Energi, Daya, Intensitas gelombang

• Tuesday Jan 5,2010 09:17 PM
• By san
• In Gelombang Mekanik

Dirimu pernah mandi di laut ? yang gurumuda maksudkan adalah ketika air laut sedang bergelombang. Seandainya pernah, dirimu pasti pernah merasa terhempas ketika diterpa gelombang laut… Mengapa tubuh kita terhempas ketika diterpa gelombang laut ? Apabila dirimu tinggal di kota dan sering mandi di kolam renang, coba lakukan percobaan berikut. Guncangkan tanganmu di dalam air kolam sampai air kolam tersebut bergelombang. Ketika air kolam menjadi bergelombang, apakah dirimu merasakan dorongan yang ditimbulkan air tersebut ? walaupun efeknya kecil, gurumuda yakin dirimu pasti merasakan dorongan air kolam…

Kalo dirimu belum pernah mandi di laut atau di kolam renang, coba lakukan percobaan berikut… cari seutas tali yang agak panjang… minta bantuan seorang teman untuk menggerakan salah satu ujung tali naik turun, sehingga tali tersebut bergelombang… nah, dirimu berdiri di ujung tali yang lain. Usahakan agar dirimu berdiri tepat pada ujung tali (talinya jangan dipegang, dibiarkan saja di lantai atau tanah). Ketika temanmu menggerakkan tali dengan kuat, pasti akan terasa sakit jika salah satu ujung tali mengenai tubuhmu… mengapa tubuhmu bisa terasa sakit ?

Penjelasan panjang lebar di atas hanya mau menunjukkan kepadamu bahwa setiap gelombang selalu membawa energi dari satu tempat ke tempat lain. Ketika mandi di laut, tubuh kita terhempas ketika diterpa gelombang laut karena terdapat energi pada gelombang laut. Energi yang terdapat pada gelombang laut bisa bersumber dari angin dkk. Ketika dirimu mengguncangkan tangan di dalam air kolam, sebenarnya dirimu sedang memindahkan energi pada air. Ingat lagi teorema kerja-energi. Ketika dirimu mengguncangkan tangan di dalam air, sebenarnya dirimu mendorong atau memberi gaya dorong pada air. Adanya dorongan menyebabkan air bergerak. Perhatikan bahwa arah gerakan air pasti searah dengan arah doronganmu… karena air bergerak atau mengalami perpindahan akibat adanya gaya dorong yang dirimu berikan maka bisa dikatakan bahwa dirimu melakukan usaha alias kerja pada air. Pelajari lagi materi usaha dan energi kalo dirimu lupa

Ketika dirimu melakukan kerja pada air, energi berpindah dari dirimu menuju air… energi tersebut selanjutnya dipindahkan dari satu tempat ke tempat lain selama perambatan gelombang dalam air… dirimu bisa terhempas atau merasakan efek dorongan ketika gelombang mengenaimu… ingat ya, energi merupakan kemampuan untuk melakukan kerja dan gelombang merupakan getaran yang merambat… Dirimu bisa terhempas karena setiap molekul air yang bergetar melakukan usaha alias kerja padamu… Usaha alias kerja bisa terjadi jika ada gaya, karenanya bisa dikatakan bahwa molekul-molekul air yang sedang berosilasi memberikan gaya dorong alias mendorong-dorong dirimu

Hal yang sama terjadi ketika gelombang merambat melalui tali. Ketika temanmu menggerakkan tali naik turun (temanmu mendorong tali ke atas dan ke bawah), pada saat yang sama temanmu melakukan usaha alias kerja pada tali yang dipegangnya. Tentu saja energi berpindah dari temanmu menuju tali… ketika bagian tali yang digerakkan oleh temanmu bergerak ke atas dan ke bawah, bagian tali yang bergerak tersebut akan mendorong temannya yang ada disampingnya… temannya tentu bergerak. temannya ikut2an mendorong temannya yang ada di samping… demikian seterusnya. Jadi selama setiap bagian tali bergerak naik turun alias berosilasi di sekitar posisi setimbangnya, setiap bagian tali tersebut melakukan usaha alias kerja pada temannya. Pada saat yang sama energi berpindah dari satu bagian tali ke bagian tali yang lain… ketika ujung tali mengenai tubuhmu, tubuhmu akan terasa sakit… tubuhmu bisa sakit karena ujung tali tersebut mencoba melakukan usaha alias kerja padamu… Dalam hal ini, ujung tali tersebut memberikan gaya dorong pada tubuhmu… gaya dorong yang diberikan oleh ujung tali pada tubuhmu berlangsung selama selang waktu yang sangat singkat (gaya impuls) sehingga tubuhmu terasa sakit… ingat lagi materi impuls dan momentum.

