Gejala dan ciri-ciri gelombang secara umum

Percayakah kamu bahwa kita tidak dapat hidup tanpa adanya getaran dan gelombang? Bukankah yang mengakibatkan manusia tidak dapat hidup seandainya manusia tidak makan, minum dan tidak bernafas. Lalu bukan karena gelombang dan getaran? Alasan tersebut memang benar namun bagaimana sumber makanan ada, air dapat dimasak, mata dapat melihat, telinga dapat mendengar, atau bagaimana tumbuhan dapat melepaskan oksigennya ke udara. Semua kejadian ini memerlukan energi. Energi dapat berubah bentuk atau dapat mengalir ke tempat lain karena adanya getaran dan gelombang. Gelombang merupakan peristiwa merambatnya energi akibat getaran  partikel atau benda. Akibat getaran pertama tadi, energi dapat merambat. Energi digunakan untuk berbagai keperluan, contoh telinga dapat mendengar karena sumber bunyi menggetarkan molekul-molekul udara danterus merambat sehingga molekul-molekul udara di sekitar telinga ikut bergetar dan menggetarkan gendang telinga. Lalu, syaraf dalam tubuh menyampaikan informasi tentang gelombang tersebut ke dalam otak dan otak kita. Untuk lebih jelasnya yuk kita baca artikel singkat ini tentang gejala dan ciri-ciri gelombang....

Jika batu dijatuhkan ke kolam maka akan terlihat suatu pola lingkaran yang semakin membesar pada permukaan air kolam sebelum akhirnya menghilang. Itu adalah pola gelombang permukaan air. Sekilas tampak bahwa titik tengah pola lingkaran bergerak ke tepi seiring melebarnya ukuran lingkaran. Sebenarnya tidak demikian. Jika diletakkan botol diatas permukaan air yang beriak, botol itu hanya bergerak naik turun, tidak bergerak ke tepi pola gelombang permukaan air itu.

 

 

Gambar 1.1 Botol yang diletakkan diatas permukaan air yang beriak.

Apakah gelombang itu? Gelombang terjadi karena adanya usikan atau gangguan yang merambat. Usikan merupakan salah satu bentuk energi. Jadi, gelombang merupakan peristiwa rambatan pemindahan energi akibat adanya getaran dari partikel atau benda tanpa diikuti pemindahan massa medium. 

A.      Karakteristik Gelombang

1)        Periodik

Gelombang bersifat periodik, berarti memiliki siklus tertentu. Waktu untuk menempuh satu gelombang disebut periode (T), banyaknya jumlah getaran dalam 1 sekon disebut frekuensi (f), sedangkan panjang satu gelombang disebut panjang gelombang (λ). Periode berbanding terbalik dengan frekuensi. Makin kecil periode, maka semakin besar frekuensinya sesuai persamaan: f=1/T. Sedangkan panjang satu gelombang sama dengan jarak yang ditempuh dalam waktu satu periode.

Ø Panjang gelombang dari gelombang longitudinal

Gambar 1.3Gelombang longitudinal

Pada gelombang longitudinal, satu gelombang (1) terdiri dari 1 rapatan dan 1 reggangan.

Ø Panjang gelombang dari gelombang transversal

 

Gambar 1.2 Grafik simpangan terhadap jarak

Pada gelombang transversal, satu gelombang terdiri atas 3 simpul dan 2 perut. Jarak antara dua simpul atau dua perut yang berurutan disebut setengah panjang gelombang atau ½ λ.

2)        Terjadi karena getaran

3)        Merambat

Gelombang merupakan fenomena perambatan energi. Ada yang merambat, berarti ada nilai cepat rambatnya. Cepat rambat gelombang adalah jarak yang ditempuh oleh gelombang dalam satu sekon. Cepat rambat gelombang dilambangkan dengan v dan satuannya m/s atau m s^-1.

