Getaran dan Gelombang
Pendahuluan
Pernahkah kalian memperhatikan bandul jam dinding yang bergerak bolak-balik? Atau merasakan gempa bumi yang getarannya merambat melalui tanah? Bagaimana dengan bermain ayunan bersama teman-teman seperti pada gambar di atas? Fenomena-fenomena tersebut merupakan contoh dari getaran dan gelombang yang terjadi dalam kehidupan sehari-hari.
Getaran dan gelombang adalah konsep fisika yang sangat penting karena banyak aplikasinya dalam teknologi modern. Mulai dari sistem komunikasi, alat musik, hingga peralatan medis seperti USG, semua memanfaatkan prinsip getaran dan gelombang. Dalam kurikulum IPA kelas 8 SMP, kita akan mempelajari konsep dasar getaran dan gelombang yang menjadi fondasi untuk memahami berbagai fenomena alam dan teknologi di sekitar kita.
Tujuan Pembelajaran: Setelah mempelajari materi ini, siswa diharapkan mampu:
- Memahami konsep getaran dan gelombang serta perbedaannya
- Mengidentifikasi istilah-istilah dalam getaran dan gelombang
- Membedakan jenis-jenis gelombang berdasarkan arah rambat dan medium perambatannya
- Menghitung besaran-besaran dalam getaran dan gelombang menggunakan rumus yang tepat
- Menerapkan pengetahuan tentang getaran dan gelombang untuk menjelaskan fenomena alam dan teknologi
Bagian 1: Getaran
Bandul jam dinding - contoh getaran yang bergerak bolak-balik secara periodik
Pengertian Getaran
Getaran adalah gerakan bolak-balik secara periodik melalui titik kesetimbangan. Getaran juga dapat didefinisikan sebagai gerak bolak-balik suatu benda melalui titik keseimbangan tertentu dengan frekuensi dan amplitudo tertentu.
Ciri utama getaran adalah adanya gerakan periodik (berulang dalam interval waktu tertentu) dan adanya titik kesetimbangan dimana benda cenderung kembali ke posisi tersebut. Ketika suatu benda bergetar, ia akan bergerak menjauhi titik kesetimbangan, kemudian kembali mendekati, melewati, dan kembali lagi ke titik kesetimbangan. Gerakan ini akan terus berulang selama ada energi yang menjaga getaran tersebut.
Istilah-Istilah dalam Getaran
- Amplitudo (A): Simpangan maksimum dari titik kesetimbangan. Satuan amplitudo adalah meter (m). Amplitudo menentukan seberapa besar energi yang dibawa oleh getaran. Semakin besar amplitudo, semakin besar energi yang dimiliki getaran tersebut. Contoh: pada ayunan, amplitudo adalah tinggi maksimum ayunan dari posisi terendahnya.
- Periode (T): Waktu yang diperlukan untuk melakukan satu kali getaran penuh. Satuan periode adalah sekon (s). Periode berbanding terbalik dengan frekuensi. Satu getaran penuh didefinisikan sebagai gerakan dari satu titik, melalui seluruh lintasannya, dan kembali ke titik awal. Contoh: periode ayunan adalah waktu yang dibutuhkan untuk bergerak dari titik tertinggi kiri, ke titik tertinggi kanan, dan kembali ke titik tertinggi kiri.
- Frekuensi (f): Banyaknya getaran yang terjadi dalam satu detik. Satuan frekuensi adalah Hertz (Hz). 1 Hz = 1 getaran per detik. Frekuensi berbanding terbalik dengan periode. Jika suatu benda bergetar dengan frekuensi 5 Hz, berarti dalam satu detik benda tersebut melakukan 5 getaran penuh.
- Simpangan (y): Jarak benda dari titik kesetimbangan pada suatu saat tertentu. Simpangan berubah-ubah selama getaran terjadi. Simpangan maksimum disebut amplitudo. Simpangan bisa diukur pada berbagai posisi selama getaran berlangsung.
