Pengertian, Jenis dan Sifat Gelombang, Materi Fisika SMA Kelas XI
Gelombang didefinisikan sebagai getaran yang merambat melalui medium, berupa zat padat, cair, dan gas. Gelombang adalah getaran yang merambat. Bentuk ideal dari suatu gelombang akan mengikuti gerak sinusoide yang berbentuk osilasi halus berulang.
Selain radiasi elektromagnetik, gelombang juga terdapat pada medium di mana mereka dapat berjalan dan dapat memindahkan energi dari satu tempat kepada lain tanpa mengakibatkan partikel medium berpindah secara permanen; yaitu tidak ada perpindahan secara masal. Setiap titik khusus berosilasi di sekitar satu posisi tertentu.
Suatu hal disebut medium jika:
- Linear jika gelombang yang berbeda di semua titik tertentu di medium bisa dijumlahkan.
- Terbatas jika terbatas, selain itu disebut tak terbatas.
- Seragam jika ciri fisiknya tidak berubah pada titik yang berbeda.
- Isotropik jika ciri fisiknya “sama” pada arah yang berbeda.
Secara umum, gelombang dapat ditulis secara matematis dengan persamaan:
Nilai negatif (-) digunakan jika gelombang berasal dari kiri titik P (gelombang merambat ke kanan). Nilai positif (+) digunakan jika gelombang berasal dari kanan titik P (gelombang merambat ke kiri).
Jika sumber gelombang telah bergetar sebanyak satu kali, gelombang tersebut telah memiliki jarak dalam merambat. Karena terdapat frekuensi getaran setiap sekon, maka persamaan kecepatan rambat gelombang adalah:
Sedangkan persamaan frekuensi gelombang adalah sebagai berikut:
Maka kecepatan rambat gelombang dapat ditulis dengan persamaan:
Sudut Fase Gelombang
Sudut fase gelombang adalah sudut yang telah ditempuh benda mencapai titik P. Persamaan sudut fase gelombang ditulis sebagai berikut.
Fase dan Beda Fase Gelombang
Jumlah putaran yang telah dilakukan atau sejauh mana titik menjalar dinyatakan dengan fase. Persamaan fase gelombang adalah sebagai berikut.
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.
Sifat Gelombang
Untuk memahami gelombang, kita perlu mengenali sifat-sifatnya terlebih dahulu, seperti dijelaskan di bawah ini:
Dispersi Gelombang
Dispersi gelombang adalah perubahan bentuk gelombang ketika merambat melalui satu medium. Medium yang dilewati ketika gelombang tidak bergantung pada panjang maupun frekuensi gelombang disebut medium dispersif.
Pemantulan Gelombang
Ketika gelombang menabrak penghalang atau berada pada ujung dari medium rambatnya, sebagian gelombang akan dipantulkan. Sudut yang dibentuk gelombang datang terhadap permukaan pantulan sama dengan sudut yang dibuat oleh gelombang pantulnya, sesuai dengan hukum pemantulan.
Sudut datang dijelaskan sebagai sudut yang dibuat oleh gelombang datang terhadap garis tegak lurus permukaan pantul. Sementara itu, sudut pantul adalah sudut yang dibentuk gelombang yang telah dipantulkan. Hukum pemantulan ini berlaku untuk semua jenis gelombang.
Pembiasan Gelombang
Gelombang yang melewati dua medium yang berbeda, sebagian akan dipantulkan sementara sebagian lainnya akan diteruskan. Pembelokan berkas gelombang yang diteruskan dikenal dengan istilah pembiasan atau refraksi.
Salah satu contohnya adalah ketika kita memasukkan pensil ke dalam gelas berisi air dan pensil tersebut terlihat seakan-akan patah.
Interferensi Gelombang
Interferensi atau penggabungan gelombang terjadi ketika dua gelombang koheren bertemu. Interferensi gelombang dapat dilihat pada riak air di permukaan. Ketika terdapat dua sumber gelombang di permukaan air, muka gelombang tersebut akan bertemu dan membentuk pola interferensi.
Polarisasi Gelombang
Polarisasi merujuk pada arah getaran gelombang yang dapat diserap. Polarisasi gelombang terdiri dari polarisasi vertikal dan horizontal.
Polarisasi vertikal dapat kita lihat dengan menggerakkan tali dari atas ke bawah. Sementara itu, polarisasi horizontal bisa kita amati dengan menggerakkan tali ke kanan dan kiri.
Efek Doppler
Jika suatu sumber gelombang dan penerimanya bergerak relatif satu sama lain, frekuensi yang dideteksi penerima tidak sama dengan frekuensi sumber.
Ketika keduanya bergerak saling mendekati, frekuensi yang terdeteksi akan lebih besar daripada frekuensi sumber. Peristiwa ini disebut dengan efek Doppler. Efek Doppler salah satunya dimanfaatkan radar polisi untuk mengukur kelajuan mobil.
Jenis Gelombang
Dalam kenyataannya pengklasifikasian gelombang sangat beragam, ada yang menurut arah rambatnya, medium perambatannya, menurut dimensi penyebaran rambatannya dan lain-lain. Namun yang akan dibahas pada kali ini hanya dua pengklasifikasiaan gelombang yaitu menurut arah perambatannya dan kebutuhan medium perambatannya.
1. Gelombang menurut arah perambataanya
- Gelombang longitudinal
Gelombang dengan arah gangguan sejajar dengan arah penjalarannya.
