🌊 Modul Fisika: Gelombang Mekanik

Kenapa petir terlihat dulu baru terdengar? Kenapa sirine ambulans berubah nada saat melintas? Kenapa tsunami nyaris tak terlihat di laut lepas, tetapi mematikan di pantai? Semua jawabannya ada di gelombang mekanik. Yuk kita bahas pelan-pelan.

KonsepMiskonsepsiFenomena Sehari-hari Teknologi TerkiniLatihan SoalKuisTips Belajar

0Peta Belajar

Di modul-modul sebelumnya, energi dan momentum berpindah bersama benda yang bergerak. Gelombang punya cara yang berbeda: energi bisa berpindah jauh tanpa ada materi yang ikut berpindah jauh. Inilah yang membuat suara, gempa, dan riak air begitu menarik.

Setelah menyelesaikan modul ini, kamu diharapkan mampu:

  • Membedakan gelombang transversal dan longitudinal serta menjelaskan apa yang sebenarnya merambat pada gelombang.
  • Menggunakan besaran gelombang (A, λ, T, f, v) dan persamaan gelombang berjalan.
  • Menghitung cepat rambat gelombang pada tali, udara, dan air.
  • Menjelaskan pemantulan, pembiasan, interferensi, difraksi, dan polarisasi.
  • Menganalisis gelombang stasioner pada dawai dan pipa organa.
  • Menghitung intensitas dan taraf intensitas bunyi, efek Doppler, dan layangan.
  • Mengenali dan memperbaiki miskonsepsi yang sering muncul, serta menghubungkannya dengan teknologi masa kini.
Catatan: kecuali disebutkan lain, kita memakai cepat rambat bunyi di udara 340 m/s, g = 10 m/s², dan ambang pendengaran I₀ = 10⁻¹² W/m². Nilai log yang sering dipakai: log 2 ≈ 0,30; log 3 ≈ 0,48; log 5 ≈ 0,70.

1Konsep Inti

A. Apa itu gelombang mekanik?

Definisi

Gelombang adalah getaran (gangguan) yang merambat dan memindahkan energi dari satu tempat ke tempat lain. Gelombang mekanik memerlukan medium (zat perantara) untuk merambat, misalnya tali, air, udara, atau tanah. Partikel medium hanya bergetar di sekitar posisi setimbangnya, sedangkan yang merambat adalah gangguannya.

Sebagai pembanding, gelombang elektromagnetik (cahaya, radio, sinar-X) tidak memerlukan medium. Itu dibahas di materi tersendiri.

Jenis gelombang menurut arah getar
Gelombang transversalGelombang longitudinal
Arah getar partikelTegak lurus arah rambatSejajar arah rambat
BentukPuncak dan lembahRapatan dan renggangan
Panjang gelombang λJarak dua puncak (atau dua lembah) berurutanJarak dua rapatan (atau dua renggangan) berurutan
ContohGelombang pada tali, gelombang S gempaBunyi, gelombang P gempa, pegas yang ditekan-dilepas
Bisa terpolarisasi?YaTidak

Gelombang permukaan air adalah gabungan keduanya: partikel air bergerak membentuk lintasan melingkar kecil (kombinasi gerak naik-turun dan maju-mundur).

B. Besaran-besaran gelombang

  • Amplitudo (A): simpangan maksimum dari posisi setimbang. Berkaitan dengan energi gelombang (E ∝ A²).
  • Panjang gelombang (λ): jarak yang ditempuh gelombang dalam satu periode.
  • Periode (T): waktu untuk satu getaran penuh. Frekuensi (f): jumlah getaran per detik (hertz, Hz).
  • Cepat rambat (v): kelajuan gangguan merambat.
f = n / t   |   T = 1 / f   |   v = λ / T = λ f
Kunci penting: frekuensi ditentukan oleh sumber getaran dan tidak berubah saat gelombang berpindah medium. Cepat rambat ditentukan oleh medium. Karena v = λ f, jika medium berganti (v berubah) dan f tetap, maka λ yang ikut berubah.

Dua titik yang berjarak λ, 2λ, 3λ, … sepanjang arah rambat sefase (bergetar kompak). Titik yang berjarak ½λ, 1½λ, … berlawanan fase. Beda fase dua titik berjarak Δx adalah:

Δφ = Δx / λ (putaran) = 2π Δx / λ (radian)
🧪 Simulasi mini: gelombang berjalan (diperlambat 5 kali agar mudah diamati)

C. Persamaan gelombang berjalan

Gelombang sinusoidal

Untuk gelombang yang merambat ke arah +x (ke kanan) dengan amplitudo A:

y(x, t) = A sin(ω t − k x)

dengan ω = 2π f (kecepatan sudut) dan k = 2π / λ (bilangan gelombang). Cepat rambatnya v = ω / k. Tanda minus berarti merambat ke +x, tanda plus (ω t + k x) berarti merambat ke −x.

vpartikel = ∂y/∂t = ω A cos(ω t − k x)  (maksimum ω A)

Perhatikan perbedaan dua kecepatan: v gelombang (λ f, tetap, bergantung medium) berbeda dengan kecepatan partikel (berubah-ubah, bergetar naik-turun).

