BAB 7 Gelombang
-
Upload
fithqoti-afiroh-zuqri -
Category
Documents
-
view
149 -
download
6
Transcript of BAB 7 Gelombang
April 10, 2023 Fisika 1 1
GelombangGambaran Umum
Representasi GelombangGelombang Tali
Gelombang Selaras HarmonikSuperposisi GelombangIntensitas Gelombang
Transmisi dan Pantulan Gelombang TaliGelombang Berdiri
Resonansi
April 10, 2023 Fisika 1 2
Yang memalukan bukanlah orang yang memiliki kelemahan
Yang memalukan adalah orang yang tidak
mengakui ia memiliki kelemahan
SASARAN PEMBELAJARAN
• Mahasiswa mampu menentukan besaran-besaran gelombang yaitu amplitudo, frekuensi, fasa awal, dan konstanta penjalaran.
• Mahasiswa mampu mencari persamaan gelombang hasil superposisi.
• Mahasiswa mampu mencari gelombang transmisi dan pantulan.
• Syarat Kelulusan : 75%
April 10, 2023 Fisika 1 3
April 10, 2023 Fisika 1 4
Gambaran Umum
Definisi: gangguan yang menjalar
Contoh:•Gelombang di permukaan air
•Tali yang digoyang pada ujungnya
•Suara yang menjalar dari sumber sampai ke pendengar
•Cahaya matahari
•Gelombang radio dan televisi
April 10, 2023 Fisika 1 5
Jenis gelombang
transversal: arah rambat tegak lurus dengan arah getar
longitudinal arah rambat sejajar dengan arah getar
o Berdasarkan arah getar dan rambatnya
April 10, 2023 Fisika 1 6
Jenis Gelombang (2)
• Menurut medium perambatan– Gelombang mekanik
Perlu medium perambatan. Contoh: gelombang tali, bunyi
- Gelombang non mekanikTidak perlu medium perambatanContoh: gelombang elektromagnet
campuran
April 10, 2023 Fisika 1 7
April 10, 2023 Fisika 1 8
Istilah-istilah dalam gelombang (1)
• Arah rambat gelombangDari sumbernya gelombang bisa menjalar ke berbagai arah, misal x,y, z, radial, dsb.
• Panjang gelombang (m, cm) jarak dari satu puncak ke puncak berikutnya• Bilangan gelombang (k m-1, cm-1)
jumlah gelombang per satuan panjang
• Cepat rambat (V) kecepatan gelombang menjalar
2
kkT
v
April 10, 2023 Fisika 1 9
Istilah –istilah dalam gelombang (2)
• Amplitudo (Am, cm) simpangan maksimum
• Frekuensi (fHz) banyaknya gelombang dalam satu detik
• Frekuensi sudut (rad/detik)
• Periode(Tdetik)waktu yang diperlukan untuk melakukan satu siklus gelombang penuh
• Arah getar arah simpangan gelombang
f 2f
T1
April 10, 2023 Fisika 1 10
Representasi gelombang (1)
•Gelombang ideal cosinus atau sinus
)sin(),( trkAtry
Arah getar
amplitudo
Bilangan gelombang
Arah rambat
Frekensi sudut
waktutetapan fasa
trk
Sudut fasa
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
0 1 2 3 4 5 6
y
x
y(x)
A
T
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
0 1 2 3 4 5 6
y
t
y(t)
April 10, 2023 Fisika 1 11
Contoh• Untuk gelombang yang menjalar ke arah z
dan arah getar ke x:x(z,t)=Acos(kz-t+)
• Untuk gelombang yang menjalar ke arah x dan arah getar ke y:y(x,t)=Asin(kx-t+)
• Untuk gelombang yang menjalar ke arah y dan arah getar ke z:z(z,t)=Acos(ky-t+)
• Untuk gelombang yang menjalar ke arah z dan arah getar ke y:y(z,t)=Asin(kz-t+)
April 10, 2023 Fisika 1 12
Representasi gelombang (2)
•Gelombang teredam semakin jauh dari sumber, amplitudonya berkurang
)sin(),( tkxAetxz x
:Faktor redaman (m -1)
•Gelombang terpaksa ada gaya dari luar yang mempe- ngaruhi sifat gelombang secara umum
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
0 1 2 3 4 5 6
y
x
y(x)
April 10, 2023 Fisika 1 13
Contoh kasus 1
• Persamaan gelombang dinyatakan dalam fungsiy(t)=10sin2(x-50t+ 1/6). Tentukana. Arah perambatan gelombangb. Kecepatan rambat gelombangc. Frekuensi gelombangd. Amplitudo gelombange. Panjang gelombangf. Periode gelombangg. Tetapan fasa awal
