Bahan Ajar Getaran Gelombang Dan Bunyi [PDF]

Citation preview

BAB III



GETARAN, GELOMBANG DAN BUNYI Kompetensi dasar



: Memahami Konsep Getaran dan Gelombang



Indikator



: 1. Arti fisis getaran diformulasikan 2.Arti fisis gelombang dideskripsikan sebagai energi 3. Pengertian frekuensi dan periode suatu getaran dideskripsikan melalui 4. Pengertian rambatan getaran dan gelombang didefinisikan 5.Perambatan gelombang melalui suatu medium didefinisikan 6. Frekuensi, kecepatan rambat dan panjang gelombang Tujuan : 1. Menyebutkan pengertian getaran 2. Mendeskripsikan gelombang sebagai energi 3. Mendeskripsikan pengertian frekuensi dan Periode suatu getaran melalui percobaan 4. Mendifinisikan perambatan gelombang melalui medium 5. Menyebutkan definisi frekuensi, kecepatan rambat dan panjang gelombang Materi A. GETARAN Getaran adalah gerak berkala atau gerak berulang atau gerak bolak balik yang dipengaruhi oleh suatu gaya dengan waktu perulangan yang tetap(periodik). Getaran dapat merambat dari sumber getarnya ke tempat lainnya dalam bentuk gelombang. Contoh Getaran yang mudah kita amati ialah Gerak bolak balik pada ayunan bandul. Bandul dikatakan 1 getaran : O – A – O – B – O Periode ( T ) yaitu : Waktu yang diperlukan untuk melakukan satu kali getaran



A



B O Frekuensi: Banyaknya getaran yang dilakukan tiap satuan waktu. ( f ) Dimana : f = n / t atau T = t/n , t = waktu, n = banyaknya getaran Sehingga



T = 1/f atau f = 1/T



Dengan : T = periode (s), f = frekuensi (Hz) 1. Getaran harmonik : getaran yang dipengaruhi oleh gaya yang arahnya selalu menuju ke satu titik dan besarnya sebanding dengan simpangannya a. Pada pegas 𝑚 𝑘



Periode pada pegas : 𝑇 = 2𝜋√ Frekuensi pegas



:𝑓=



1 𝑘 √ 2𝜋 𝑚



Keterangan : T = periode (s) f = frekuensi (Hz) m = massa benda (kg) k = konstanta pegas (N/m)



b. Pada ayunan bandul



𝑙 𝑔



Periode pada ayunan : 𝑇 = 2𝜋√ 1



𝑔



Frekuensi pada ayunan : 𝑓 = 2𝜋 √ 𝑙



Keterangan : T = periode (s) f = frekuensi (Hz) l = panjang tali (meter) g = percepatan grafitasi (m/s2) 2. Simpangan, kecepatan dan percepatan gerak harmonik a. Simpangan : y = A sin 𝜃 2𝜋 2𝜋 y = A sin t ( 𝜔 = ) 𝑇 𝑇 y = A sin 𝜔t Keterangan : y = simpangan (meter) A = Amplitudo (simpangan maximum) 𝜔 = kecepatan sudut (rad/s) b. Kecepatan = vy =



2𝜋 𝑇



2𝜋



𝐴 cos( 𝑇 )𝑡



c. Percepatan = 𝑎𝑦 = −



4𝜋2 𝑦 𝑇2



B. GELOMBANG Gelombang merupakan salah satu cara perpindahan energi ( Getaran yang merambat ) Benda atau zat tempat merambatnya gelombang disebut medium. Dalam perambatan energi melalui gelombang, hanya energi saja yang berpindah tidak disertai pindahnya materi Jenis-jenis gelombang di alam ini berdasarkan sifat fisis nya adalah : 1. Berdasarkan arah getarannya : - Gelombang transversal ( gelombang yang arah getarnya tegak lurus dengan arah rambatannya ) - Gelombang longitudinal ( gelombang yang arah getarnya sejajar dengan arah rambatannya) 2. Berdasarkan amplitudonya : - Gelombang berjalan ( gelombang yang amplitudonya tetap ) Dengan persamaan y = A sin (2𝜋ft ± kx), atau y = A sin (𝜔t± kx), 2𝜋



Keterangan : k = bilangan gelombang (m-1 ), k = 𝜆 x = jarak titik ujung dari titik asal getaran (m) t = lama getaran (sekon) f = frekuensi gelombang (Hz) A = amplitudo gelombang (m) y = simpangan gelombang w = kecepatan sudut ( omega ) , 𝜔 = 2𝜋f



contoh : diketahui gelombang berjalan y = 10 sin (20𝜋t + 4𝜋x), y = A sin (𝜔t± kx), berapakah : a.Amplitudo, b. Kecepatan sudut, c. Frekuensi, d. Panjang gelombang, e. Kecepatan gelombang berjalan. Diket : y = 10 sin (20𝜋t + 4𝜋x), y = A sin (𝜔t± kx), y = A sin (2𝜋ft ± kx) dit: jawab: a). A = 10, b). 𝜔 = 20𝜋 , c ). f = 10 Hz d. k =