D. Cepat rambat gelombang

Gelombang pada tali
v = √(F / μ),   μ = m / L

F = tegangan tali (N), μ = massa per satuan panjang (kg/m). Tali yang lebih tegang dan lebih ringan menghantar gelombang lebih cepat.

Bunyi di udara
v ≈ 331 + 0,6 T (m/s)

Dengan T dalam °C. Pada 20 °C, v ≈ 343 m/s. Makin panas udaranya, makin cepat bunyi merambat.

Gelombang air dangkal
v = √(g h)

Berlaku jika kedalaman h jauh lebih kecil dari panjang gelombang, seperti pada tsunami.

Bunyi di berbagai medium
MediumCepat rambat bunyi (perkiraan)
Udara (20 °C)343 m/s
Air± 1.480 m/s
Baja± 5.000 m/s
Ruang hampaTidak merambat

Secara umum, bunyi merambat lebih cepat di zat padat daripada di zat cair, dan lebih cepat di zat cair daripada di gas. Alasannya: medium yang lebih "kaku" dan rapat partikelnya meneruskan gangguan lebih cepat.

Contoh tsunami: di laut dalam h = 4.000 m, v = √(10 × 4.000) = 200 m/s = 720 km/jam, sedangkan amplitudonya hanya sekitar puluhan sentimeter hingga di bawah satu meter dengan panjang gelombang ratusan kilometer. Mendekati pantai dengan h = 10 m, v turun menjadi √(10 × 10) = 10 m/s = 36 km/jam. Gelombang melambat, "menumpuk", dan amplitudonya membesar.

E. Sifat-sifat gelombang

Pemantulan

Sudut datang sama dengan sudut pantul. Pada tali, ujung tetap memantulkan gelombang dengan fase terbalik (puncak menjadi lembah), sedangkan ujung bebas memantulkan dengan fase yang sama.

Pembiasan (refraksi)

Pembelokan arah gelombang saat memasuki medium dengan cepat rambat berbeda. f tetap, v dan λ berubah:

sin i / sin r = v₁ / v₂ = λ₁ / λ₂
Difraksi

Pelenturan gelombang di tepi penghalang atau celah. Efeknya paling jelas jika lebar celah sebanding dengan λ. Itulah sebabnya kita bisa mendengar orang berbicara dari balik tembok sudut, padahal tidak melihatnya.

Interferensi (superposisi)

Jika dua gelombang bertemu, simpangannya dijumlahkan (y = y₁ + y₂). Untuk dua sumber koheren sefase, dengan beda lintasan Δs:

Konstruktif: Δs = n λ
Destruktif: Δs = (n + ½) λ

dengan n = 0, 1, 2, …

Polarisasi

Penyaringan arah getar gelombang. Hanya gelombang transversal yang dapat terpolarisasi. Bunyi (longitudinal) tidak dapat dipolarisasi.

F. Gelombang stasioner

Gelombang stasioner (berdiri)

Terbentuk dari superposisi gelombang datang dan gelombang pantul yang amplitudo dan frekuensinya sama tetapi arahnya berlawanan. Pola getarannya "diam di tempat": ada titik yang tidak pernah bergetar (simpul) dan titik yang bergetar paling besar (perut).

  • Jarak simpul ke simpul (atau perut ke perut) berurutan = ½ λ. Jarak simpul ke perut terdekat = ¼ λ.
  • Ujung tetap membentuk simpul, ujung bebas membentuk perut.
  • Persamaan (x diukur dari ujung tetap): y = 2A sin(kx) cos(ωt). Amplitudo stasioner As = 2A sin(kx) bergantung posisi.
Dawai dan pipa organa

Hanya gelombang dengan panjang tertentu yang bisa membentuk pola stasioner di dalam dawai atau pipa. Itulah yang menentukan nada-nada yang dihasilkan. Nada dasar (n = 1) disebut harmonik pertama.

