Materi Gelombang Mekanik : Pengertian, Jenis-Jenis dan Sifat Gelombang

Pengertian Gelombang

Gelombang adalah getaran yang merambat. Dalam perambatannya, gelombang mekanik membutuhkan medium.

Jenis-Jenis Gelombang

Berdasarkam medium perambatannya gelombang dapat dibedakan menjadi dua, yaitu gelombang mekanik dan gelombang elektromagnetik. Gelombang mekanik adalah gelombang yang memerlukan medium untuk merambat, contohnya adalah gelombang bunyi, gelombang pada permukaan air dan gelombang pada tali. Gelombang elektromagnetik adalah gelombang yang tidak memerlukan medium untuk merambat, contohnya adalah gelombang cahaya dan gelombang radio.

Berdasarkan arah getarannya, gelombang dibedakan menjadi dua, yaitu gelombang transversal dan gelombang longitudinal. Gelombang transversal adalah gelombang yang arah getarannya tegak lurus dengan arah perambatannya, contohnya adalah gelombang pada tali. Gelombang longitudinal adalah gelombang yang arah getarannya searah dengan arah perambatannya, contohnya adalah gelombang pegas atau slinki

Berdasarkan Amplitudonya, gelombang terbagi menjadi dua, yaitu gelombang berjalan dan gelombang stasioner. Gelombang berjalan adalah gelombang yang memiliki amplitudo tetap. Sedangkan gelombang stasioner adalah gelombang yang mempunyai amplitudo yang berubah-ubah.

Gelombang Transversal

Pada gelombang transversal mempunyai bagian dan besaran sebagai berikut :

1. Puncak gelombang yaitu titik tertinggi pada gelombang
2. Dasar gelombang, yaitu titik terendah pada gelombang
3. Bukit gelombang
4. Lembah gelombang
5. Amplitudo gelombang, yaitu simpangan terbesar gelombang    atau tinggi puncak gelombang.
6. Panjang gelombang, yaitu jarak antara dua puncak   gelombang yang berurutan atau jarak antara dua dasar   gelombang yang berurutan. Satu panjang gelombang terdiri   dari sebuah bukit dan sebuah lembah gelombang.
7. Periode gelombang, yaitu waktu yang diperlukan untuk   menempuh satu panjang gelombang.
8. Frekuensi gelombang, yaitu banyaknya gelombang yang terjadi tiap detik.

Gelombang Longitudinal

Pada gelombang longitudinal, terdiri dari rapatan dan renggangan. Satu Panjang gelombang adalah jarak antara rapatan dengan rapatan yang berurutan, atau jarak antara renggangan dengan renggangan yang berurutan.

Besaran-besaran Pada Gelombang

Amplitudo (A) 

Amplitudo adalah simpangan maksimum gelombang yang memiliki satuan meter (m).

Panjang gelombang (λ) 
Panjang Gelombang adalah jarak antara dua puncak yang berdekatan atau jarak antara dua lembah yang berdekatan atau jarak antara pusat rapatan ke rapatan berikutnya atau pusat regangan ke pusat regangan berikutnya.

Frekuensi gelombang (f) 

Frekuensi gelombang adalah banyaknya gelombang yang dapat terbentuk setiap detik. Secara matematis frekuensi dirumuskan sebagai berikut :

Keterangan:
f = frekuensi gelombang (Hz);
n = jumlah gelombang yang terbentuk; dan
t = waktu tempuh gelombang (s).

Periode gelombang (T) 
Periode gelombang adalah waktu yang dibutuhkan gelombang untuk menempuh satu Panjang gelombang. Periode juga bisa didefinisikan sebagai waktu yang dibutuhkan gelombang untuk melakukan satu kali putaran. Secara matematis periode dirumuskan sebagai berikut :

Keterangan:
f = frekuensi gelombang (Hz);
T = periode (s);
n = jumlah gelombang yang terbentuk; dan
t = waktu tempuh gelombang (s).

Kecepatan Rambat Gelombang
Kecepatan rambat gelombang pada suatu medium dapat dihitung dengan :

v = kecepatan rambat gelombang (m/s)
λ = panjang gelombang (m)
f = frekuensi gelombang (Hz)
T = periode gelombang (s)

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 amplitudo dan arah gerak yang sama.
Dua titik dikatakan berlawanan fase jika kedua titik berjarak 1/2 λ,3/2 λ,5/2 λ,…(2n-1/2 λ). 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 :

sehingga beda sudut fase dinyatakan :

Energi dan Intensitas Gelombang
Gelombang memindahkan energi dari satu tempat ke tempat lain. Gelombang merupakan getaran yang merambat dalam suatu medium. Energi getaran merambat dari satu partikel ke partikel lain sepanjang medium, walaupun partikelnya sendiri tidak berpindah. Besarnya energi gelombang adalah :

