Gelombang mekanik, sifat, formula, jenis

A Gelombang mekanis Itu adalah gangguan yang membutuhkan lingkungan fisik untuk menyebar. Contoh terdekat adalah dalam suara, mampu mentransmisikan melalui gas, cairan atau padatan.

Gelombang mekanik lain yang terkenal adalah yang terjadi ketika tali tegang alat musik ditekan. Atau undulasi melingkar biasanya yang menyebabkan batu dilemparkan ke dalam kolam.

Gambar 1. Tali tegang dari alat musik bergetar dengan gelombang silang. Sumber: Pixabay.

Gangguan bergerak melalui media yang menghasilkan berbagai perpindahan dalam partikel yang menyusunnya, tergantung pada jenis gelombang. Saat gelombang lewat, setiap partikel medium melakukan gerakan berulang yang secara singkat memisahkannya dari posisi keseimbangannya.

Durasi gangguan tergantung pada energinya. Dalam gerakan bergelombang, energi adalah apa yang menyebar dari satu sisi media ke yang lain, karena partikel -partikel yang bergetar tidak pernah bergerak terlalu jauh dari tempat asalnya.

Gelombang dan energi yang diangkutnya dapat bergerak jarak jauh. Saat gelombang menghilang, itu karena energinya akhirnya menghilang di tengah, menjadi sepi dan sunyi seperti sebelum gangguan.

[TOC]

Jenis Gelombang Mekanik

Gelombang mekanik diklasifikasikan menjadi tiga kelompok utama:

- Gelombang silang.

- Gelombang longitudinal.

- Gelombang superfisial.

Gelombang silang

Dalam gelombang transversal, partikel bergerak tegak lurus ke arah propagasi. Misalnya partikel tali dari rentang gambar berikut secara vertikal sementara gelombang bergerak dari kiri ke kanan:

Gambar 2. Gelombang transversal pada tali. Arah propagasi gelombang dan arah pergerakan partikel individu tegak lurus. Sumber: Sharon Bewick [CC BY-SA 3.0 (https: // createveCommons.Org/lisensi/by-sa/3.0)]

Gelombang longitudinal

Dalam gelombang longitudinal arah propagasi dan arah pergerakan partikel paralel.

Gambar 3. Gelombang longitudinal. Sumber: Polpol [CC BY-SA 3.0 (https: // createveCommons.Org/lisensi/by-sa/3.0)]

Gelombang superfisial

Dalam gelombang laut, gelombang longitudinal dan gelombang transversal digabungkan di permukaan, karenanya mereka adalah gelombang superfisial, bepergian di perbatasan antara dua cara yang berbeda: air dan udara, seperti yang dapat dilihat pada gambar berikut ini.

Gambar 4. Gelombang laut yang menggabungkan gelombang longitudinal dan melintang. Sumber: Pixabay yang dimodifikasi.

Saat memecahkan gelombang di pantai, komponen longitudinal mendominasi. Oleh karena itu diamati bahwa ganggang yang dekat dengan pantai memiliki gerakan gerakan terbelakang dan terbelakang.

Contoh berbagai jenis gelombang: gerakan seismik

Selama gempa ada berbagai jenis gelombang yang bergerak di dunia, termasuk gelombang longitudinal dan gelombang transversal.

Gelombang seismik longitudinal disebut gelombang P, sedangkan melintang adalah gelombang S.

Denominasi P disebabkan oleh fakta bahwa mereka adalah gelombang tekanan dan juga merupakan yang utama ketika mereka tiba lebih dulu, sedangkan transversal adalah S dengan "geser" atau geser dan juga sekunder, karena mereka tiba setelah p.

Karakteristik dan Properti

Gelombang kuning pada Gambar 2 adalah gelombang periodik, yang terdiri dari gangguan identik yang bergerak dari kiri ke kanan. Perhatikan begitu banyak ke sebagai B Mereka memiliki nilai yang sama di masing -masing wilayah gelombang.

Gangguan gelombang periodik diulang baik dalam waktu maupun di ruang angkasa, mengadopsi bentuk kurva sinusoidal yang ditandai dengan memiliki punggung atau puncak, yang merupakan titik tertinggi, dan lembah di mana titik terendah berada.

Contoh ini akan berfungsi untuk mempelajari karakteristik paling penting dari gelombang mekanik.

Amplitudo gelombang dan panjang gelombang

Dengan asumsi bahwa gelombang dalam ara. Garis ini akan bertepatan dengan posisi di mana tali sedang istirahat.