SistemUjungFrekuensi harmonikHarmonik yang ada
Dawai / senarTetap – tetapfn = n v / (2L)Semua (1, 2, 3, …)
Pipa organa terbukaBebas – bebasfn = n v / (2L)Semua (1, 2, 3, …)
Pipa organa tertutupTetap – bebasfn = (2n − 1) v / (4L)Hanya ganjil (1, 3, 5, …)

Pada dawai, v = √(F/μ), sehingga senar yang lebih pendek, lebih tegang, atau lebih tipis (μ kecil) menghasilkan nada yang lebih tinggi.

Resonansi terjadi ketika sebuah sistem dipaksa bergetar dengan frekuensi yang sama (atau mendekati) frekuensi alaminya, sehingga amplitudonya menjadi besar. Contohnya ayunan yang didorong sesuai ritmenya, dan kolom udara dalam pipa yang bergetar karena garpu tala.

G. Bunyi

Sifat bunyi

Bunyi adalah gelombang longitudinal yang merambat lewat rapatan dan renggangan medium. Berdasarkan frekuensinya:

  • Infrasonik: f < 20 Hz (misalnya komunikasi gajah dan getaran gempa).
  • Audiosonik: 20 Hz – 20.000 Hz (rentang pendengaran manusia).
  • Ultrasonik: f > 20.000 Hz (kelelawar, USG, pembersih ultrasonik).

Tiga ciri bunyi: tinggi nada (ditentukan frekuensi), kerasnya bunyi (ditentukan amplitudo/intensitas), dan warna bunyi (timbre, ditentukan campuran harmoniknya).

Intensitas & taraf intensitas

Intensitas adalah daya gelombang yang menembus tegak lurus tiap satuan luas. Untuk sumber titik yang memancar ke segala arah (tanpa serapan):

I = P / A = P / (4π r²)   →   I ∝ 1 / r²

Telinga kita merespons secara logaritmik, sehingga dipakai taraf intensitas (TI) dalam desibel (dB):

TI = 10 log (I / I₀),   I₀ = 10⁻¹² W/m²

Sifat-sifat yang berguna:

I naik 10× → TI naik 10 dB  |  I naik 2× → TI naik ≈ 3 dB
n sumber identik: TItotal = TI₁ + 10 log n
Perubahan jarak: TI₂ = TI₁ − 20 log (r₂ / r₁)  (jarak 2× → turun ≈ 6 dB)
SumberTaraf intensitas (perkiraan)
Ambang pendengaran0 dB
Bisikan± 30 dB
Percakapan normal± 60 dB
Lalu lintas padat± 80 dB
Konser musik keras± 110 dB
Ambang rasa sakit± 120–130 dB
🧪 Simulasi mini: taraf intensitas (tiap sumber memancarkan daya bunyi 1 mW)

Efek Doppler

Perubahan frekuensi yang diterima pendengar akibat gerak relatif antara sumber dan pendengar. Frekuensi yang dipancarkan sumber tidak berubah.

fp = fs · (v + vp) / (v − vs)

Aturan tanda: vp positif jika pendengar bergerak mendekati sumber (negatif jika menjauh). vs positif jika sumber bergerak mendekati pendengar (negatif jika menjauh). Mendekat → frekuensi terdengar lebih tinggi. Menjauh → lebih rendah.

🧪 Simulasi mini: efek Doppler (v bunyi = 340 m/s)

Layangan (pelayangan)

Jika dua sumber bunyi berfrekuensi hampir sama berinterferensi, terdengar bunyi yang keras-lemah secara berulang ("wah-wah-wah"). Jumlah layangan per detik:

flayangan = | f₁ − f₂ |

Teknik ini dipakai untuk menyetem alat musik: layangan makin pelan berarti nada makin dekat.

Cara menyelesaikan soal gelombang
  1. Kenali jenis soalnya: gelombang berjalan, stasioner, bunyi (intensitas), atau Doppler.
  2. Tulis yang diketahui dengan satuan SI (m, s, Hz, m/s). Ubah cm ke m dan km/jam ke m/s.
  3. Ingat siapa yang menentukan apa: f dari sumber, v dari medium, dan λ = v/f.
  4. Untuk stasioner, gambar pola simpul dan perut lebih dulu, lalu hubungkan dengan L dan λ.
  5. Cek kewajaran: untuk Doppler, mendekat harus menaikkan frekuensi. Untuk dB, naik 10× intensitas berarti naik 10 dB.

2Miskonsepsi yang Sering Terjadi

Gelombang mudah "terlihat" bergerak maju, sehingga kita sering salah menyimpulkan apa yang sebenarnya merambat. Cek apakah kamu pernah percaya salah satunya.