4)        Dapat dinyatakan dalam bentuk persamaan

Sebuah gelombang dapat dinyatakan dalam bentuk persamaan atau fungsi matematis. Persamaan atau fungsi gelombang memuat informasi berbagai karakteristik gelombang itu seperti amplitudo, cepat rambat, periode, dan panjang gelombang. Oleh karena gelombang bersifat periodik, maka persamaan gelombang menggunakan fungsi periodik juga. Fungsi periodik yang sering digunakan untuk menjelaskan persamaan gelombang adalah fungsi sinus dan fungsi cosinus.

Gambar 1.4Grafik simpangan terhadap kedudukan.

Berikut besaran-besaran yang berlaku pada gelombang transversal:

a.    Puncak adalah titik tertinggi pada gelombang (titik a dan titik e)

b.    Dasar Gelombang adalah titik terendah pada gelombang (titik c dan titik g)

c.    Bukit gelombang adalah lengkungan yang berada diatas posisi setimbang (o-a-b atau d-e-f)

d.   Lembah gelombang adalah lengkungan yang berada dibawah posisi setimbang (b-c-d atau f-g-h)

e.    Amplitudo (A) adalah ketinggian maksimum bukit atau puncak gelombang dan ketinggian maksimum lembah yang relatif terhadap posisi kesetimbangan (titi a’a atau c’c)

f.     Panjang gelombang (λ) adalah jarak atau panjang satu gelombang yang terdiri dari satu bukit dan satu lembah gelombang yang berurutan (titk a-e atau c-g)

g.    Frekuensi (f) adalah banyaknya jumlah getaran dalam satu detik. Satuan untuk frekuensi adalah getaran/detik atau kita kenal dengan Hertz

h.    Periode (T) adalah waktu yang diperlukan untuk menghasilkan satu getaran atau gelombang. Satuan untuk periode adalah sekon. Hubungan antara periode dan frekuensi pada gelombang adalah

T             dan  f (Hertz)

Jarak atau panjang gelombang yang ditempuh dalam satuan waktu disebut kecepatan gelombang (v). Jika sebuah gelombang menempuh jarak satu panjang gelombang (λ) dalam satu periode (T) maka dapat dirumuskan v = . Karena periode memiliki hubungan dengan frekuensi maka kecepatan gelombang (v) dapat dinyatakan dengan v = λxf. Kecepatan gelombang bergantung pada sifat materi perambatannya. Contoh kecepatan gelombang pada tali bergantung pada tegangan tali (F) dan massa tali per satuan panjang (m/l)

B.       Jenis-jenis Gelombang

Gelombang dapat dikelompokkan berdasarkan arah rambat dan medium perambatannya. Berdasarkan arah rambatnya, gelombang dibedakan menjadi gelombamg longitudinal dan gelombang transversal. Berdasarkan medium perambatannya, gelombang dikelompokkan menjadi dua, yaitu gelombang mekanik dan gelombang elektromagnetik.

a.      Gelombang berdasarkan arah rambatnya

1)        Gelombang Longitudinal

Gelombang longitudinal adalah gelombang yang arah getarnya sejajar dengan arah rambatnya. Arah getar gelombang yang dihasilkan adalah ke kiri dan ke kanan, dan arah rambat gelombang yang dihasilkan adalah ke kiri dan ke kanan pula. Bentuk getarannya berupa rapatan dan regangan. Rapatan terjadi ketika gelombang pada longitudinal ini kerapatan gelombangnya lebih besar atau sangat berdekatan antara gelombang yang satu dengan gelombang yang lain dibandingkan pada saat tidak ada gelombang yang melewati daerah tersebut. Sedangkan regangan terjadi ketika gelombang pada longitudinal kerapatan gelombangnya lebih kecil atau berjauhan antara gelombang yang satu dengan gelombang yang lain dibandingkan pada saat tidak ada gelombang yang melewati daerah tersebut.

