Gelombang mekanik: karakteristik, sifat, formula, jenis

Gelombang mekanis adalah gangguan yang membutuhkan media fisik untuk menyebar. Contoh terdekat adalah dalam suara, yang mampu ditransmisikan melalui gas, cairan atau padatan.

Gelombang mekanis terkenal lainnya adalah gelombang yang terjadi ketika Anda menekan tali yang kencang dari alat musik. Atau riak-riak melingkar yang disebabkan oleh batu yang dilemparkan ke dalam kolam.

Ketegangan pada tali cenderung mengembalikannya ke posisi setimbang, sementara kerapatan massa mencegah hal ini terjadi segera.

Rumus dan persamaan

Persamaan berikut berguna dalam menyelesaikan latihan berikut:

Frekuensi sudut:

ω = 2πf

Periode:

T = 1 / f

Kepadatan linear massa:

v = λ.f

v = λ / T

v = λ / 2π

Kecepatan gelombang yang merambat pada string:

Contoh terpecahkan

Latihan 1

Gelombang sinus yang ditunjukkan pada Gambar 2 bergerak ke arah sumbu x positif dan memiliki frekuensi 18, 0 Hz. Diketahui bahwa 2a = 8, 26 cm dan b / 2 = 5, 20 cm. Temukan:

a) Amplitudo.

b) Panjang gelombang.

c) Periode.

d) Kecepatan gelombang.

Solusi

a) Amplitudo adalah a = 8, 26 cm / 2 = 4, 13 cm

b) Panjang gelombang adalah l = b = 2 x20 cm = 10, 4 cm.

c) Periode T adalah kebalikan dari frekuensi, oleh karena itu T = 1 / 18.0 Hz = 0, 056 dtk.

d) Kecepatan gelombang adalah v = lf = 10, 4 cm. 18 Hz = 187, 2 cm / s.

Latihan 2

Kawat tipis sepanjang 75 cm memiliki massa 16, 5 g. Salah satu ujungnya terpaku pada paku, sementara yang lain memiliki sekrup yang memungkinkan menyesuaikan tegangan pada kawat. Hitung:

a) Kecepatan gelombang ini.

b) Tegangan di Newton diperlukan sehingga gelombang transversal yang panjang gelombangnya 3, 33 cm bergetar pada kecepatan 625 siklus per detik.

Solusi

a) Dengan menggunakan v = λ.f, valid untuk setiap gelombang mekanis dan mensubstitusi nilai numerik, kami memperoleh:

v = 3, 33 cm x 625 siklus / detik = 2081, 3 cm / s = 20, 8 m / s

b) Kecepatan gelombang yang merambat melalui string adalah:

Ketegangan T dalam tali diperoleh dengan menaikkannya persegi di kedua sisi kesetaraan dan membersihkan:

T = v2.μ = 20.82. 2, 2 x 10-6 N = 9, 52 x 10-4 N.

Suara: gelombang longitudinal

Suara adalah gelombang longitudinal, sangat mudah divisualisasikan. Untuk ini, hanya slinky, pegas heliks fleksibel, yang dengannya banyak percobaan dapat dilakukan untuk menentukan bentuk gelombang.

Gelombang longitudinal terdiri dari pulsa yang menekan dan memperluas medium secara bergantian. Zona terkompresi disebut "kompresi" dan zona di mana spiral pegas lebih dipisahkan adalah "ekspansi" atau "penghalusan". Kedua zona bergerak di sepanjang sumbu aksial dari slinky dan membentuk gelombang longitudinal.

Dengan cara yang sama seperti salah satu bagian dari pegas dikompresi dan yang lainnya diregangkan ketika energi bergerak di samping gelombang, suara memampatkan bagian-bagian dari udara di sekitar sumber yang mengeluarkan gangguan. Karena itu tidak dapat menyebar dalam ruang hampa.

Untuk gelombang longitudinal, parameter yang dijelaskan di atas untuk gelombang transversal periodik juga valid: amplitudo, panjang gelombang, periode, frekuensi, dan kecepatan gelombang.

Gambar 5 menunjukkan panjang gelombang dari gelombang longitudinal yang bergerak di sepanjang pegas koil.

Di dalamnya dua titik yang terletak di tengah dua kompresi berturut-turut telah dipilih, untuk menunjukkan nilai panjang gelombang.

Kompresi adalah setara dengan puncak dan ekspansi adalah dari lembah-lembah dalam gelombang transversal, karenanya gelombang suara juga dapat diwakili oleh gelombang sinus.

Karakteristik suara: frekuensi dan intensitas

Suara adalah jenis gelombang mekanis dengan beberapa sifat yang sangat istimewa, yang membedakannya dari contoh yang telah kita lihat sejauh ini. Kemudian kita akan melihat apa saja properti yang paling relevan.

Frekuensi

Frekuensi suara dianggap oleh telinga manusia sebagai suara tinggi (frekuensi tinggi) atau suara rendah (frekuensi rendah).

Rentang frekuensi yang dapat didengar di telinga manusia adalah antara 20 dan 20.000 Hz. Di atas 20.000 Hz adalah suara yang disebut ultrasound dan di bawah infrasonik, frekuensi yang tidak terdengar oleh manusia, tetapi dapat dipahami oleh anjing dan hewan lain. dan gunakan.

