehingga beda sudut fase dinyatakan :
∆𝜃 = 2𝜋. ∆𝜑
7. Energi Gelombang
Gelombang memindahkan energi dari satu tempat ke tempat lain. Gelombang merupakan getaran yang merambat dari suatu medium. Energi getaran merambat dari satu partikel ke partikel lain sepanjang medium, walaupun partikelnya sendiri tidak berpindah. Besarnya energi gelombang adalah:
Keterangan:
EK = energi kinetik (J)
EP = energi potensial (J)
E = energi mekanik / energy total (J)
Setiap kelompok mengirimkan satu perwakilan untuk maju ke depan!
perwakilan setiap kelompok bertugas untuk menyampaikan pendapat yang telah di kerjakan pada Lembar kerja siswa (LKS) di depan kelas!
Peserta didik memberikan pertanyaan kepada perwakilan kelompok jika kurang jelas dalam menjelaskan!
Kelompok yang mendapatkan pertanyaan dibantu teman kelompoknya untuk menjawab pertanyaan kelompok lain.
Guru menyampakan kesimpulan dari materi yang sudah di pelajari.