- Titik Kesetimbangan: Posisi dimana benda tidak mengalami gaya pemulih (gaya yang mengembalikan benda ke posisi semula). Pada titik ini, benda cenderung diam jika tidak ada gangguan. Contoh: pada ayunan, titik kesetimbangan adalah posisi terendah ayunan saat tidak digerakkan.
Rumus Hubungan Periode dan Frekuensi:
f = 1/T atau T = 1/f
Keterangan: f = frekuensi (Hz), T = periode (s)
Contoh Soal Getaran
Soal: Sebuah bandul bergetar 120 kali dalam waktu 60 detik. Tentukan:
- Frekuensi getaran bandul
- Periode getaran bandul
Penyelesaian:
Diketahui: jumlah getaran (n) = 120, waktu (t) = 60 s
a. f = n/t = 120/60 = 2 Hz
Jadi, frekuensi getaran bandul adalah 2 Hz
b. T = 1/f = 1/2 = 0,5 s
Jadi, periode getaran bandul adalah 0,5 sekon
Contoh Getaran dalam Kehidupan Sehari-hari
Ayunan anak-anak di taman - contoh getaran yang mudah diamati dalam kehidupan sehari-hari
Getaran dapat kita temukan dalam berbagai aspek kehidupan, antara lain:
- Bandul jam dinding yang bergerak bolak-balik secara teratur untuk mengatur waktu
- Pegas yang ditarik kemudian dilepaskan akan bergetar sebelum akhirnya berhenti
- Senar gitar yang dipetik akan bergetar dan menghasilkan bunyi dengan nada tertentu
- Gempa bumi yang menyebabkan getaran pada permukaan bumi, dapat diukur dengan seismograf
- Mobil yang mesinnya hidup akan terasa getarannya, terutama pada bagian kemudi
- Ayunan anak-anak yang bergerak bolak-balik merupakan contoh getaran dengan periode dan amplitudo tertentu
- Jembatan gantung yang berayun karena angin atau beban yang lewat
- Alat musik seperti drum, piano, dan biola yang menghasilkan bunyi karena getaran
Bagian 2: Gelombang
Gelombang air di sungai - contoh gelombang mekanik yang memerlukan medium untuk merambat
Pengertian Gelombang
Gelombang adalah getaran yang merambat melalui medium atau ruang hampa. Gelombang membawa energi dari satu tempat ke tempat lain tanpa memindahkan materi mediumnya secara permanen.
Ketika gelombang merambat, partikel medium hanya bergetar di sekitar posisi setimbangnya, tetapi energi gelombang dapat berpindah jauh dari sumber getaran. Contoh sederhana adalah ketika kita melempar batu ke air tenang. Batu akan menimbulkan gangguan pada permukaan air yang kemudian merambat menjauh dari titik jatuhnya batu, tetapi air itu sendiri tidak berpindah secara keseluruhan.
Jenis-Jenis Gelombang
Berdasarkan arah rambat dan arah getarnya, gelombang dibedakan menjadi:
| Jenis Gelombang | Ciri-Ciri | Contoh | Gambar Ilustrasi |
|---|---|---|---|
| Gelombang Transversal | Arah getarnya tegak lurus terhadap arah rambat gelombang. Memiliki puncak dan lembah. | Gelombang pada tali, gelombang cahaya, gelombang elektromagnetik, gelombang air | ↕ → |
| Gelombang Longitudinal | Arah getarnya sejajar dengan arah rambat gelombang. Memiliki rapatan dan regangan. | Gelombang bunyi, gelombang pada pegas, gelombang seismik primer (P) | ↔ → |
Berdasarkan medium perambatannya, gelombang dibedakan menjadi:
- Gelombang Mekanik: Memerlukan medium untuk merambat. Contoh: gelombang bunyi, gelombang air, gelombang pada tali. Gelombang mekanik tidak dapat merambat di ruang hampa karena membutuhkan partikel-partikel medium untuk mentransfer energinya.