❌ MiskonsepsiGelombang membawa materi (air, udara) bersamanya dari sumber ke penerima.
✅ Yang benarYang berpindah adalah energi dan bentuk gangguan, bukan materinya. Gabus di permukaan air hanya naik-turun di tempatnya saat gelombang lewat. Begitu pula "gelombang" penonton di stadion: orangnya hanya berdiri lalu duduk.
❌ MiskonsepsiSaat gelombang masuk ke medium lain, frekuensinya ikut berubah.
✅ Yang benarFrekuensi ditentukan oleh sumber dan tetap. Yang berubah adalah cepat rambat dan panjang gelombang (v = λ f). Gelombang air yang masuk perairan dangkal melambat dan λ-nya mengecil, tetapi f-nya sama.
❌ MiskonsepsiMenaikkan frekuensi akan membuat gelombang merambat lebih cepat.
✅ Yang benarCepat rambat ditentukan oleh sifat medium (misalnya tegangan dan massa jenis linear tali, atau suhu udara), bukan oleh frekuensi. Jika f dinaikkan pada medium yang sama, λ yang mengecil sehingga hasil kali λ f tetap.
❌ MiskonsepsiGelombang yang amplitudonya lebih besar merambat lebih cepat.
✅ Yang benarAmplitudo berkaitan dengan energi gelombang (E ∝ A²), bukan kecepatannya. Bisikan dan teriakan merambat dengan kecepatan yang sama di udara yang sama. Yang berbeda adalah kerasnya.
❌ MiskonsepsiBunyi bisa merambat di ruang hampa, hanya saja lebih pelan.
✅ Yang benarBunyi adalah gelombang mekanik, sehingga membutuhkan medium. Di ruang hampa tidak ada yang bisa dirapatkan atau direnggangkan, jadi bunyi tidak merambat sama sekali. Itulah sebabnya ledakan di luar angkasa "senyap".
❌ MiskonsepsiBunyi yang lebih keras merambat lebih cepat daripada bunyi yang pelan.
✅ Yang benarKecepatan bunyi hanya bergantung pada medium dan suhunya. Dentuman besar dan bisikan tiba di tempat yang sama dalam waktu yang sama (selama tidak berbeda medium atau suhu).
❌ MiskonsepsiPada efek Doppler, sumber bunyi mengubah frekuensinya sendiri saat mendekat atau menjauh.
✅ Yang benarSumber memancarkan frekuensi yang tetap. Yang berubah adalah frekuensi yang diterima pendengar akibat gerak relatif. Pengemudi ambulans tetap mendengar sirenenya dengan nada yang konstan, sedangkan orang di pinggir jalan mendengar nadanya naik lalu turun.
❌ MiskonsepsiPada interferensi destruktif, energi gelombang "lenyap".
✅ Yang benarEnergi tidak lenyap, melainkan terdistribusi ulang: di titik destruktif amplitudonya kecil, tetapi di titik konstruktif amplitudonya lebih besar. Total energi tetap kekal. Headphone peredam bising memanfaatkan interferensi destruktif agar telinga kita menerima bising lebih sedikit.
❌ MiskonsepsiBunyi 80 dB hanya dua kali lebih keras daripada 40 dB.
✅ Yang benarSkala desibel itu logaritmik. Selisih 40 dB berarti intensitasnya berbeda 10⁴ = 10.000 kali. Setiap kenaikan 10 dB berarti intensitas 10 kali lebih besar. Karena itu bunyi di atas 85 dB yang terdengar lama bisa merusak pendengaran.
❌ MiskonsepsiTsunami pasti tampak sebagai gelombang raksasa di tengah laut.
✅ Yang benarDi laut dalam, tsunami memiliki amplitudo kecil (kurang dari 1 meter) tetapi panjang gelombang ratusan kilometer dan merambat sangat cepat (sekitar 700 km/jam). Gelombang ini baru menjulang saat memasuki perairan dangkal karena melambat dan energinya menumpuk. Karena itu kapal di laut lepas nyaris tidak merasakannya.

3Fenomena Sehari-hari

Gelombang ada di kolam, di dapur, di langit, bahkan di tubuhmu. Coba amati 12 kejadian ini.

Gelombang = energiGabus naik-turun di permukaan air

Gelombang lewat, gabus hanya bergetar di tempat yang sama. Gabus tidak ikut "terbawa" ke tepi kolam.

Gelombang = energi"Gelombang" penonton di stadion

Gangguan (berdiri lalu duduk) merambat mengelilingi stadion, tetapi tiap orang tetap di kursinya.