April 10, 2023 Fisika 1 14
Solusi kasus 1
• Gelombang merambat ke arah sumbu x positip
• Kecepatan rambat gelombang: v=/k=50 m/detik
• Frekuensi gelombang=f= /2=50 hertz• Amplitudo=A=10• Panjang gelombang== 2/k=1m• Periode gelombang=T=1/f=1/50 detik• Tetapan fasa awal=600
April 10, 2023 Fisika 1 15
Contoh kasus 2• Sebuah gelombang menjalar searah sumbu z
positip dengan panjang gelombang 2 m dan kecepatan 100 m/detik. Amplitudo gelombang 20 cm dengan arah getar gelombang searah sumbu x. Pada saat t = 0 dan z = 0, nilai x = 0. Tentukan fungsi persamaan gelombang tersebut
• Solusi : x(z,t)= Asin(kz-t+)A = 0,20 meter, k = 2/ = , = kv=100 , nilai ditentukan dari keadaan awal x(0,0)=0
0 = Asin(0-0+ ) =0• Solusi: x(z,t)= 0,20sin (z-100t)
April 10, 2023 Fisika 1 16
Gelombang tali
pulsa
Gelombang periodik: bentuk pulsa tetap dan berulang ulang secara periodik
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
0 2 4 6 8 10
t
y(t)
April 10, 2023 Fisika 1 17
Gelombang Pada Tali
Pulsa gelombang yang menjalar pada tali dengan laju tertentu yang bergantung pada tegangan tali dan pada rapat massanya. Begitu bergerak pulsa dapat berubah bentuk akibat dua hal yaitu disperse dan absorpsi. Dispersi adalah pelebaran pulsa sedangkan absorpsi mengakibatkan amplitude pulsa mengecil.
April 10, 2023 Fisika 1 18
Perambatan dan persamaan pulsa
vt
x=a
y=f(x-a)
y=f(x-vt)
vt´
y=f(x+vt´)
x=0
y=f(x)
April 10, 2023 Fisika 1 19
Persamaan gelombang tali
T
F
dmFy
Fx
dx
dy
F
F
x
y tan
yy admdF )(
dxdldm
Fx=T
2
2
dt
yday
2
2
dx
ydT
dx
dF
dx
dyT
dx
dyFF yxy
2
2
dt
yd
dx
dFy
2
2
2
2
dt
yd
Tdx
yd
April 10, 2023 Fisika 1 20
Persamaan umum untuk y=f(x±vt)
Misal u=x+vt
du
dy
dx
du
du
dy
dx
dy
2
2
2
2 )/(
du
yd
dx
du
du
dudyd
du
dy
dx
d
dx
yd
du
dyv
dt
du
du
dy
dt
dy
2
22
2
2 )/(
du
ydv
dt
du
du
duvdyd
du
dyv
dt
d
dt
yd
2
2
22
2 1
dt
yd
vdx
yd 2
2
2
2
dt
yd
Tdx
yd
T
v
April 10, 2023 Fisika 1 21
Gelombang selaras (harmonik) sederhana
x
y=0
y= -A
y=A
2 3 4 5 6
)sin(),( tkxAtxy
)(sin),( vtxkAtxy
2
2
2)( 12
k
k
xxk
x1x2 vT
vv
f
vTk
22
April 10, 2023 Fisika 1 22
Superposisi Gelombang
Faktor yang mempengaruhi* Amplitudo masing-masing gelombang* Beda fase antara gelombang yang disuperposisikan
Prinsip superposisi
...21 yyyT
April 10, 2023 Fisika 1 23
Gelombang Berdiri Dalam Rantai Hung Vertikal
April 10, 2023 Fisika 1 24
Gelombang Berdiri Dalam Membran
April 10, 2023 Fisika 1 25
April 10, 2023 Fisika 1 26
Analisis superposisi secara matematik
)sin(1 tkxAy )sin(2 tkxAy
)sin(2 tkxAyT
Dua gelombang dengan amplitudo dan sudut fasa sama
Dua gelombang: amplitudo sama, sudut fasa beda
)sin(1 tkxAy
)cos(2 tkxAy )]cos()[sin( tkxtkxAyT
)sin(1 tkxAy
)sin(2 tkxAy)]sin()[sin( tkxtkxAyT
Dua gelombang: amplitudo berbeda, sudut fasa sama)sin(11 tkxAy
)sin()( 21 tkxAAyT )sin(22 tkxAy
April 10, 2023 Fisika 1 27
• Dua gelombang: amplitudo sama, frekuensi sama, bilangan gelombang berbeda
• Dua gelombang: amplitudo sama, frekuensi berbeda, bilangan gelombang sama
• Dua gelombang: amplitudo sama, frekuensi dan bilangan gelombang berbeda
)sin( 11 txkAy
)sin( 22 txkAy )]sin()[sin( 21 txktxkAyT
)cos( 11 tkxAy )cos( 22 tkxAy
)]cos()[cos( 21 tkxtkxAyT
)cos( 111 txkAy
)cos( 222 txkAy )]cos()[cos( 2211 txktxkAyT
April 10, 2023 Fisika 1 28
Fasor• Prinsip diagram fasor: menggambarkan fungsi
gelombang sebagai suatu vektor contoh:
Gelombang dinyatakan sebagai vektor dengan panjang A1 dan membentuk sudut 1=kx-t+1 terhadap sumbu horizontal.