Dapat melayani Anda: BTU (Unit Termal): Kesetaraan, Penggunaan, Contoh

Nilai A disebut amplitudo gelombang dan biasanya ditolak dengan huruf a. Di sisi lain, jarak antara dua lembah atau dua punggungan berturut -turut adalah panjang gelombang L dan sesuai dengan besarnya yang disebut B Pada Gambar 2.

Periode dan frekuensi

Menjadi fenomena berulang dari waktu ke waktu, gelombang memiliki periode T yang merupakan waktu yang dibutuhkan untuk membuat siklus yang lengkap, sedangkan frekuensi F adalah kebalikan atau timbal balik dari periode tersebut dan sesuai dengan jumlah siklus yang dibuat per unit waktu.

Frekuensi f memiliki unit dalam sistem internasional pada kebalikan waktu: s^-1 atau Hertz, untuk menghormati Heinrich Hertz, yang menemukan gelombang radio pada tahun 1886. 1 Hz ditafsirkan sebagai frekuensi yang setara dengan siklus atau getaran per detik.

Kecepatan v gelombang menghubungkan frekuensi dengan panjang gelombang:

V = λ.F = l/t

Frekuensi sudut

Konsep lain yang berguna adalah frekuensi sudut Ω yang diberikan oleh:

Ω = 2πf

Kecepatan gelombang mekanis berbeda tergantung pada media di mana mereka bergerak. Sebagai aturan, gelombang mekanis lebih cepat ketika mereka melakukan perjalanan melalui padatan, dan lebih lambat dalam gas, termasuk atmosfernya.

Secara umum, kecepatan banyak jenis gelombang mekanis dihitung dengan ekspresi berikut:

Misalnya, untuk gelombang yang menyebar di sepanjang tali, kecepatan diberikan oleh:

Di mana t adalah tegangan pada tali dan μ adalah kepadatan massa linier, yang dalam unit sistem internasional datang dalam kg/m.

Ketegangan pada tali cenderung kembali ke posisi keseimbangannya, sedangkan kepadatan massa mencegah hal ini terjadi segera.

Rumus dan Persamaan

Persamaan berikut ini berguna dalam resolusi latihan yang mengikuti:

Frekuensi sudut:

Ω = 2πf

Periode:

T = 1/f

Kepadatan linier massal:

 Kecepatan gelombang:

V = λ.F

V = λ/t

V = λ/2π

Kecepatan gelombang yang menyebar pada tali:

Contoh terpecahkan

Latihan 1

Gelombang sinusoidal 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. Menemukan:

a) amplitudo.

b) panjang gelombang.

c) periode.

D) Kecepatan Gelombang.

Larutan

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 s.

d) kecepatan gelombang adalah v = l.F = 10.4 cm . 18 Hz = 187.2 cm /s.

Latihan 2

Kawat panjang 75 cm memiliki massa 16.5 g. Salah satu ujungnya diperbaiki untuk memaku, sedangkan yang lain memiliki sekrup yang memungkinkan Anda menyesuaikan ketegangan pada kawat. Menghitung:

a) kecepatan gelombang ini.

b) Ketegangan di Newton yang diperlukan untuk gelombang melintang yang panjang gelombangnya 3.33 cm viber dengan kecepatan 625 siklus per detik.

Larutan

a) menggunakan v = λ.F, valid untuk gelombang mekanis apa pun dan mengganti nilai numerik diperoleh:

V = 3.33 cm x 625 siklus/kedua = 2081.3 cm/s = 20.8 m/s

b) Kecepatan gelombang yang menyebar melalui tali adalah:

Di mana μ adalah kepadatan massa linier, yang diberikan oleh:

Tegangan T pada tali diperoleh dengan menaikkannya di kedua sisi kesetaraan dan kliring:

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 satu yang dibutuhkan Slinky, Dermaga heliks yang fleksibel dengan mana banyak percobaan dapat dilakukan untuk menentukan bentuk gelombang.

Itu dapat melayani Anda: pengurangan vektor: metode grafis, contoh, latihan

Gelombang longitudinal terdiri dari pulsa yang menekan dan memperluas medium secara bergantian. Area terkompresi disebut "kompresi" dan area di mana spiral spiral lebih terpisah adalah "ekspansi" atau "rarefaction". Kedua area bergerak di sepanjang sumbu aksial yang licin dan membentuk gelombang longitudinal.

Gambar 5. Gelombang longitudinal menyebar di sepanjang dermaga heliks. Sumber: Made sendiri.