Cepat rambatPetir terlihat dulu, baru terdengar

Cahaya hampir seketika, sedangkan bunyi merambat sekitar 340 m/s. Hitung selang waktu kilat–guntur lalu kalikan 340 m untuk memperkirakan jarak petir. Selang 3 detik berarti sekitar 1 km.

PemantulanGema di lembah atau gedung kosong

Bunyi memantul dari dinding jauh. Telinga bisa membedakan bunyi asli dan gema jika selang waktunya sekitar 0,1 detik atau lebih, yaitu jarak dinding sekitar 17 m atau lebih.

PembiasanGelombang laut membelok ke arah pantai

Bagian gelombang yang masuk perairan dangkal melambat lebih dulu, sehingga muka gelombang membelok mendekati sejajar garis pantai.

DifraksiSuara terdengar dari balik tembok atau pintu

Panjang gelombang bunyi (sekitar puluhan sentimeter sampai beberapa meter) sebanding dengan lebar pintu, sehingga bunyi menyebar dan melenturkan arah di tepinya, sedangkan cahaya (λ sangat kecil) hampir lurus.

Gelombang stasionerMenekan senar gitar di fret

Senar yang menjadi lebih pendek menghasilkan frekuensi lebih tinggi (f ∝ 1/L). Senar yang lebih tipis dan lebih tegang juga menghasilkan nada lebih tinggi.

Pipa organaMeniup botol berisi air

Makin banyak air, kolom udara makin pendek sehingga nada makin tinggi. Botol berperilaku seperti pipa tertutup.

Efek DopplerSirine ambulans berubah nada saat melintas

Saat mendekat, muka gelombang "terdesak" sehingga frekuensi yang diterima lebih tinggi. Setelah lewat, frekuensinya lebih rendah.

LayanganDua gitar yang hampir sama nadanya terdengar "wah-wah"

Selisih frekuensi kecil membuat kerasnya bunyi naik-turun. Saat nada makin dekat, "wah-wah" makin lambat sampai hilang.

ResonansiMendorong ayunan sesuai ritmenya

Dorongan kecil yang sesuai frekuensi alami ayunan menghasilkan amplitudo besar. Dorongan dengan ritme sembarang hampir tidak berpengaruh.

Cepat rambatMenempelkan telinga ke rel untuk mendengar kereta

Bunyi di baja jauh lebih cepat daripada di udara, sehingga getaran kereta yang jauh sudah terdeteksi lebih dulu lewat rel.

4Aplikasi dalam Teknologi Terkini

Dari kesehatan sampai mitigasi bencana, kemampuan "membaca" gelombang yang memantul atau merambat banyak dipakai untuk melihat hal yang tidak terlihat mata.

UltrasonikUSG (ultrasonografi)

Gelombang ultrasonik berfrekuensi jutaan hertz (MHz) dipancarkan ke dalam tubuh dan dipantulkan oleh batas antar jaringan. Komputer menyusun gambar dari waktu dan kekuatan pantulan. USG Doppler dapat menunjukkan arah dan kecepatan aliran darah.

PemantulanSonar dan pemetaan dasar laut

Pulsa bunyi dikirim ke dasar laut, lalu kedalaman dihitung dari waktu pulang-pergi: d = v t / 2. Prinsip yang sama dipakai kelelawar dan lumba-lumba (ekolokasi).

InterferensiHeadphone peredam bising (noise cancelling)

Mikrofon menangkap bising dari luar, lalu speaker memancarkan gelombang berlawanan fase sehingga keduanya saling melemahkan di telinga.

Gelombang seismikSeismograf dan peringatan dini gempa

Gelombang P (longitudinal) lebih cepat daripada gelombang S (transversal) dan gelombang permukaan. Sistem peringatan dini memanfaatkan selisih waktu tiba itu untuk memberi peringatan beberapa detik sebelum guncangan kuat tiba.

Air dangkalSistem peringatan dini tsunami

Sensor tekanan di dasar laut dan pelampung mendeteksi gelombang tsunami di laut dalam. Karena v = √(gh) diketahui, waktu tiba di pantai bisa diperkirakan sehingga evakuasi dapat dimulai.

Efek DopplerRadar Doppler cuaca dan pengukur kecepatan

Alat ini memakai gelombang elektromagnetik (bukan mekanik), tetapi prinsip Doppler-nya sama: pergeseran frekuensi pantulan menunjukkan kecepatan awan hujan atau kendaraan.

UltrasonikUji tak merusak pada pipa, rel, dan badan pesawat

Pulsa ultrasonik dikirim ke dalam logam. Retakan atau rongga memantulkan sebagian gelombang sehingga cacat terdeteksi tanpa membongkar atau merusak benda.