)cos( 111 tkxAy 111 Ay
)cos( 222 tkxAy 222 Ay
April 10, 2023 Fisika 1 29
• Nilai x dan t bisa sembarang, jadi boleh dipilih saat x=0 dan t=0.
• Diagram fasor:
1
A2
AT
A1
2
T
April 10, 2023 Fisika 1 30
Perhitungan Fasor
)cos(21 TTT tkxAyyy
22yxT AAA
2211 coscos AAAx
2211 sinsin AAAy
x
yT A
Atan
April 10, 2023 Fisika 1 31
Contoh fasor 1
• Dua buah gelombang masing-masingy1(x,t)=40cos(10x-100t)
y2(x,t)=30cos(10x-100t+600)
Tentukan superposisi dua gelombang tersebut• Solusi
A1
A2 AR
R
April 10, 2023 Fisika 1 32
• Gelombang superposisiyR(x,t)=ARcos(10x-100t+R)
8,603700
60cos2 2122
21
AAAAAR
1 1 2 2
1 1 2 2
sin sintan
cos cos
0,47
R
A A
A A
R≈25,30
April 10, 2023 Fisika 1 33
Contoh 2
• Dua buah gelombang, masing-masingy1=40sin(x-100t), y2=60cos(x-100t+60o)
Tentukan gelombang superposisinyaSolusi:Gelombang superposisi akan berbentukyR=ARcos(x-100t+R)
Semua persamaan diubah ke dalam bentuk cosinus.y1=40sin(x-100t)=40cos(x-100t-900)
y2=60cos(x-100t+600)
April 10, 2023 Fisika 1 34
30
)90cos(4060cos60
xA
1240330
)90sin(4060sin60
yA
32
144900
22
yxR AAA
60
600
40
01 2230
12tan
R
-900
Gelombang superposisi: yR=32cos(x-100t+220)
32
April 10, 2023 Fisika 1 35
Contoh 3
• Tiga buah gelombang masing-masingy1=40cos(kx-t+60), y2=20cos(kx-t+300)
y3=10sin(kx-t+900)
Tentukan persamaan gelombang superposisiSolusi:
10
20
40
April 10, 2023 Fisika 1 36
4760cos4030cos200cos10 xA
4560sin4030sin200sin10 yA
6522 yxR AAA
01 46tan
x
yR A
A
Superposisi gelombang: yR=65cos(kx-t+460)
April 10, 2023 Fisika 1 37
Perlayangan gelombang (1)
• Tinjau kasus
• Jika 2= , 1-2=, dengan 0, dan k2=k, k1-k2=k dengan k0 maka
2
21
)sin( 111 txkAy )sin( 222 txkAy
2222
221121
221121
2211
21212121 cossin2
cossin2
)]sin()[sin(
xtxA
txktxktxktxkA
txktxkAy
kkkk
T
kkk
2
21
April 10, 2023 Fisika 1 38
Perlayangan gelombang (2)
22sin)cos(2 kT tkxAy
kv f
Kecepatan fasa:
dk
dvg
Kecepatan group:
April 10, 2023 Fisika 1 39
Intensitas gelombang
• Gelombang menjalar membawa energi• Intensitas: energi per satuan waktu per
satuan luas• Tinjau kasus pegas dengan konstanta pegas
k, massa yang menggantung m, amplitudo getaran A.