Misalnya, kelelawar memancarkan gelombang ultrasonik dengan hidung untuk menentukan lokasi mereka dalam kegelapan dan juga dengan cara komunikasi.

Hewan-hewan ini memiliki sensor yang dengannya mereka menerima gelombang yang dipantulkan dan dalam beberapa cara menginterpretasikan waktu tunda antara gelombang yang dipancarkan dan yang dipantulkan serta perbedaan dalam frekuensi dan intensitasnya. Dengan data ini mereka menyimpulkan jarak yang telah mereka tempuh, dan dengan cara ini mereka dapat mengetahui di mana serangga berada dan terbang di antara celah-celah gua yang mereka huni.

Mamalia laut seperti paus dan lumba-lumba memiliki sistem yang serupa: mereka memiliki organ khusus yang dipenuhi lemak di kepala mereka, yang dengannya mereka mengeluarkan suara, dan sensor yang sesuai di rahang mereka yang mendeteksi suara yang dipantulkan. Sistem ini dikenal sebagai echolocation.

Intensitas

Intensitas gelombang suara didefinisikan sebagai energi yang diangkut per unit waktu dan per unit area. Energi per unit waktu adalah kekuatan. Oleh karena itu intensitas suara adalah daya per satuan luas dan datang dalam watt / m2 atau W / m2. Telinga manusia menganggap intensitas gelombang sebagai volume: semakin banyak volume musik, semakin kuat intensitasnya.

Telinga mendeteksi intensitas antara 10-12 dan 1 W / m2 tanpa rasa sakit, tetapi hubungan antara intensitas dan volume yang dirasakan tidak linier. Untuk menghasilkan suara dengan volume dua kali lipat, diperlukan gelombang dengan intensitas 10 kali lebih banyak.

Tingkat intensitas suara adalah intensitas relatif yang diukur dalam skala logaritmik, di mana unit adalah bel dan paling sering desibel atau desibel.

Tingkat intensitas suara dinotasikan sebagai β dan diberikan dalam desibel oleh:

β = 10 log (I / I _o )

Di mana saya adalah intensitas suara dan saya _atau adalah tingkat referensi yang diambil sebagai ambang pendengaran dalam 1 x 10-12 W / m2.

Eksperimen praktis untuk anak-anak

Anak-anak dapat belajar banyak tentang gelombang mekanis sambil bersenang-senang. Berikut adalah beberapa percobaan sederhana untuk memeriksa bagaimana gelombang mentransmisikan energi, yang dimungkinkan untuk dimanfaatkan.

-Eksperimen 1: Interkom

Material

- 2 gelas plastik yang tingginya jauh lebih besar dari diameternya.

- Antara 5 dan 10 meter benang yang kuat.

Implementasi

Tusuk pangkal cangkir untuk melewati benang dan amankan dengan simpul di setiap ujungnya agar benang tidak keluar.

- Setiap pemain mengambil gelas dan mereka bergerak dalam garis lurus, memastikan bahwa utasnya tegang.

- Salah satu pemain menggunakan gelasnya sebagai mikrofon dan berbicara dengan rekannya, yang tentu saja harus meletakkan gelasnya di telinganya untuk mendengarkan. Tidak perlu berteriak.

Pendengar akan segera melihat bahwa suara pasangannya dikirim melalui utas benang. Jika utasnya tidak tegang, suara teman Anda tidak akan terdengar jelas. Anda juga tidak akan mendengar apa pun jika Anda meletakkan utas langsung di telinga, gelas itu perlu untuk didengar.

Penjelasan

Kita tahu dari bagian sebelumnya bahwa ketegangan dalam string mempengaruhi kecepatan gelombang. Transmisinya juga tergantung pada bahan dan diameter kapal. Ketika pasangan berbicara, energi suaranya ditransmisikan ke udara (gelombang longitudinal), dari sana ke bagian bawah kaca dan kemudian sebagai gelombang transversal melalui kawat.

Kawat mentransmisikan gelombang ke bagian bawah kaca pendengar, yang bergetar. Getaran ini ditransmisikan ke udara dan dirasakan oleh gendang telinga dan ditafsirkan oleh otak.

-Eksperimen 2: Mengamati ombak

Implementasi

Di atas meja atau permukaan datar memanjang slinky, pegas heliks fleksibel dengan berbagai jenis gelombang dapat dibentuk.

Gelombang longitudinal

Ujung-ujungnya dipegang, satu di masing-masing tangan. Kemudian pulsa horisontal kecil diaplikasikan di salah satu ujung dan pulsa diamati untuk merambat sepanjang pegas.

Anda juga dapat menempatkan salah satu ujung slinky tetap ke beberapa dukungan atau meminta pasangan untuk memegangnya, cukup regangkan. Dengan cara ini ada lebih banyak waktu untuk mengamati bagaimana kompresi dan ekspansi saling mengikuti, menyebar dengan cepat dari satu ujung dermaga ke ujung yang lain, seperti yang dijelaskan pada bagian sebelumnya.

Gelombang transversal

Ini juga memegang slinky di salah satu ujungnya, cukup meregangkannya. Ujung bebas diberikan sedikit goyangan dengan mengocoknya ke atas dan ke bawah. Denyut sinusoidal diamati bergerak sepanjang pegas dan kembali.