- Gelombang Elektromagnetik: Tidak memerlukan medium untuk merambat. Dapat merambat di ruang hampa. Contoh: gelombang cahaya, gelombang radio, sinar-X, sinar gamma. Gelombang elektromagnetik merambat dengan kecepatan cahaya (3 × 10^8 m/s di ruang hampa).
Gelombang laut - contoh gelombang mekanik yang dapat diamati dengan mudah
Istilah-Istilah dalam Gelombang
- Panjang Gelombang (λ): Jarak antara dua titik yang fasenya sama pada gelombang. Pada gelombang transversal, panjang gelombang adalah jarak antara dua puncak berurutan atau dua lembah berurutan. Satuan panjang gelombang adalah meter (m).
- Frekuensi Gelombang (f): Banyaknya gelombang yang melalui suatu titik tiap satuan waktu. Satuan: Hertz (Hz). Frekuensi gelombang ditentukan oleh sumber gelombang dan tidak berubah ketika gelombang merambat ke medium yang berbeda.
- Periode Gelombang (T): Waktu yang diperlukan untuk menempuh satu panjang gelombang. Satuan: sekon (s). Periode adalah kebalikan dari frekuensi (T = 1/f).
- Cepat Rambat Gelombang (v): Jarak yang ditempuh gelombang per satuan waktu. Satuan: m/s. Cepat rambat gelombang bergantung pada medium perambatannya. Contoh: cepat rambat bunyi di udara sekitar 340 m/s, sedangkan di air sekitar 1500 m/s.
- Amplitudo Gelombang (A): Simpangan maksimum gelombang dari titik kesetimbangan. Pada gelombang transversal, amplitudo adalah tinggi puncak atau kedalaman lembah dari garis kesetimbangan.
Rumus Cepat Rambat Gelombang:
v = λ × f atau v = λ / T
Keterangan: v = cepat rambat (m/s), λ = panjang gelombang (m), f = frekuensi (Hz), T = periode (s)
Contoh Soal Gelombang
Soal 1: Sebuah gelombang air memiliki panjang gelombang 2 meter dan periode 0,5 sekon. Hitung cepat rambat gelombang tersebut!
Penyelesaian:
Diketahui: λ = 2 m, T = 0,5 s
v = λ / T = 2 / 0,5 = 4 m/s
Jadi, cepat rambat gelombang air tersebut adalah 4 m/s
Soal 2: Gelombang bunyi merambat di udara dengan cepat rambat 340 m/s. Jika frekuensi gelombang bunyi tersebut adalah 680 Hz, hitung panjang gelombangnya!
Penyelesaian:
Diketahui: v = 340 m/s, f = 680 Hz
v = λ × f → λ = v / f = 340 / 680 = 0,5 m
Jadi, panjang gelombang bunyi tersebut adalah 0,5 meter
Sifat-Sifat Gelombang
- Pemantulan (Refleksi): Gelombang dapat dipantulkan ketika mengenai penghalang. Contoh: gema adalah bunyi yang dipantulkan. Hukum pemantulan gelombang: sudut datang sama dengan sudut pantul.
- Pembiasan (Refraksi): Pembelokan arah rambat gelombang ketika melewati medium yang berbeda kerapatannya. Contoh: sedotan yang terlihat patah ketika dimasukkan ke dalam gelas berisi air.
- Pelenturan (Difraksi): Pembelokan gelombang ketika melewati celah sempit atau penghalang. Contoh: kita dapat mendengar suara dari ruangan lain meskipun pintu hanya terbuka sedikit.
- Interferensi: Perpaduan dua gelombang yang bertemu. Dapat berupa interferensi konstruktif (saling menguatkan) atau destruktif (saling melemahkan). Contoh: pola terang dan gelap pada percobaan celah ganda.
- Polarisasi: Penyerapan arah getar gelombang transversal sehingga hanya memiliki satu arah getar. Contoh: kaca mata polaroid mengurangi silau dengan menyerap cahaya yang terpolarisasi.
- Dispersi: Penguraian gelombang berdasarkan frekuensinya. Contoh: pelangi adalah dispersi cahaya matahari oleh tetesan air hujan.