Gelombang kejutPembersih ultrasonik dan penghancur batu ginjal

Getaran ultrasonik membersihkan perhiasan dan alat. Pada ESWL, gelombang kejut difokuskan dari luar tubuh untuk memecah batu ginjal menjadi serpihan kecil.

InterferensiMikrofon jamak dan beamforming di speaker pintar

Beberapa mikrofon menangkap suara dengan beda fase yang sedikit berbeda. Pengolahan sinyal memperkuat suara dari arah pengguna dan melemahkan bising dari arah lain.

FrekuensiAplikasi penyetem gitar

Aplikasi mendeteksi frekuensi dasar senar dari rekaman mikrofon (misalnya lewat transformasi Fourier) lalu membandingkannya dengan frekuensi nada standar.

UltrasonikSensor parkir mobil dan robot penghindar halangan

Sensor ultrasonik memancarkan pulsa dan mengukur waktu pantulannya. Jarak halangan dihitung dari d = v t / 2.

AkustikDesain akustik ruang konser dan studio

Bentuk ruang dan panel penyerap diatur untuk mengendalikan pemantulan dan waktu dengung agar suara jelas dan tidak menimbulkan gema yang mengganggu.

5Latihan Soal & Pembahasan

Coba kerjakan sendiri dulu di kertas. Baru klik untuk melihat pembahasan. Gunakan v bunyi di udara = 340 m/s, g = 10 m/s², dan I₀ = 10⁻¹² W/m².

Soal 1 — Cepat Rambat Gelombang Mudah

Gelombang pada tali memiliki frekuensi 5 Hz dan panjang gelombang 0,4 m. Hitung periode dan cepat rambatnya. Jika frekuensi sumber dijadikan 10 Hz pada tali yang sama, berapa panjang gelombangnya sekarang?

T = 1 / f = 1 / 5 = 0,2 s
v = λ f = 0,4 × 5 = 2 m/s

Tali yang sama berarti v tetap (2 m/s). Dengan f = 10 Hz:

λ = v / f = 2 / 10 = 0,2 m
Soal 2 — Gabus di Permukaan Air Mudah

Sebuah gabus naik-turun sebanyak 8 kali dalam 20 detik di permukaan air saat dilewati gelombang. Jarak dua puncak gelombang berurutan 1,5 m. Hitung frekuensi, periode, dan cepat rambat gelombang.

f = n / t = 8 / 20 = 0,4 Hz
T = 1 / f = 2,5 s
v = λ f = 1,5 × 0,4 = 0,6 m/s

Gabus tidak ikut maju ke tepi. Ia hanya bergetar di tempatnya.

Soal 3 — Persamaan Gelombang Berjalan Sedang

Gelombang pada tali dinyatakan oleh y = 0,02 sin(10π t − 2π x), dengan x dan y dalam meter dan t dalam sekon. Tentukan amplitudo, frekuensi, panjang gelombang, cepat rambat, dan arah rambatnya. Tentukan juga simpangan titik x = 0,25 m pada t = 0,1 s.

Bandingkan dengan y = A sin(ω t − k x):

A = 0,02 m  |  ω = 10π → f = ω / 2π = 5 Hz  |  k = 2π → λ = 2π / k = 1 m
v = λ f = 1 × 5 = 5 m/s  (atau v = ω / k = 10π / 2π = 5 m/s)

Tanda minus antara ωt dan kx berarti gelombang merambat ke arah +x.

θ = 10π(0,1) − 2π(0,25) = π − π/2 = π/2 → y = 0,02 sin(π/2) = 0,02 m

Titik itu sedang berada di puncak (simpangan maksimum +2 cm).

Soal 4 — Cepat Rambat Gelombang pada Tali Sedang

Tali sepanjang 2 m bermassa 0,02 kg ditegangkan dengan gaya 100 N. Hitung cepat rambat gelombang pada tali. Berapa cepat rambatnya jika tegangan dijadikan 400 N?

μ = m / L = 0,02 / 2 = 0,01 kg/m
v = √(F / μ) = √(100 / 0,01) = √10.000 = 100 m/s
F = 400 N → v = √(400 / 0,01) = √40.000 = 200 m/s

Tegangan 4 kali lipat membuat cepat rambat 2 kali lipat (v ∝ √F).

Soal 5 — Interferensi Dua Speaker Sedang

Dua speaker S₁ dan S₂ memancarkan bunyi sefase dengan frekuensi sama. Titik P berjarak 10 m dari S₁ dan 10,5 m dari S₂. Apakah di P terjadi interferensi konstruktif atau destruktif jika (a) f = 340 Hz, (b) f = 680 Hz? (v = 340 m/s)

Beda lintasan Δs = 10,5 − 10 = 0,5 m.