Gambar 1.5Gelombang longitudinal

Contoh gelombang longitudinal :

Ø  gelombang pada slinki yang diikatkan kedua ujungnya pada statif kemudian diberikan usikan pada salah satu ujungnya.

Gambar 1.6Gelombang pada slinki

Ø  gelombang bunyi di udara

Gambar 1.7Gelombang bunyi di udara

Ø  Gelombang seismik (gempa)

2)        Gelombang Transversal

a.      Gelombang transversal adalah gelombang yang arah getarnya tegak lurus arah rambatnya. Arah getarnya adalah ke atas dan ke bawah, sedangkan arah rambatannya adalah ke kiri dan ke kanan. Maka arah getar tegak lurus dengan arah rambatnya. Bentuk getarannya berupa lembah dan bukit.

 

Gambar 1.8Grafik simpangan terhadap kedudukan

Lembah gelombang adalah lengkungan yang berada dibawah posisi setimbang. Pada gambar 1.8 ditujukkan titik C-E. Sedangkan bukit adalah lengkungan yang berada diatas posisi setimbang. Pada gambar 1.8 ditunjukkan titik O-C. Maka satu gelombang didefinisikan mempunyai satu bukit dan satu lembah gelombang.

Contoh gelombang transversal :

Ø getaran sinar gitar yang dipetik

Ø getaran tali yang digoyang-goyangkan pada salah satu ujungnya

Ø gelombang cahaya

b.      Gelombang berdasarkan medium perambatannya

1)        Gelombang Mekanik

Gelombang mekanik adalah gelombang yang sumbernya berupa sumber mekanik dan dapat merambat jika ada medium atau materi. Artinya jika tidak ada materi, maka gelombang tidak akan terjadi. Gelombang mekanik dapat berupa gelombang transversal maupun longitudinal. Contoh gelombang mekanik :

Ø Gelombang yang terjadi pada tali jika salah satu ujungnya digerak-gerakkan.

Ø Gelombang yang terjadi pada permukaan air jika diberikan usikan padanya ( misal dengan menjatuhkan batu di atas permukaan air kolam yang tenang ).

Ø Gelombang seismik (merambat di permukaan tanah)

Ø Gelombang bunyi (merambat melalui udara)

2)      Gelombang Elektromagnetik

Gelombang elektromagnetik adalah gelombang yang dapat merambat tanpa adanya materi atau medium. Dengan kata lain, gelombang elektromagnetik dapat merambat diruang hampa. Gelombang elektromagnetik terbentuk dari interaksi antara medan magnet dan medan listrik. Seluruh bagian spektrum elektromagnetik merupakan gelombang transversal. Contoh : cahaya, gelombang radio, gelombang TV, sinar – X, dan sinar gamma.

C.      Fenomena Gelombang

1)        Dapat dipantulkan(refleksi)

Refleksi adalah suatu peristiwa gelombang ketika gelombang tersebut bertemu dengan bidang batas antara dua medium. 

Gambar 1.9Pemantulan gelombang oleh bidang.

      Berlaku suatu Hukum Pemantulan yang berbunyi:

a.       sinar datang, sinar pantul, dan garis normal terhadap bidang batas pemantul pada titik jatuh, semuanya berada dalam satu bidang,

b.      sudut datang ( i θ ) sama dengan sudut pantul ( r θ ).

2)        Dapat dibiaskan (refraksi)

Refraksi adalah adalah perubahan arah atau pembelokkan arah rambat gelombang saat gelombang masuk ke medium baru yang mengakibatkan gelombang bergerak dengan kelajuan yang berbeda. Pada refraksi terjadi perubahan laju perambatan. Panjang gelombangnya bertambah atau berkurang sesuai dengan perubahan kelajuannya, tetapi tidak ada perubahan frekuensi. 

Gambar 1.10Pembiasan gelombang.

Pada gambar 1.10 kecepatan gelombang pada medium 2 lebih kecil daripada medium 1. Dalam hal ini, arah gelombang membelok sehingga perambatannya lebih hampir tegak lurus terhadap batas. Jadi, sudut pembiasan ( θ₂ ), lebih kecil daripada sudut datang ( θ₁ ).