2𝜋 𝜆



,



4𝜋 =



2𝜋 𝜆



,



2 𝜆



4= ,



2 4



𝜆 = = 0,5 m



e. v = 𝜆. 𝑓 = 0,5 x 10 = 5 m/s -



Gelombang diam ( gelombang yang amplitudonya berbeda-beda )



3. Berdasarkan mediumnya : - Gelombang mekanik ( gelombang yang membutuhkan medium dalam perambatannya) cth : gelombang bunyi - Gelombang elektromagnetik (gelombang yang tidak membutuhkan medium dalam perambatannya) cth; gelombang cahaya



C. FREKUENSI, CEPAT RAMBAT, DAN PANJANG GELOMBANG a. Panjang gelombang (λ= lamda) , untuk gelombang transversal : 1 λ = 1 bukit – 1 lembah Untuk gelombang longitudinal : 1 λ = rapatan – renggangan – rapatan atau sebaliknya. b. Frekuensi gelombang (f) : banyaknya gelombang yang melewati suatu titik tiap satuan waktu c. Periode gelombang (T) : waktu yang diperoleh untuk menempuh satu panjang gelombang d. Cepat rambat gelombang ( v) Maka v = λ/T atauv = f. Λ Keterangan : v = cepat rambat gelombang ( m/s2) T = periode (s) λ = Panjang gelombang(m) f = Frekuensi gelombang (Hz) Tugas I : (dibuat dalam buku latihan) 1. Jelaskan pengertian getaran dan gelombang! 2. Ayunan melakukan getaran 120 kali permenit, besar periode ayunan tersebut adalah... 3. Sebuah mobil dengan massanya 2000 kg menggunakan peredam getaran dengan 4 buah pegas memiliki tetapan sama 15000 N/m. Bila mobil dibebani penumpang dan barang yang massa totalnya 400 kg, hitunglah : a. Frekuensi getaran



4. Sebuah benda dengan massa 0,5 kg digantungkan pada sebuah pegas yang konstanta pegasnya 150 N/m. Hitunglah frekuensi getarannya. 5. Sebuah bandul digantung pada seutas tali panjangnya 2 m. hitung periode bandul tersebut ( g= 9,8 m/s2 ) 6. Sebutkan jenis-jenis gelombang berdasarkan arah getar dan mediumnya? 7. Sebuah sumber getar menghasilkan 36 gelombang setiap detiknya. Hitunglah frekuensi gelombang itu, dan jika panjang gelombang 0,02 m, tentukan cepat rambat gelombang itu?



Kompetensi dasar



: Membedakan jenis-jenis gelombang



Indikator : - Karakteristik gelombang transversal dan longitudinal ditemukan melalui percobaan -Perambatan gelombang melalui suatu medium diperlihatkan melalui percobaan -Efek Doppler dirumuskan dari percobaan -Kecepatan rambat gelombang bunyi dihitung dengan menggunakan rumusan efek Doppler Tujuan Pembelajaran : 1. 2. 3. 4.



Menemukan karakteristik gelombang transversal Merumuskan efek dopler Mengetahui perambatan gelombang Menghitung kecepatan rambat gelombang bunyi



Materi A. SIFAT-SIFAT UMUM GELOMBANG 1. Pemantulan gelombang (Refleksi) cth : gel datang gelombang pantul garis normal pada setiap pemantulan berlaku : a. Sudut datang (i) = sudut pantul (r) i b. Gelombang datang, gelombang pantul dan garis normal terletak pada satu bidang datar



2. Pembiasaan (Refraksi) cth : sendok didalam air kelihatan patah Sebuah gelombang melewati 2 medium, maka gelombang akan mengalami pembelokan yang disebut pembiasan Pada pembiasan ini berlaku HUKUM SNELLIUS sebagai berikut :



a. Bila suatu gelombang datang dari medium kurang rapat ke medium lebih rapat, maka gelombang tersebut dibiaskan mendekati gas normal renggang i v1 rapat



r v2



b. Bila suatu gelombang datang dari medium lebih rapat ke medium lebih renggang maka gelombang tersebut dibiaskan menjauhi gas normal r