EK = energi kinetik (J)
EP = energi potensial (J)
E = energi mekanik / energi total (Joule) 
θ = sudut fase gelombang
k = mω^2 = konstanta (N/m)
m = massa (kg) 
ω = 2. π.f = frekuensi sudut = kecepatan sudut (rad/s)
f=1/T= frekuensi gelombang (Hz)
T = periode gelombang (s) 
A = amplitudo gelombang (m)

Besarnya energi gelombang yang dipindahkan per satuan luas per satuan waktu disebut intensitas gelombang. Besarnya intensitas gelombang bunyi adalah :

I = intensitas bunyi (J/m^2.s = Watt/m^2)
t = waktu (s)
P = daya bunyi (watt) 
A = 4. π. r^2 = luas penampang medium (m^2)
r = jarak (m)

Contoh :
Soal Nomor 1
Berikut ini merupakan gambar gelombang transversal.

Tentukanlah :
a. Frekuensi getaran
b. Panjang gelombang
c. Cepat rambat gelombang.

Pembahasan :
Dari gambar didapatkan bahwa :

T = t/n
T = 8/2
T = 4 s
Maka,
a. Frekuensi Getaran
   f = 1/T
   f = ¼
   f = 0.25 Hz
b. Panjang Gelombang
   λ = s/n
   λ = 16 cm/2
   λ = 8 cm
c. Cepat Rambat Gelombang
   v = f×λ
   v = 0.25×8
   v = 2 m/s

Soal Nomor 2
Suatu gelombang permukaan air yang frekuensinya 500 Hz merambat dengan kecepatan 350 m/s. tentukan jarak antara dua titik yang berbeda sudut fase 60°!

Pembahasan :

Beda fase gelombang antara dua titik yang jaraknya diketahui adalah

Soal Nomor 3

Sebuah gelombang transversal memiliki frekuensi sebesar 0,25 Hz. Jika jarak antara dua buah titik yang berurutan pada gelombang yang memiliki fase sama adalah 0,125 m, tentukan cepat rambat gelombang tersebut, nyatakan dalam satuan cm/s!

Pembahasan :
f = 0,25 Hz
Jarak dua titik yang berurutan dan sefase:
λ = 0, 125 m
ν = .....
ν = λ f
ν = (0,125)(0,25) = 0,03125 m/s = 3,125 cm/s

Soal Nomor 4
Seutas tali digetarkan pada salah satu ujungnya sehingga menghasilkan gelombang seperti gambar.

Jika ujung tali digetarkan selama 0,5 s, tentukanlah besar  panjang gelombang dan cepat rambat gelombang di atas !

Pembahasan :

Untuk dua buah gelombang = 50 cm
Jadi satu panjang gelombang

Cepat rambat:

Soal Nomor 5

Suatu gelombang permukaan air yang frekuensinya 50 Hz merambat dengan kecepatan 350 m/s. Berapkah jarak antara dua titik yang berbeda fase 60°  ?

Pembahasan : 

Diketahui  : 

Ditanyakan   : 

Jadi jarak antara dua titik yang berbeda fase 60° adalah   

Sifat – Sifat Gelombang Mekanik

Ada beberapa sifat gelombang yang berlaku umum, baik gelombang mekanik maupun gelombang elektromagnetik. Sifat gelombang tersebut adalah :

1. Pemantulan (refleksi)
2. Pembiasan (refraksi)
3. Pelenturan (difraksi)
4. Perpaduan (interferensi)
5. Dispersi
6. Polarisasi

Setiap gelombang merambat dengan arah tertentu. Arah merambat suatu gelombang disebut sinar gelombang. Sinar gelombang selalu tegak lurus pada muka gelombang. Muka gelombang (front gelombang) adalah kedudukan titik yang memiliki fase yang sama pada gelombang. Jarak antara dua muka gelombang yang berdekatan sama dengan satu panjang gelombang (λ).

Pemantulan Gelombang

Gelombang yang datang dan mengenai suatu penghalang akan dipantulkan. Gelombang lurus yang datang pada permukaan bidang datar, akan berlaku hukum pemantulan gelombang, yang  berbunyi :

1. Gelombang datang, gelombang pantul dan garis normal (N) terletak pada satu bidang datar.
2. Sudut gelombang dating (i) sama dengan sudut gelombang pantul (r.)