(a) λ = v / f = 340 / 340 = 1 m → Δs = 0,5 m = ½ λ → destruktif (bunyi melemah)
(b) λ = 340 / 680 = 0,5 m → Δs = 0,5 m = 1 λ → konstruktif (bunyi menguat)

Itulah sebabnya, saat berjalan di antara dua speaker, kerasnya bunyi naik-turun.

Soal 6 — Pipa Organa Terbuka dan Tertutup Sedang

Pipa organa sepanjang 0,85 m. Hitung tiga frekuensi terendah jika (a) kedua ujungnya terbuka, (b) satu ujung tertutup. (v = 340 m/s)

(a) fn = n v / (2L) = n × 340 / 1,7 = n × 200 Hz → 200 Hz, 400 Hz, 600 Hz
(b) fn = (2n − 1) v / (4L) = (2n − 1) × 340 / 3,4 = (2n − 1) × 100 Hz → 100 Hz, 300 Hz, 500 Hz

Pipa tertutup bernada dasar lebih rendah (100 Hz) dan hanya memiliki harmonik ganjil.

Soal 7 — Sonar dan Petir Mudah

(a) Kapal memancarkan pulsa ultrasonik ke dasar laut dan pantulannya diterima 0,4 detik kemudian. Jika cepat rambat bunyi di air laut 1.500 m/s, berapa kedalaman laut? (b) Guntur terdengar 6 detik setelah kilat terlihat. Berapa perkiraan jarak petir? (abaikan waktu tempuh cahaya)

(a) Waktu 0,4 s adalah waktu pulang-pergi, jadi jarak satu arah memakai setengahnya:

d = v t / 2 = 1.500 × 0,4 / 2 = 300 m
(b) s = v t = 340 × 6 = 2.040 m ≈ 2 km
Soal 8 — Taraf Intensitas Menantang

(a) Sepuluh sumber bunyi identik, masing-masing menghasilkan taraf intensitas 60 dB di suatu titik. Berapa taraf intensitas jika semuanya berbunyi bersamaan? (b) Pada jarak 2 m dari sumber titik, TI = 80 dB. Berapa TI pada jarak 20 m? (c) Hitung intensitas bunyi 60 dB, dan bandingkan intensitas 80 dB dengan 40 dB.

(a) TI = TI₁ + 10 log n = 60 + 10 log 10 = 60 + 10 = 70 dB
(b) TI₂ = TI₁ − 20 log (r₂/r₁) = 80 − 20 log (20/2) = 80 − 20 = 60 dB
(c) I = I₀ × 10^(TI/10) = 10⁻¹² × 10⁶ = 10⁻⁶ W/m²

Selisih 80 dB − 40 dB = 40 dB → intensitas berbeda 10⁴ = 10.000 kali, bukan dua kali.

Soal 9 — Efek Doppler Menantang

Ambulans memancarkan sirine 700 Hz sambil melaju 20 m/s di jalan lurus. Seorang pengamat berdiri diam di tepi jalan. Hitung frekuensi yang didengar pengamat saat (a) ambulans mendekat, (b) ambulans menjauh. (c) Frekuensi apa yang didengar pengemudi ambulans? (v = 340 m/s)

(a) fp = fs v / (v − vs) = 700 × 340 / (340 − 20) = 700 × 340 / 320 = 743,75 Hz ≈ 744 Hz
(b) fp = fs v / (v + vs) = 700 × 340 / 360 ≈ 661 Hz

(c) Pengemudi bergerak bersama sumber (tidak ada gerak relatif), sehingga ia mendengar 700 Hz, yaitu frekuensi sebenarnya dari sirine.

Nada turun dari ± 744 Hz menjadi ± 661 Hz saat ambulans melintas.

Soal 10 — Gelombang Stasioner pada Tali Menantang

Tali sepanjang 1,2 m kedua ujungnya terikat. Tali bergetar membentuk harmonik ketiga dengan frekuensi 150 Hz. Tentukan panjang gelombang, cepat rambat gelombang, frekuensi nada dasar, jumlah simpul dan perut, serta jarak antara dua simpul berurutan.

Harmonik ketiga (n = 3): L = 3 × λ/2.

λ = 2L / 3 = 2 × 1,2 / 3 = 0,8 m
v = λ f = 0,8 × 150 = 120 m/s
f₁ = f₃ / 3 = 150 / 3 = 50 Hz  (cek: v / 2L = 120 / 2,4 = 50 Hz ✓)

Pola harmonik ketiga memiliki 4 simpul (termasuk 2 ujung) dan 3 perut. Jarak dua simpul berurutan = λ/2 = 0,4 m.