• Asumsi: energi bersifat kekal. Energi setelah merambat tetap sama dengan energi sumber
212U kA
mk
2 2 2 21 12 2 4U mA f mA
April 10, 2023 Fisika 1 40
• Untuk gelombang yang menjalar pada tali yang rapat massanya , panjang l, penampang S dan cepat rambat v
• Intensitas gelombang: Daya/luas, sedangkan daya adalah Energi/waktu
2 2 2 2 2 21 12 24 4U f lSD f SvtD
2 2 212 4U
StI f vA
April 10, 2023 Fisika 1 41
Contoh intensitas gelombang
• Tinjau suatu sumber gelombang, lampu misalnya. Anggap gelombang menjalar ke segala arah. Muka gelombang akan berupa luas permukaan bola
24)(
r
UrI
Intensitas pada suatu jarak r dari pusat sumber:
April 10, 2023 Fisika 1 42
Pantulan dan transmisi pada tali
• ujung terikat: gelombang pantul mengalami pembalikan fasa 1800
• Ujung bebas gelombang pantul tidak mengalami pembalikan fasa
yd=Asin(kx-t)yp=Asin(-kx- t+1800) ys=2Acostsinkx
yd=Asin(kx-t)
yp=Asin(-kx- t)
Ys=-2Acos(kx)sin(t)
April 10, 2023 Fisika 1 43
April 10, 2023 Fisika 1 44
Transmisi dan pantulan pada sambungan tali
• Perbandingan kecepatan pada dua tali
• Jika v1>v2 gelombang pantul mengalami pembalikan fasa
2121
1121 ::: TTvv
Syarat kontinuitas pada sambungan yd+yp=yt
yd=Adcos(k1x-t)
yp=Apcos(-k1x- t+180)yt=Atcos(k2x- t)
dxdy
dx
dy
dxdy tpd
April 10, 2023 Fisika 1 45
Transmisi dan pantulan pada sambungan tali
• Pada sambungan anggap x=0
Ad-Ap=At
k1Ad+k1Ap=k2At
• Jika v1<v2 tidak ada pembalikan fasa gelombang pantul
dvvv
t AA21
22
2 1
1 2
v vp dv vA A
dvvv
t AA21
22 dvv
vvp AA
21
12
April 10, 2023 Fisika 1 46
Gelombang berdiri
• Superposisi gelombang datang dan gelombang pantul pada tali menghasilkan gelombang berdiri
• Tidak ada perambatan energi. Gelombang berosilasi antara simpul ke simpul berikutnya
April 10, 2023 Fisika 1 47
• Jarak dari satu simpul ke simpul berikutnya atau perut ke perut berikutnya mempunyai nilai setengah panjang gelombang
• Simpul terjadi pada saat amplitudo gelombang mempunyai nilai nol
• Untuk kasus ys=Asinkxcost, amplitudo minimum terjadi saat sinkx=0 atau x=n dengan n=0,1,2,....
• Contoh lain gelombang berdiri: getaran dawai gitar, getaran pada pipa organa
April 10, 2023 Fisika 1 48
Contoh soal
• Sebuah gelombang berdiri dinyatakan dalam persamaan y1=10sin10xcos100t. Tentukan:
a. Tempat terjadinya simpulb. Tempat terjadinya perutSolusia. Terjadi simpul jika sin10x=0, atau 10x=0,π,2 π,…
x=0,1n , dengan n=0,1,2,3,...b. Terjadi perut jika sin10x=+1 atau 10x=(2n+1)/2
x=(2n+1)/20 , dengan n=0,1,2,3,...
April 10, 2023 Fisika 1 49
Resonansi
• Terjadi pada saat frekuensi eksternal yang datang ke sistem mempunyai nilai sama dengan frekuensi alamiah sistem
• Akan terjadi penguatan amplitudo• Contoh: Suatu pipa berisi air yang
ketinggian airnya bisa diatur. Garpu tala digetarkan diujung pipa. Bunyi nyaring akan terdengar pada saat frekuensi garpu tala tepat sama dengan frekuensi partikel-partikel udara yang ada pada kolom udara
April 10, 2023 Fisika 1 50
Gelombang Soliton
April 10, 2023 Fisika 1 51
April 10, 2023 Fisika 1 52
April 10, 2023 Fisika 1 53
April 10, 2023 Fisika 1 54