(v2)



i persamaan :



sin 𝑖 sin 𝑟



𝑣



𝑓1𝜆1



= 𝑣1 = 𝑓 2



2𝜆2



sin 𝑖



𝜆



, f1 = f2 , maka sin 𝑟 = 𝜆1 2



indeks bias gelombang : n = v1 /v2 maka indeks bias relatif medium 2 terhadap medium 1 sin 𝑖 𝑣 n2-1 = sin 𝑟 = 𝑣1 2



keterangan : i = sudut datang r = sudut pantul v1 = cepat rambat medium 1(m/s) v2 = cepat rambat medium 2 (m/s) 𝜆1 = panjang gelombang 1 (m) 𝜆2 = panjang gelombang 2 (m) 3. Penggabungan atau perpaduan gelombang (Interferensi) Yaitu saling berpadunya dan saling mempengaruhi antara 2 atau lebih gelombang. 4. Pelenturan gelombang (Difraksi) Yaitu peristiwa pembelokan gelombang yang disebabkan oleh adanya celah sempit 5. Polarisasi Yaitu hilangnya sebagian arah getar cahaya karena pengaruh absorpsi (penyerapan ) oleh 2 bidang batas zat optik



B. BUNYI DAN INTENSITAS BUNYI Syarat terjadinya Bunyi : 1. Sumber Bunyi 2. Zat perantara 3. Alat pendengaran ( telinga ) Bunyi sampai ke telingga dalam bentuk gelombang longitudinal - Bunyi tidak dapat merambat pada ruang hampa - Frekuensi bunyi dikelompokkan menjadi 3 : a. Infrasonik ( < 20 Hz) contoh : anjing, ayam b. Audisonik ( 20 Hz s.d 20000 Hz), contoh pendengaran manusia c. Ultrasonik (> 20000 Hz) contohnya : kelelawar



-



Bunyi juga dapat mengalami interferensi



-



Resonansi yaitu peristiwa ikut bergetarnya benda karena benda lain yang bergetar. Syaratnya : frekuensi benda yang ikut bergetar = frekuensi benda yang bergetar



-



Intensitas bunyi tinggi rendahnya bunyi ditentukan oleh frekuensi kuat lemahnya bunyi ditentukan oleh amplitudo Intensitas bunyi( I ) adalah : jumlah energi yang tiap detiknya menembus tegak lurus bidang persatuan luas bidang tersebut. I = P/A atau I = P / 4𝜋r2 Ket : I = intensitas bunyi (watt/m2 ) P = daya bunyi (watt) r = jari-jari bola (m) A = Luas ( m2 ) Contoh : mesin bubut mempunyai intensitas bunyi 20 watt/m2, berapakah daya mesin tersebut tiap 2 m2. Diket : I = 20 watt/m2 A = 2 m2 Ditanya : P Jawab : P = I x A P = 20 watt/m2 x 2 m2 = 40 watt



-



Taraf intensitas bunyi : TI = 10 log I/I0 (dB) a. I max = 100 watt /m2 atau 1 watt/m2 b. I terkecil yang masih didengar I0 = 10-12 watt /m2 (intensitas ambang bunyi)



-



TI total = TI + 10 Log n Atau TI2 = TI1 + 20 log r12/r22 Contoh soal : 1.oki menyanyi mengeluarkan intensitas 1000 watt/m2 , jika intensitas ambang 10-12 watt/m2 berapakah taraf intensitas suara oki? Diket : I = 1000 watt/m2 = 103 watt/m2 I0 = 10-12 watt/m2 Ditanya: TI jawab : TI = 10 log I/I0 TI = 10 log 103 /10-12 TI = 10 log 103 x 1012 TI = 10 log 1015 TI = 15 x10 log 10 TI = 15 x10 x 1 TI = 150 dB



C. EFEK DOPPLER Bila bunyi bergerak relatif satu sama lain maka frekuensi yang didengar oleh pendengar tidak sama dengan frekuensi sumber bunyi., dikenal dengan gejala efek doppler (penemu : Christian Johann Doppler (1803 – 1855) Persamaan :



𝑓𝑝 𝑓𝑠 = 𝑣 ± 𝑣𝑝 𝑣 ± 𝑣𝑠 Keterangan : fp = frekuensi pendengar (Hz) fs = frekuensi sumber bunyi (Hz) v = cepat rambat medium (m/s) vp = cepat rambat medium(m/s) vs = cepat rambat medium (m/s) ketentuan : 1. Jika pendengar (p) mendekati sumber bunyi ( s) = Vp = + 2. Jika pendengar (p) menjauhi sumber bunyi ( s) = vp = 3. Jika sumber bunyi (s) mendekati pendengar (p) = vs = 4. Jika sumber bunyi (s) menjauhi pendengar (p) = vs = + CONTOH SOAL : Sebuah mobil membunyikan klakson dan bergerak menjauhi hendra yang diam. Kecepatan mobil 20 m/s dan frekuensi klaksonnya 150 Hz. Bila cepat rambat udaranya 340 m/s, berapakah fekuensi yang terdengar oleh hendra? Jawab : diket : Vp= 0 Vs = 20 m/s Vu = 340 m/s fs = 150Hz ditanya : fp fp =



𝑉𝑢−𝑣𝑝 𝑉𝑢+𝑣𝑠



fs



340−0



=340+20150 340



= 360 x 150 =142 Hz