Pelangi - contoh dispersi gelombang cahaya menjadi berbagai warna
Contoh Gelombang dalam Kehidupan Sehari-hari
Gelombang memiliki banyak aplikasi dalam kehidupan sehari-hari dan teknologi:
- Gelombang suara untuk komunikasi (berbicara, telepon, pengeras suara)
- Gelombang radio untuk siaran televisi, radio, dan telepon seluler
- Gelombang cahaya untuk penglihatan, fotosintesis, dan teknologi laser
- Gelombang mikro untuk memasak (microwave) dan radar
- Gelombang seismik untuk mempelajari struktur bumi (gempa bumi)
- Gelombang ultrasonik untuk pemindaian medis (USG) dan sonar
- Gelombang inframerah untuk remote control dan kamera night vision
- Gelombang ultraviolet untuk sterilisasi dan pembuatan vitamin D di kulit
Bagian 3: Rumus-Rumus Penting
| Konsep | Rumus | Keterangan | Satuan |
|---|---|---|---|
| Hubungan Periode dan Frekuensi | T = 1/f atau f = 1/T | T = periode, f = frekuensi | T (s), f (Hz) |
| Cepat Rambat Gelombang | v = λ × f atau v = λ/T | v = cepat rambat, λ = panjang gelombang | v (m/s), λ (m) |
| Frekuensi Getaran | f = n/t | n = jumlah getaran, t = waktu | f (Hz), t (s) |
| Periode Getaran | T = t/n | n = jumlah getaran, t = waktu | T (s), t (s) |
| Energi Gelombang | E ~ A² × f² | E = energi, A = amplitudo, f = frekuensi | E (Joule), A (m) |
Contoh penerapan rumus:
Jika sebuah gelombang memiliki panjang gelombang 4 m dan frekuensi 0,5 Hz, maka:
v = λ × f = 4 m × 0,5 Hz = 2 m/s
T = 1/f = 1/0,5 = 2 s
Bagian 4: Contoh Soal dan Pembahasan Lengkap
Soal 1: Getaran Bandul
Sebuah bandul bergetar 80 kali dalam waktu 20 detik. Tentukan:
- Frekuensi getaran bandul
- Periode getaran bandul
- Jika bandul tersebut bergetar selama 2 menit, berapa kali bandul tersebut bergetar?
Pembahasan:
Diketahui: jumlah getaran (n) = 80, waktu (t) = 20 s
a. f = n/t = 80/20 = 4 Hz
b. T = 1/f = 1/4 = 0,25 s
c. Waktu = 2 menit = 120 detik
Jumlah getaran = f × t = 4 Hz × 120 s = 480 getaran
Soal 2: Gelombang Air
Gelombang air di kolam memiliki panjang gelombang 1,5 m dan periode 0,3 s. Hitung:
- Frekuensi gelombang
- Cepat rambat gelombang
- Jika panjang gelombang diperpendek menjadi 1 m tetapi frekuensi tetap, berapa cepat rambat gelombang yang baru?
Pembahasan:
Diketahui: λ = 1,5 m, T = 0,3 s
a. f = 1/T = 1/0,3 ≈ 3,33 Hz
b. v = λ × f = 1,5 m × 3,33 Hz ≈ 5 m/s
c. λ baru = 1 m, f tetap = 3,33 Hz
v baru = λ baru × f = 1 m × 3,33 Hz ≈ 3,33 m/s
Soal 3: Gelombang Bunyi
Sebuah sumber bunyi memiliki frekuensi 500 Hz. Jika cepat rambat bunyi di udara adalah 340 m/s:
- Hitung panjang gelombang bunyi tersebut!
- Berapa periode gelombang bunyi tersebut?
- Jika frekuensi diubah menjadi 1000 Hz, berapa panjang gelombangnya (anggap cepat rambat tetap)?
Pembahasan:
Diketahui: f = 500 Hz, v = 340 m/s
a. v = λ × f → λ = v/f = 340/500 = 0,68 m
b. T = 1/f = 1/500 = 0,002 s = 2 ms
c. f baru = 1000 Hz
λ baru = v/f baru = 340/1000 = 0,34 m
Rangkuman
- Getaran adalah gerak bolak-balik suatu benda melalui titik kesetimbangan dengan periode dan amplitudo tertentu.