Penjelasan gurumuda sebelumnya bersifat kualitatif alias tidak pake rumus segala… kali ini kita mencoba mengobok2 rumus berkaitan dengan energi yang dipindahkan selama perambatan gelombang harmonik melalui medium tertentu. Sebagaimana telah dijelaskan sebelumnya, gelombang merupakan getaran yang merambat… karenanya jika kita membahas gelombang maka kita tidak bisa memisahkan diri dari getaran. Demikian juga jika kita membahas gelombang harmonik maka kita tidak bisa memisahkan diri dari gerak harmonik sederhana. Keduanya punya kaitan erat, termasuk persamaan alias rumus2 yang kita gunakan…

Dalam pokok bahasan energi Gerak Harmonik Sederhana (materi getaran), kita sudah mempelajari bahwa energi total yang dimiliki oleh suatu benda yang berosilasi di ujung pegas dinyatakan melalui persamaan :

di mana A adalah amplitudo, sedangkan k adalah konstanta gaya (bukan bilangan gelombang). Kita bisa menurunkan persamaan konstanta gaya (k) dari persamaan periode GHS :

Kita gantikan k dalam persamaan Energi GHS dengan k pada persamaan di atas :

Sebagai contoh untuk meninjau energi yang dipindahkan selama perambatan gelombang, kita tinjau gelombang harmonik yang berbentuk transversal yang merambat melalui tali. Perhatikan gambar di bawah :

Tali bisa dianggap terdiri dari potongan2 kecil, di mana masing2 potongan tali tersebut bermassa delta m. Ketika gelombang merambat melalui tali, setiap bagian tali atau setiap potongan tali melakukan gerak harmonik sederhana. Dengan demikian, setiap potongan tali  memiliki energi yang dinyatakan melalui persamaan : delta x bisa dianggap sebagai jarak yang ditempuh gelombang selama selang waktu delta t. Karenanya delta x bisa dinyatakan dalam persamaan :

Di mana v merupakan laju perambatan gelombang. Kita masukan persamaan ini ke dalam persamaan energi  :

Berdasarkan persamaan ini tampak bahwa energi yang dibawa oleh gelombang berbanding lurus alias sebanding dengan kuadrat frekuensi (f²) dan kuadrat amplitudo (A²) dan laju gelombang (v).

Daya merupakan laju perpindahan energi. Daya yang dipindahkan oleh gelombang harmonik adalah :

Keterangan :

Intensitas Gelombang

Sebelumnya kita sudah membahas energi dan daya yang dibawa oleh gelombang harmonik ketika merambat melalui tali. Jika kita berbicara mengenai gelombang tiga dimensi (gelombang yang merambat melalui ruang, misalnya gelombang bunyi atau gelombang gempa) maka lebih penting jika kita membahas Intensitas (I) gelombang.

Intensitas (I) gelombang merupakan daya yang dibawa oleh gelombang melalui satu satuan luas yang tegak lurus dengan arah perambatan gelombang. Untuk membantu kita menurunkan persamaan intensitas gelombang, perhatikan gambar di bawah :

Kita tulis lagi persamaan energi sebelumnya :

Keterangan :

Daya yang dipindahkan oleh gelombang harmonik adalah :

Intensitas (I) gelombang :

Dari persamaan ini tampak bahwa intensitas sebanding dengan kuadrat amplitudo, kuadrat frekuensi sudut, laju dan massa jenis medium.

Referensi
Giancoli, Douglas C., 2001, Fisika Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga
Halliday dan Resnick, 1991, Fisika Jilid I, Terjemahan, Jakarta : Penerbit Erlangga
Tipler, P.A.,1998, Fisika untuk Sains dan Teknik-Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penebit Erlangga
Young, Hugh D. & Freedman, Roger A., 2002, Fisika Universitas (terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga
Share on Facebook

Silahkan meminta bantuan om google di bawah (Pencarian khusus untuk blog gurumuda)