3)        Dapat dilenturkan (difraksi)

Difraksi adalah peristiwa penyebaran atau pembelokan gelombang melalui celah. Gejala difraksi bergantung pada ukuran penghalang atau celah. Gejala difraksi akan semakin tampak jelas apabila celah yang dilewati semakin sempit.

Gambar 1.11Difraksi gelombang: (a) pada celah lebar, (b) pada celah sempit

4)        Dapat dipadukan (interferensi)

Interferensi adalah perpaduan antara dua gelombang yang terjadi jika gelombang dengan frekuensi dan beda fase saling bertemu. Hasil interferensi gelombang ada 2, yaitu konstruktif (saling menguatkan) dan destruktif (saling melemahkan). Interferensi konstruktif terjadi saat 2 gelombang bertemu pada fase yang sama, sedangkan interferensi destruktif terjadi saat 2 gelombang bertemu pada fase yang berlawanan.

Gambar 1.12Interferensi gelombang tali

5)        Dispersi

Dispersi adalah peristiwa penyebaran bentuk gelombang ketika merambat melalui suatu medium. Dispersi tidak akan terjadi pada gelombang bunyi yang merambat melalui udara atau ruang hampa. Medium yang dapat mempertahankan bentuk gelombang tersebut disebut medium nondispersi.

6)        Polarisasi

Polarisasi merupakan peristiwa terserapnya sebagian arah getar gelombang sehingga hanya tinggal memiliki satu arah saja. Polarisasi hanya akan terjadi pada gelombang transversal karena suatu gelombang transversal mempunyai arah rambat yang tegak lurus dengan bidang rambatnya. Sebuah gelombang tali mengalami polarisasi setelah dilewatkan pada celah yang sempit. Arah bidang getar gelombang tali terpolarisasi adalah searah dengan celah.

D.      Persamaan Gelombang

Elemen dasar sebuah gelombang adalah getaran. Untuk menyatakan suatu gelombang dalam bentuk persamaan atau fungsi, diperlukan informasi tentang karakteristik getaran pembentuknya yaitu frekuensi (f) atau periode (T) dan amplitudonya (A) serta laju (v) gelombang.

Getaran adalah gerak bolak disekitar titik kesetimbangan. Jika jarak simpangannya (y) diplot terhadap waktu (t), akan diperoleh kurva fungsi periodik. Kurva periodik bisa berupa kurva sinus maupun cosinus.

     

Gambar 1.13Grafik simpangan terhadap waktu

Jika pada saat awal (t=0) simpangannya nol (y=0), fungsi gelombangnya berbentuk :

y = A sin 2пft

y = A sin ωt

dengan ω = 2пf  adalah kecepatan sudut getaran.

Jika pada saat awal (t=0 sekon) simpangannya maksimum (y=A), fungsi gelombangnya berbentuk:

y = A cos 2пft

y = A cos ωt

Kecepatan getar atau kecepatan dalam arah sumbu y dapat ditentukan dengan turunan pertama fungsi gelombang terhadap variabel waktu. Kecepatan ini bukan kecepatan perambatan gelombang (v) sehingga untuk membedakannya disimbolkan dengan v_y.

v_y = y’ = dy/dt

Oleh karena getaran merupakan elemen dasar gelombang, maka seluruh karakteristik getaran juga dimiliki oleh gelombang. Amplitudo getaran adalah amplitudo gelombangnya, frekuensi getaran adalah frekuensi gelombangnya, dan periode getaran merupakan periode gelombangnya.

Baik getaran maupun gelombang, keduanya bersifat periodik. Persamaan gelombang bisa diturunkan dari persamaan getarannya dengan mempertimbangkan sifat perambatannya. Ada dua persamaan gelombang, yaitu gelombang berjalan dan gelombang berdiri (stasioner).