GELOMBANG MEKANIKAL: CIRI, SIFAT, FORMULA, JENIS - FIZIKAL - 2026

A gelombang mekanikal ialah gangguan yang memerlukan bahantara fizikal untuk menyebarkan. Contoh yang paling dekat ialah bunyi, mampu dihantar melalui gas, cecair atau pepejal.

Gelombang mekanikal lain yang terkenal adalah gelombang yang dihasilkan ketika tali kencang alat muzik dipetik. Atau riak bulat yang biasanya disebabkan oleh batu yang dilemparkan ke kolam.

Gambar 1. Alatan kencang alat muzik bergetar dengan gelombang melintang. Sumber: Pixabay.

Gangguan bergerak melalui medium menghasilkan pelbagai anjakan pada zarah-zarah yang menyusunnya, bergantung pada jenis gelombang. Semasa gelombang berlalu, setiap zarah dalam medium membuat pergerakan berulang yang secara ringkas memisahkannya dari kedudukan keseimbangannya.

Tempoh gangguan bergantung pada tenaganya. Dalam gerakan gelombang, tenaga adalah apa yang menyebarkan dari satu sisi medium ke yang lain, kerana zarah-zarah yang bergetar tidak pernah tersasar jauh dari tempat asalnya.

Gelombang dan tenaga yang dibawa dapat menempuh jarak yang jauh. Ketika gelombang menghilang, itu kerana tenaganya akhirnya hilang di tengah, meninggalkan segalanya tenang dan sunyi seperti sebelum gangguan.

Jenis gelombang mekanikal

Gelombang mekanikal dikelaskan kepada tiga kumpulan utama utama:

- Gelombang melintang.

- Gelombang membujur.

- Gelombang permukaan.

Gelombang melintang

Dalam gelombang ricih, zarah bergerak tegak lurus ke arah perambatan. Contohnya, partikel tali dalam rajah berikut berayun secara menegak semasa gelombang bergerak dari kiri ke kanan:

Rajah 2. Gelombang melintang dalam tali. Arah perambatan gelombang dan arah gerakan zarah individu adalah tegak lurus. Sumber: Sharon Bewick

Gelombang membujur

Dalam gelombang membujur arah perambatan dan arah pergerakan zarah selari.

Rajah 3. Gelombang membujur. Sumber: Polpol

Gelombang permukaan

Dalam gelombang laut, gelombang membujur dan gelombang melintang digabungkan di permukaan, oleh itu gelombang permukaan, bergerak di sempadan antara dua media yang berbeza: air dan udara, seperti yang ditunjukkan dalam gambar berikut.

Rajah 4. Gelombang lautan yang menggabungkan gelombang membujur dan melintang. Sumber: diubah suai dari Pixabay.

Semasa memecahkan gelombang di pantai, komponen membujur mendominasi. Oleh itu, diperhatikan bahawa alga berhampiran pantai mempunyai pergerakan ke belakang dan ke belakang.

Contoh pelbagai jenis gelombang: pergerakan seismik

Semasa gempa bumi, pelbagai jenis gelombang dihasilkan yang bergerak ke seluruh dunia, termasuk gelombang membujur dan gelombang melintang.

Gelombang seismik membujur disebut gelombang P, sementara gelombang melintang adalah gelombang S.

Penunjukan P disebabkan oleh fakta bahawa mereka adalah gelombang tekanan dan mereka juga utama ketika tiba pertama, sementara yang melintang adalah S untuk "ricih" atau ricih dan juga sekunder, karena mereka tiba setelah P.

Ciri dan sifat

Gelombang kuning pada Gambar 2 adalah gelombang berkala, terdiri dari gangguan serupa yang bergerak dari kiri ke kanan. Perhatikan bahawa a dan b mempunyai nilai yang sama di setiap kawasan gelombang.

Gangguan gelombang berkala diulang dalam masa dan di ruang angkasa, menggunakan bentuk lengkung sinusoidal yang ditandai dengan mempunyai puncak atau puncak, yang merupakan titik tertinggi, dan lembah di mana titik terendah.

Contoh ini akan berfungsi untuk mengkaji ciri-ciri gelombang mekanikal yang paling penting.