- Periode (T) adalah waktu untuk satu getaran penuh, satuan sekon (s).
- Frekuensi (f) adalah banyaknya getaran per detik, satuan Hertz (Hz).
- Gelombang adalah getaran yang merambat melalui medium atau ruang hampa.
- Gelombang transversal: arah getar tegak lurus arah rambat (contoh: gelombang air, cahaya).
- Gelombang longitudinal: arah getar sejajar arah rambat (contoh: gelombang bunyi).
- Cepat rambat gelombang: v = λ × f = λ/T.
- Gelombang mekanik memerlukan medium untuk merambat, gelombang elektromagnetik tidak.
- Gelombang memiliki sifat: pemantulan, pembiasan, difraksi, interferensi, polarisasi, dan dispersi.
- Getaran dan gelombang banyak aplikasinya dalam teknologi komunikasi, medis, dan kehidupan sehari-hari.
Bagian 5: Tugas dan Evaluasi
Soal Pilihan Ganda
1. Getaran adalah gerakan bolak-balik melalui titik kesetimbangan. Yang BUKAN contoh getaran dalam kehidupan sehari-hari adalah...
a. Ayunan anak-anak
b. Bandul jam dinding
c. Mobil yang bergerak lurus
d. Senar gitar yang dipetik
2. Satuan dari frekuensi getaran adalah...
a. meter
b. Hertz
c. sekon
d. meter/sekon
3. Jika periode suatu getaran adalah 0,2 sekon, maka frekuensinya adalah...
a. 0,2 Hz
b. 2 Hz
c. 5 Hz
d. 20 Hz
4. Gelombang yang arah getarnya tegak lurus dengan arah rambatnya disebut gelombang...
a. longitudinal
b. transversal
c. mekanik
d. elektromagnetik
5. Contoh gelombang yang dapat merambat di ruang hampa adalah...
a. gelombang bunyi
b. gelombang air
c. gelombang cahaya
d. gelombang pada tali
Soal Esai
1. Jelaskan perbedaan antara getaran dan gelombang! Berikan masing-masing 2 contoh!
2. Sebuah ayunan bergerak dari titik A (paling kiri) ke titik B (paling kanan) dan kembali ke titik A membutuhkan waktu 4 detik. Hitung:
- Periode ayunan tersebut
- Frekuensi ayunan tersebut
- Jika ayunan bergerak selama 2 menit, berapa kali ayunan tersebut bergerak dari titik A ke titik B?
3. Gelombang bunyi dengan frekuensi 440 Hz merambat di udara dengan kecepatan 330 m/s. Hitung panjang gelombangnya!
4. Jelaskan 3 sifat gelombang beserta contohnya dalam kehidupan sehari-hari!
5. Mengapa gelombang bunyi termasuk gelombang mekanik? Jelaskan!
Percobaan Sederhana: Lakukan percobaan berikut untuk memahami konsep getaran dan gelombang:
- Ikatkan beban (misalnya penghapus) pada ujung tali sepanjang 50 cm, lalu ayunkan. Hitung waktu yang diperlukan untuk 10 ayunan penuh, kemudian hitung periode dan frekuensinya.
- Isi baskom dengan air, lalu jatuhkan tetesan air dari pipet atau sendok ke permukaan air. Amati pola gelombang yang terbentuk. Ukur jarak antara dua puncak gelombang untuk memperkirakan panjang gelombang.
- Rentangkan tali sepanjang 2-3 meter, pegang salah satu ujungnya, dan gerakkan naik turun secara teratur. Amati gelombang yang merambat pada tali. Coba ubah cepat gerakan tangan dan amati perubahan pada gelombang yang terbentuk.
Melakukan percobaan sains untuk memahami konsep getaran dan gelombang
Posting Komentar untuk "Getaran dan Gelombang"
Posting Komentar