Perhatikan gambar berikut :

Pembiasan Gelombang

Pembiasan adalah peristiwa pembelokan gelombang. Seperti pada peristiwa pemantulan, gelombang yang datang menuju medium yang berbeda akan dibiaskan, dan berlaku hukum pembiasan gelombang, yang berbunyi :

1. Gelombang datang, gelombang bias dan garis normal (N) terletak pada satu bidang datar.
2. Gelombang datang dari tempat yang dalam (medium renggang) ke tempat yang dangkal (medium rapat), maka gelombang akan dibiaskan mendekati garis normal (sudut bias r < sudut datang i) 
3. Gelombang datang dari tempat yang dangkal (medium rapat) ke tempat yang dalam (medium renggang), maka gelombang akan dibiaskan menjauhi garis normal (sudut bias r > sudut datang i).

Persamaan umum yang berlaku untuk pembiasan gelombang adalah persamaan Snellius, yaitu :

Difraksi Gelombang

Difraksi gelombang adalah pembelokan gelombang yang disebabkan oleh adanya penghalang berupa celah sempit. Celah bertindak sebagai sumber sumber gelombang berupa titik dan gelombang yang melalui celah dipancarkan berbentuk lingkaran dengan celah tersebut sebagai pusatnya.

Interferensi Gelombang

Interferensi adalah peristiwa perpaduan dua atau lebih gelombang disuatu titik pada medium. Interferensi dapat terjadi jika dua buah gelombang yang berinterferensi adalah koheren, artinya memiliki frekuensi dan beda fase yang sama. Dengan menggunakan prinsip superposisi gelombang, maka interferensi dapat dijelaskan.

Interferensi konstruktif, yaitu interferensi yang saling menguatkan, terjadi jika gelombang yang berinterferensi memiliki fase yang sama.

Interferensi destruktif, yaitu interferensi yang saling meniadakan, terjadi jika gelombang yang berinterferensi memiliki fase yang berlawanan.

Interferensi yang terjadi terus menerus antara gelombang datang dan gelombang pantul menghasilkan gelombang berdiri (gelombang stasioner).

Polarisasi Gelombang

Polarisasi gelombang adalah penyerapan sebagian arah getar gelombang karena melalui sebuah celah. Polarisasi gelombang hanya terjadi pada gelombang tranversal saja. Itu artinya polarisasi tidak dapat terjadi pada gelombang longitudinal, misalnya pada gelombang bunyi. Polarisasi dapat terjadi karena pemantulan, pembiasan, bias kembar,absorpsi selektif, dan peristiwa bidang getar.

Peristiwa polarisasi dapat divisualisasikan dengan membayangkan gelombang travensal pada seutas tali.

Seutas tali digetarkan dengan melewati sebuah celah sempit vertikal. Tali terlihat menyimpang seperti spiral. Setelah gelombang tali melewati celah, hanya arah getar vertikal saja yang masih tersisa, sedangkan arah getar herizotal diredam atau diserap oleh celah sempit tersebut. Gelombang yang keluar dari tali disebut gelombang linear.

Dispersi Gelombang

Dispersi gelombang adalah perubahan bentuk gelombang ketika gelombang merambat pada suatu medium. medium nyata yang gelombangnya merambat dapat disebut sebagai medium non dispersi. dalam medium non dispersi, gelombang mempertahankan bentuknya. contoh medium non disperse adalah udara sebagai medium perambatan dari gelombang bunyi.

Contoh :
Soal Nomor 1

Cahaya merambat dari udara ke air. Bila cepat rambat cahaya di udara adalah 3 × 10^8  m/s dan indeks bias air 4/3, maka tentukanlah cepat rambat cahaya di air!

Penyelesaian:

Diketahui:

Ditanyakan:

Jawab:

Maka cepat rambat cahaya di air dirumuskan sebagai berikut.

Jadi, cepat rambat cahaya di dalam air adalah 2,25 × 10^8  m/s.

Soal Nomor 2

Seseorang menyinari sebuah kaca tebal dengan sudut 30° terhadap garis normal. Jika cepat rambat cahaya di dalam kaca adalah 2 × 10^8 m/s, tentukan indeks bias kaca dan sudut biasnya.

Penyelesaian:

Diketahui:

Ditanyakan: 

Jawab:

Untuk mencari indeks bias kaca, gunakan persamaan:

Jadi, indeks bias kaca adalah 1,5 

Untuk mencari sudut bias, gunakan hukum Snellius.

Soal Nomor 3

Diatas suatu lapisan kaca terdapat lapisan air (n = 1,33). Seberkas cahaya menembus pada batas permukaan kaca air tersebut ternyata mulai mengalami pemantulan internal total pada sudut datang 53°. Berapakah besar  indeks bias kaca yang dipakai?

Jawab:

Cahaya mengalami pemantulan internal total berarti sudut datangnya = sudut kritis. Sudut kritis berarti sinar dari rapat ke renggang dan r = 90°