Contoh gelombang longitudinal adalah gelombang bunyi, gelombang bunyi ini analog dengan pulsa longitudinal dalam suatu pegas vertikal di bawah tegangan dibuat berosilasi ke atas dan ke bawah disebuah ujung, maka sebuah gelombang longitudinal berjalan sepanjang pegas tersebut, koil-koil pada pegas tersebut bergetar bolak-balik di dalam arah di dalam mana gangguan berjalan sepanjang pegas.
- Gelombang Transversal
Gelombang transversal adalah gelombang dengan gangguan yang tegak lurus arah penjalaran. Misalnya gelombang cahaya dimana gelombang listrik dan gelombang medan magnetnya tegak lurus kepada arah penjalarannya.
2. Gelombang menurut kebutuhan medium dalam perambatannya
- Gelombang mekanik
Gelombang mekanik adalah gelombang yang memerlukan medium tempat merambat. Contoh gelombang mekanik gelombang pada tali, gelombang bunyi.
- Gelombang elektromagnetik
Gelombang elektromagnetik adalah gelombang yang energi dan momentumnya dibawa oleh medan listrik (E) dan medan magnet (B) yang dapat menjalar melalui vakum atau tanpa membutuhkan medium dalam perambatan gelombangnya.
Sumber gelombang elektromagnetik :
- Osilasi listrik.
- Sinar matahari menghasilkan sinar infra merah.
- Lampu merkuri menghasilkan ultra violet.
- Inti atom yang tidak stabil menghasilkan sinar gamma.
- Penembakan elektron dalam tabung hampa pada keping logam menghasilkan sinar X (digunakan untuk rontgen).
Keterkaitan antara medan listrik (E) dan medan magnet (B) diungkapkan dengan persamaan Maxwell. Persamaan Maxwell merupakan hukum yang mendasari teori medan elektromagnetik.
Contoh dari gelombang elektromagnetik adalah gelombang cahaya, gelombang radio.
Berdasarkan Amplitudonya
Berdasarkan amplitudonya, gelombang dibagi menjadi dua, yaitu gelombang berjalan dan stasioner.
1. Gelombang berjalan
Gelombang berjalan adalah gelombang yang memiliki amplitudo tetap. Artinya, setiap titik yang dilalui gelombang amplitudonya selalu sama besar. Contoh gelombang berjalan adalah gelombang air.
2. Gelombang stasioner
Gelombang stasioner adalah perpaduan antara gelombang datang dan gelombang pantul yang amplitudo dan frekuensinya sama tetapi arah rambatnya berlawanan. Titik yang bergetar dengan amplitudo maksimum disebut perut, sedangkan titik yang bergetar dengan amplitudo minimum disebut simpul.
Besaran-besaran Gelombang
membahas tentang gelombang, pasti ada besaran-besaran utama yang harus dipahami. Adapun besaran-besaran yang dimaksud adalah sebagai berikut.
1. Amplitudo (A)
Amplitudo adalah simpangan maksimum gelombang yang memiliki satuan meter (m).
2. Panjang gelombang (λ)
Jika ditinjau dari gelombang transversal, panjang gelombang adalah jarak antara dua puncak yang berdekatan atau jarak antara dua lembah yang berdekatan.
Jika ditinjau dari gelombang longitudinal, panjang gelombang adalah jarak antara dua rapatan atau dua regangan yang saling berdekatan.
3. 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; dan
t = waktu tempuh gelombang (s).
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:
f = frekuensi gelombang (Hz);
T = periode (s);
n = jumlah gelombang yang terbentuk; dan
t = waktu tempuh gelombang (s).
5. Cepat rambat gelombang
Cepat rambat adalah panjangnya jarak yang ditempuh oleh gelombang tiap satuan waktu. Secara matematis, cepat rambat gelombang dirumuskan sebagai berikut.
Keterangan:
f = frekuensi gelombang (Hz);
T = periode (s);
v = cepat rambat gelombang (m/s); m
λ = panjang gelombang (m).
Contoh Soal Gelombang
1. Gelombang air laut mendekati perahu dengan cepat rambat 10 m/s. Jika jarak antara dua puncak gelombang yang berdekatan adalah 2 m, tentukan periode dan frekuensi gelombangnya!
Pembahasan:
Diketahui:
v = 10 m/s
λ = 2 m
Ditanya: T dan f =…?
Pembahasan:
Berdasarkan rumus cepat rambat gelombang, diperoleh:
Frekuensinya dirumuskan sebagai berikut.
Jadi, periode dan periode gelombangnya berturut-turut adalah 0,2 s dan 5 Hz.
2. Suatu gelombang berjalan dan mempunyai persamaan y = 0,01 sin π (4t- x), x dan y dalam cm dan t dalam sekon. Besar simpangan di titik yang berjarak 5 cm dari titik asalah pada saat titik asal telah bergetar selama 2 sekon adalah?
Diketahui
y = 0,01 sin π (4t- x)
x = 5 cm
t = 2 s
Penyelesaian
y = 0,01 sin π (4 2- 5)
y = 0,01 sin π (8- 5)
y = 0
Jadi besar simpangan gelombang tersebut adalah 0 dimana itu menandakan gelombang berada pada titik simpul gelombang.
3. Berikut ini adalah persamaan simpangan gelombang berjalan y = 5 sin π(0,5 t – 10,5 x). Periode gelombangnya adalah ….
Diketahui
y = 5 sin π (0,5 t – 10,5 x)
Penyelesaian
ω = 2π/T
0.5 π = 2 π /T
T = 2/0.5
T = 4 s
Jadi periode gelombang tersebut adalah 4 detik.