6Kuis Mandiri

10 pertanyaan pilihan ganda. Kamu langsung mendapat penjelasan setiap selesai menjawab.

7Advice: Cara Mengembangkan Kemampuanmu

Gelombang menjadi mudah kalau kamu terbiasa membedakan "apa yang bergetar" dan "apa yang merambat". Setelah itu, hampir semua rumus hanyalah v = λ f dan pola simpul-perut.

1. Bedakan f, v, dan λ

f dari sumber, v dari medium, λ = v/f. Hafalkan kalimat ini, karena banyak soal pembiasan dan pipa organa bergantung padanya.

2. Gambar polanya

Untuk stasioner, gambarkan dawai atau pipa dengan simpul dan perut sebelum menulis rumus. Gambar menentukan hubungan L dengan λ.

3. Pakai satuan SI

Ubah cm ke m, km/jam ke m/s, dan jangan campur Hz dengan menit. Kesalahan satuan adalah penyebab salah yang paling sering.

4. Ingat skala logaritmik

Pada desibel, tambah 10 dB berarti kali 10 intensitas. Jangan menjumlahkan dB langsung kecuali memakai rumus 10 log n.

Kebiasaan belajar yang terbukti membantu

  • Active recall: tutup catatan, lalu tulis perbedaan transversal dan longitudinal, serta kapan yang berubah saat berpindah medium (v, λ) dan yang tetap (f).
  • Spaced repetition: ulangi materi di hari ke-1, 3, 7, dan 14, bukan sekaligus semalam sebelum ujian.
  • Teknik Feynman: jelaskan kepada temanmu "kenapa nada sirine ambulans turun saat melintas padahal sirinenya tidak berubah". Kalau tersendat, bagian itu perlu diulang.
  • Hubungkan dengan telinga: tiap rumus bunyi, coba cari contoh yang bisa kamu dengar sendiri (nada botol, layangan, Doppler).
  • Kelompokkan soal berdasarkan tipe: persamaan gelombang, cepat rambat, interferensi, stasioner, pipa organa, intensitas dan dB, Doppler, dan layangan.

Eksperimen murah di rumah

  • Pegas mainan (slinky): goyangkan satu ujung ke samping untuk membuat gelombang transversal, lalu dorong-tarik sejajar pegas untuk gelombang longitudinal. Amati apa yang bergerak.
  • Nada botol: isi beberapa botol dengan jumlah air berbeda, tiup mulutnya, dan rekam nadanya. Ukur frekuensinya dengan aplikasi penganalisis spektrum (gratis) lalu bandingkan dengan panjang kolom udaranya.
  • Jarak petir: saat hujan petir, hitung selang detik kilat–guntur, kalikan 340 m untuk perkiraan jaraknya (tetap berlindung di tempat aman).
  • Telepon kaleng: hubungkan dua kaleng dengan benang yang tegang. Coba benang kendur dan benang tegang, lalu jelaskan perbedaannya.
  • Kolam air di baskom: jatuhkan dua tetes air di dua tempat berbeda dan amati pola interferensi riaknya.
Keselamatan: jaga volume headset dan jangan mendengarkan suara keras terlalu lama (di atas 85 dB berisiko merusak pendengaran). Jangan mencoba memecahkan gelas dengan suara karena serpihannya berbahaya. Saat hujan petir, jangan berada di tempat terbuka.

Peta pengembangan lanjutan

Level dasar

Kuasai besaran gelombang, v = λ f, persamaan gelombang berjalan, dan sifat dasar gelombang. Targetkan skor kuis ≥ 80%.

Level menengah

Latih soal gelombang stasioner (ujung tetap dan bebas), pipa organa, taraf intensitas dengan banyak sumber, Doppler dengan sumber dan pendengar yang sama-sama bergerak, serta layangan.

Level lanjut

Pelajari persamaan gelombang dengan kalkulus (turunan parsial), analisis Fourier, efek Doppler relativistik, dan gelombang kejut (Mach).

Proyek kreatif

Buat alat musik sederhana dari botol atau pipa PVC dan hitung frekuensi tiap nada, buat simulasi interferensi dengan Python, atau susun video singkat yang membongkar satu miskonsepsi gelombang.

Satu pesan terakhir: saat bertemu soal gelombang, tanyakan tiga hal: (1) apa yang merambat dan di medium apa? (2) apa yang tetap (f) dan apa yang berubah (v, λ)? (3) apakah ini gelombang berjalan atau stasioner? Konsisten 20 menit per hari lebih baik daripada 3 jam sekali seminggu.