Amplitud gelombang dan panjang gelombang

Dengan mengandaikan bahawa gelombang dalam gambar 2 mewakili rentetan getaran, garis hitam berfungsi sebagai rujukan dan membahagi gelombang gelombang menjadi dua bahagian simetri. Garis ini bertepatan dengan kedudukan di mana tali berada dalam keadaan rehat.

Nilai a disebut amplitud gelombang dan biasanya dilambangkan dengan huruf A. Untuk bahagiannya, jarak antara dua lembah atau dua puncak berturut-turut adalah panjang gelombang l dan sepadan dengan magnitud yang disebut b dalam gambar 2.

Tempoh dan kekerapan

Menjadi fenomena berulang dalam waktu, gelombang memiliki jangka waktu T yang merupakan waktu yang diperlukan untuk menyelesaikan kitaran lengkap, sedangkan frekuensi f adalah terbalik atau timbal balik dari periode tersebut dan sesuai dengan jumlah kitaran yang dilakukan per unit waktu .

Frekuensi f mempunyai unit dalam Sistem Antarabangsa yang terbalik dari masa: s ^-1 atau Hertz, untuk menghormati Heinrich Hertz, yang menemui gelombang radio pada tahun 1886. 1 Hz ditafsirkan sebagai frekuensi yang setara dengan satu kitaran atau getaran per kedua.

Halaju gelombang menghubungkan frekuensi dengan panjang gelombang:

v = λ.f = l / T

Kekerapan sudut

Konsep lain yang berguna ialah frekuensi sudut ω yang diberikan oleh:

ω = 2πf

Kelajuan gelombang mekanikal berbeza bergantung pada medium di mana ia bergerak. Sebagai peraturan umum, gelombang mekanikal mempunyai kelajuan yang lebih tinggi ketika bergerak melalui pepejal, dan gasnya lebih perlahan, termasuk atmosfera.

Secara amnya, kelajuan banyak jenis gelombang mekanik dikira dengan ungkapan berikut:

Sebagai contoh, untuk gelombang yang bergerak di sepanjang kord, kelajuan diberikan oleh:

Ketegangan dalam tali cenderung mengembalikan tali ke kedudukan keseimbangannya, sementara ketumpatan jisim mencegah ini berlaku dengan segera.

Formula dan persamaan

Persamaan berikut berguna dalam menyelesaikan latihan yang berikut:

Kekerapan sudut:

ω = 2πf

Tempoh:

T = 1 / f

Ketumpatan linear jisim:

v = λ.f

v = λ / T

v = λ / 2π

Kelajuan gelombang merambat dalam rentetan:

Contoh Berfungsi

Latihan 1

Gelombang sinusoidal yang ditunjukkan dalam Rajah 2 bergerak ke arah paksi x positif dan mempunyai frekuensi 18.0 Hz. Diketahui bahawa 2a = 8.26 cm dan b / 2 = 5.20 cm. Cari:

a) Amplitud.

b) Panjang gelombang.

c) Jangkamasa.

d) Kelajuan gelombang.

Penyelesaian

a) Amplitudinya ialah = 8.26 cm / 2 = 4.13 cm

b) Panjang gelombang ialah l = b = 2 x20 cm = 10.4 cm.

c) Tempoh T adalah kebalikan dari frekuensi, oleh itu T = 1 / 18.0 Hz = 0.056 s.

d) Kelajuan gelombang adalah v = lf = 10.4 cm. 18 Hz = 187.2 cm / s.

Latihan 2

Kawat nipis sepanjang 75 cm mempunyai jisim 16.5 g. Salah satu hujungnya terpaku pada paku, sementara yang lain mempunyai skru yang memungkinkan ketegangan pada wayar disesuaikan. Kira:

a) Kelajuan gelombang ini.

b) Ketegangan dalam ton yang diperlukan untuk gelombang melintang yang panjang gelombang 3.33 cm bergetar pada kadar 625 kitaran sesaat.

Penyelesaian

a) Dengan menggunakan v = λ.f, berlaku untuk sebarang gelombang mekanikal dan menggantikan nilai berangka, kami memperoleh:

v = 3.33 cm x 625 kitaran / saat = 2081.3 cm / s = 20.8 m / s

b) Kelajuan gelombang yang merambat melalui tali adalah:

Ketegangan T di tali diperoleh dengan mengangkatnya ke kedua sisi persamaan dan menyelesaikan:

T = v ² .μ = 20.8 ² . 2.2 x 10 ^-6 N = 9.52 x 10 ^-4 N.