Demikian pula sebagai bagian dari dermaga dikompresi dan yang lainnya membentang saat energi bergerak di sebelah gelombang, suara mengompres bagian udara yang mengelilingi sumber yang memancarkan gangguan. Karena alasan itu tidak dapat menyebar dalam ruang hampa.

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

Gambar 5 menunjukkan panjang gelombang gelombang longitudinal yang bergerak di sepanjang dermaga heliks.

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

Kompresi setara dengan punggung bukit dan ekspansi adalah lembah dalam gelombang transversal, karenanya gelombang suara juga dapat diwakili oleh gelombang sinusoidal.

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. Selanjutnya kita akan melihat apa sifatnya yang paling relevan.

Frekuensi

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

Kisaran frekuensi yang terdengar di telinga manusia adalah antara 20 dan 20.000 Hz. Di atas 20.000 Hz adalah suara yang disebut USG dan di bawah ini, frekuensi yang tidak terdengar untuk manusia, tetapi anjing dan hewan lain dapat memahami dan menggunakan.

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

Hewan -hewan ini memiliki sensor yang dengannya mereka menerima gelombang yang dipantulkan dan entah bagaimana menafsirkan waktu tunda antara gelombang yang dipancarkan dan yang dipantulkan dan 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 dihuni.

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

Intensitas

Intensitas gelombang suara didefinisikan sebagai energi yang diangkut per unit waktu dan per unit area. Energi per unit waktu adalah daya. Oleh karena itu intensitas suara adalah kekuatan per unit area dan datang dalam watt/m² atau w/m². Telinga manusia merasakan intensitas gelombang sebagai volume: semakin banyak volume yang dimiliki musik, semakin intensnya.

Telinga mendeteksi intensitas antara 10^-12  dan 1 w/m² Tanpa merasakan sakit, tetapi hubungan antara intensitas dan volume yang dirasakan tidak linier. Untuk menghasilkan suara dengan volume ganda, gelombang diperlukan dengan intensitas 10 kali lebih banyak.

Itu dapat melayani Anda: Pascal Tonel: Cara kerjanya dan eksperimen

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

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

β = 10 log (I/I_{salah satu})

Di mana saya adalah intensitas suara dan saya_{salah satu} Ini 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 memanfaatkan.

-Eksperimen 1: Interkom

Bahan

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

- Antara 5 dan 10 meter utas yang kuat.

Dipraktikkan

Bor pangkal kapal untuk melewati benang melalui mereka dan mengamankannya dengan simpul di setiap ujung sehingga benang tidak keluar.

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

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

Pendengar akan segera menyadari bahwa suara suara pasangannya ditransmisikan melalui utas tegang. Jika utasnya tidak tegang, suara temannya tidak akan didengar dengan jelas. Juga tidak ada yang didengar jika utas diletakkan langsung di telinga, kaca diperlukan untuk mendengarkan.

Penjelasan

Kita tahu bagian sebelumnya bahwa ketegangan pada tali mempengaruhi kecepatan gelombang. Transmisi 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 melintang melalui benang.

Benang 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 Gelombang

Dipraktikkan

Tabel atau permukaan datar memanjang a Slinky, Dermaga heliks yang fleksibel dengan mana berbagai jenis gelombang dapat terbentuk.

Gambar 6. Musim semi heliks untuk dimainkan, dikenal sebagai slinky. Sumber: Pixabay.

Gelombang longitudinal

Ujungnya diadakan, satu di masing -masing tangan. Kemudian impuls horizontal kecil diterapkan di satu ujung dan diamati bagaimana pulsa menyebar di sepanjang pegas.

Anda juga dapat menempatkan salah satu ujung dari Slinky diperbaiki untuk mendapatkan dukungan atau meminta pasangan untuk menahannya, cukup meregangkannya. Dengan cara ini ada lebih banyak waktu untuk mengamati bagaimana kompresi dan ekspansi terjadi menyebar dari satu ujung dermaga dengan cepat, seperti yang dijelaskan dalam bagian sebelumnya.

Gelombang silang

Slinky juga dipegang oleh salah satu ujungnya, cukup meregangkannya. Ujung bebas diberi sedikit goyangan yang diaduk di atas dan ke bawah. Denyut nadi sinusoidal diamati bergerak di sepanjang musim semi dan kembali.

Referensi

1. Giancoli, d. (2006). Fisika: Prinsip dengan aplikasi. Edisi Keenam. Prentice Hall. 308-336.
2. Hewitt, Paul. (2012). Ilmu Fisik Konseptual. Edisi Kelima. Pearson. 239 - 244.
3. Rex, a. (2011). Dasar -dasar fisika. Pearson. 263-273.