Bunyi: gelombang membujur

Suara adalah gelombang membujur, sangat mudah untuk dilihat. Yang anda perlukan hanyalah spring yang licin dan fleksibel yang banyak eksperimen dapat dilakukan untuk menentukan bentuk gelombang.

Gelombang membujur terdiri daripada nadi yang secara bergantian memampatkan dan mengembang medium. Kawasan yang dimampatkan disebut "pemampatan" dan kawasan di mana gegelung pegas berada paling jauh adalah "pengembangan" atau "rarefaction". Kedua-dua zon bergerak di sepanjang paksi sumbu slinky dan membentuk gelombang membujur.

Rajah 5. Gelombang membujur membentang di sepanjang heliks pegas. Sumber: buatan sendiri.

Dengan cara yang sama seperti satu bahagian pegas dimampatkan dan yang lain membentang ketika tenaga bergerak seiring dengan gelombang, suara memampatkan bahagian udara yang mengelilingi sumber gangguan. Atas sebab itu ia tidak dapat menyebar dalam keadaan hampa.

Untuk gelombang membujur, parameter yang dijelaskan sebelumnya untuk gelombang berkala melintang sama berlaku: amplitud, panjang gelombang, tempoh, frekuensi dan kelajuan gelombang.

Dalam Rajah 5, panjang gelombang gelombang membujur yang bergerak di sepanjang pegas gegelung ditunjukkan.

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

Mampatan adalah setara dengan puncak dan pengembangan adalah setara dengan lembah dalam gelombang melintang, oleh itu gelombang bunyi juga dapat diwakili oleh gelombang sinusoidal.

Ciri-ciri bunyi: kekerapan dan intensiti

Suara adalah sejenis gelombang mekanikal dengan beberapa sifat yang sangat istimewa, yang membezakannya dengan contoh yang telah kita lihat setakat ini. Selanjutnya kita akan melihat apa sifatnya yang paling relevan.

Kekerapan

Kekerapan bunyi dirasakan oleh telinga manusia sebagai suara bernada tinggi (frekuensi tinggi) atau rendah (frekuensi rendah).

Julat 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 inframerah, frekuensi tidak dapat didengar oleh manusia, tetapi anjing dan haiwan lain dapat merasakan dan gunakan.

Sebagai contoh, kelawar memancarkan gelombang ultrasound dari hidung mereka untuk menentukan lokasinya dalam gelap dan juga untuk komunikasi.

Haiwan ini mempunyai sensor yang dengannya mereka menerima gelombang yang dipantulkan dan entah bagaimana menafsirkan masa kelewatan antara gelombang yang dipancarkan dan gelombang yang dipantulkan dan perbezaan frekuensi dan intensitasnya. Dengan data-data ini mereka menyimpulkan jarak yang mereka lalui, dan dengan cara ini mereka dapat mengetahui di mana serangga dan terbang di antara celah-celah gua yang mereka tinggali.

Mamalia laut seperti ikan paus dan ikan lumba-lumba mempunyai sistem yang serupa: mereka mempunyai organ khusus yang berisi lemak di kepalanya, dengan mana mereka mengeluarkan suara, dan sensor yang sesuai di rahangnya yang dapat mengesan bunyi yang dipantulkan. Sistem ini dikenali sebagai echolocation.

Intensiti

Keamatan gelombang suara ditakrifkan sebagai tenaga yang diangkut per unit masa dan per unit kawasan. Tenaga per unit masa adalah kuasa. Oleh itu, intensiti suara adalah kuasa per unit kawasan dan masuk dalam watt / m ² atau W / m ² . Telinga manusia melihat intensiti gelombang sebagai kelantangan: semakin kuat muzik, semakin kuat.

Telinga mengesan intensiti antara 10 ^-12 dan 1 W / m ² tanpa merasa sakit, tetapi hubungan antara intensiti dan isipadu yang dirasakan tidak linear. Untuk menghasilkan suara dengan kelantangan dua kali memerlukan gelombang dengan intensiti 10 kali lebih banyak.

Tahap intensiti suara adalah intensiti relatif yang diukur pada skala logaritmik, di mana unitnya adalah bel dan lebih kerap desibel atau desibel.

Tahap intensiti suara dilambangkan sebagai β dan diberikan dalam desibel oleh:

β = 10 log (I / I _o )

Di mana saya adalah intensiti suara dan I _o adalah tahap rujukan yang diambil sebagai ambang pendengaran pada 1 x 10 ^-12 W / m ² .

Eksperimen praktikal untuk kanak-kanak

Kanak-kanak dapat belajar banyak mengenai gelombang mekanikal sambil berseronok. Berikut adalah beberapa eksperimen sederhana untuk melihat bagaimana gelombang menghantar tenaga, yang dapat dimanfaatkan.

-Contoh 1: Interkom

bahan

- 2 cawan plastik yang tingginya jauh lebih besar daripada garis pusatnya.

- Kawat kuat antara 5 hingga 10 meter.

Masukkan ke dalam latihan

Tembusi pangkal gelas untuk melewati utas dan pasangkannya dengan simpul di setiap hujungnya supaya benang tidak terlepas.

- Setiap pemain mengambil gelas dan mereka berjalan dalam garis lurus, memastikan bahawa benang tetap kencang.

- Salah seorang pemain menggunakan gelasnya sebagai mikrofon dan bercakap dengan pasangannya, yang tentunya mesti meletakkan gelasnya ke telinganya untuk mendengar. Tidak perlu menjerit.

Pendengar akan segera menyedari bahawa suara suara pasangannya disebarkan melalui tali yang tegang. Sekiranya utas tidak tegang, suara rakan anda tidak akan dapat didengar dengan jelas. Anda juga tidak akan mendengar apa-apa jika anda memasukkan benang terus ke telinga anda, kaca itu perlu didengar.

Penjelasan

Kami tahu dari bahagian sebelumnya bahawa ketegangan dalam tali mempengaruhi kelajuan gelombang. Penghantarannya juga bergantung pada bahan dan diameter kapal. Semasa pasangan bercakap, tenaga suaranya dihantar ke udara (gelombang membujur), dari sana ke bahagian bawah gelas dan kemudian sebagai gelombang melintang melalui utas.

Benang menghantar gelombang ke bahagian bawah kapal pendengar, yang bergetar. Getaran ini dihantar ke udara dan dirasakan oleh gegendang telinga dan ditafsirkan oleh otak.

-Contoh 2: Memerhatikan gelombang

Masukkan ke dalam latihan

Mata air heliks yang licin dan fleksibel dengan pelbagai jenis gelombang dapat terbentuk, terletak di atas meja atau permukaan rata.

Gambar 6. Musim bunga heliks untuk bermain, dikenali sebagai slinky. Sumber: Pixabay.

Gelombang membujur

Hujung dipegang, satu di setiap tangan. Dorongan mendatar kecil kemudian digunakan pada satu hujung dan denyut nadi diperhatikan menyebarkan sepanjang musim bunga.

Anda juga boleh meletakkan satu hujung slinky yang dipasang pada sokongan atau meminta pasangan memegangnya, cukup meregangkannya. Dengan cara ini ada lebih banyak masa untuk memerhatikan bagaimana mampatan dan pengembangan antara satu sama lain menyebarkan dari satu hujung musim bunga ke ujung yang lain dengan cepat, seperti yang dijelaskan dalam bahagian sebelumnya.

Gelombang melintang

Slinky juga dipegang pada satu hujung, cukup meregangkannya. Hujung bebas diberi sedikit goncangan dengan menggegarkannya ke atas dan ke bawah. Denyut sinusoidal diperhatikan bergerak sepanjang musim bunga dan belakang.

Rujukan

1. Giancoli, D. (2006). Fizik: Prinsip dengan aplikasi. Edisi Keenam. Dewan Prentice. 308-333.
2. Hewitt, Paul. (2012). Sains Fizikal Berkonsep. Edisi Kelima. Pearson. 239-244.
3. Rex, A. (2011). Asas Fizik. Pearson. 263-273.