RESONANSI DAN EFEK DOPPLER
Disusun oleh : MIRSHA MIRS HA ULFATUL ULFATUL HAQNI HAQ NI RIFKA FINDIANI ADITY ADIT YA LUDI PRATAMA PRATAMA NOVIANTO CANDRA W DINDA ARLINI CAHYA UMAR
11506070211 11506070 2111002 1002 11506070111 115060701111007 1007 1150607011 11506070 1111027 11027 11506070111 115060701111034 1034 11506070111 115060701111051 1051 115060707111002
FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS BRAWIJAYA MALANG 2011-2012
Kata Pengantar
Puji syukur kami penjatkan kehadirat Tuhan YME, yang atas rahmat-Nya maka kami dapat menyelesaikan penyusunan makalah yang berjudul “Efek Doppler dan Resonansi” Penulisan makalah ini merupakan salah satu tugas dan persyaratan untuk menyelesaikan tugas mata kuliah Fisika II. Dalam Penulisan makalah ini kami merasa masih banyak kekurangankekurangan baik pada teknis penulisan maupun materi, mengingat akan kemampuan yang dimiliki kami masih terbatas. Untuk itu kritik dan saran dari semua pihak sangat kami harapkan demi penyempurnaan pembuatan makalah ini. Kami juga mengucapkan terima kasih kepada dosen Fisika II kami yaitu Ibu Made yang telah membimbing kami. Semoga makalah ini dapat memberikan wawasan yang lebih luas kepada pembaca. Walaupun makalah ini memiliki kelebihan dan kekurangan. Kami mohon untuk saran dan kritiknya. Terima kasih.
Malang, 8 Maret 2012
Penyusun
i
Daftar Isi
Kata Pengantar…………………………………………………………i
Daftar isi………………………………………………………………ii Pengertian Resonansi…………………………………………………1 A. Resonansi pada kolom udara……………………………….1 1. Pipa Organa Terbuka………………………………...2 2. Pipa Organa Tertutup………………………………...4
B. Resonansi pada berbagai alat musik ……………………......6 C. Kerugian akibat resonansi………………………………..…7
Efek Doppler……………………………………………………….....7 Contoh Soal……………………………………………………………9
Latihan Soal………………………………………………………….11 Daftar Pustaka………………………………………………………12
ii
Resonansi Resonansi adalah peristiwa ikut bergetarnya suatu benda karena pengaruh getaran benda lain di dekatnya. Syarat terjadinya resonansi adalah benda pertama (sumber getar) d an benda kedua (sumber getaran lain) mempunyai frekuensi yang sama. Contoh peristiwa resonansi adalah dua garputala yang mempnyai frekuensi yang sama didekatkan, jika salah satu garputala digetarkan, maka garputala yang lain juga ikut bergetar.
A. Resonansi pada kolom udara Resonansi pada kolom udara dapat digunakan untuk mengukur cepat rambat bunyi di udara. Dalam kehidupan sehari-hari resonansi memegang peranan penting misalkan di bidang musik. Pada alat-alat musik seperti gitar dan biola dilengkapi dengan kotak resonansi agar dapat menghasilkan bunyi yang nyaring dan merdu.
Gambar 1. Resonansi Kolom Udara Agar terjadi resonansi pada kolom udara dalam pipa atau tabung resonansi, maka panjang (l) kolom udara tersebut harus memenuhi syarat sebagai berikut : l1 = ¼ λ disebut sebagai resonansi pertama l2 = ¾ λ disebut sebagai resonansi kedua l3 =5/4 λ disebut sebagai resonansi ketiga Tinggi gelombang udara harus merupakan kelipatan ganjil dari seperempat panjang gelombang (14λ) sumber getaran. Secara umum, terjadinya resonansi pada kolom pipa resonansi (organa) dapat ditulis dengan rumus : ln= ¼ λ(2n-1) Kolom udara dapat beresonansi, artinya dapat bergetar. Kenyataan ini digunakan pada alat musik yang dinamakan Organa, baik organa dengan pipa tertutup maupun pipa terbuka
1
1. Pipa Organa Terbuka
Gambar 2. Penampang Pipa Organa Terbuka
Jika Udara dihembuskan kuat-kuat melalui lobang A dan diarahkan ke celah C, sehingga menyebabkan bibir B bergetar, maka udarapun bergetar. Gelombang getaran udara merambat ke atas dan oleh lubang sebelah atas gelombang bunyi dipantulkan ke bawah dan bertemu dengan gelombang bunyi yang datang dari bawah berikutnya, sehingga terjadilah interferensi. Maka dalam kolom udara dalam pipa organa timbul pola gelombang longitudinal stasioner. Karena bagian atas pipa terbuka, demikian pula celah C, maka tekanan udara di empat tersebut tentulah sama dan sama dengan tekanan udara luar, jadi tekanan di tempat tersebut timbulah perut.
Gambar 3. Pola Gelombang yang dihasilkan pada Pipa Organa Terbuka
Pada gambar (b) di atas terlihat 1 simpul diantara 2 perut. Ini berarti pipa organa bergetar dengan nada terendah yang disebut nada dasar organa. Frekwensi nada dasar dilambangkan f o, jadi L=
o atau
o = 2L,
sehingga
f o=
.
2
Pada gambar (c) memperlihatkan dua simpul dan satu perut diantara kedua perut, dikatakan udara dalam pipa organa bergetar dengan nada atas pertama dan dilambangkan dengan f 1. Pada pola tersebut sepanjang kolom udara dalam pipa terjadi 1 gelombang. Jadi : 1=L f 1 . l1 = f 1 . L = v
f 1 =
=
Pada gambar (d) memperlihatkan 3 simpul dan dua perut di antara kedua perut, dan bunyi yang ditimbulkan merupakan nada atas kedua dilambangkan f 2. Pada pola tersebut dalam pipa organa terbuka tersebut terjadi 1
gelombang,
jadi : L=
l2
atau l2 = L f 2 . l2 = f 2 .
L=v
f 2 =
Secara berturut-turut peristiwa di atas dapat kita amati sebagai berikut :
( 2 perut dan 1 simpul )
( 3 perut dan 2 simpul )
( 4 perut dan 2 simpul )
( 5 perut dan 4 simpul )
3
Pada nada atas ke-n terdapat : ( n+2 ) perut dan ( n+1 ) simpul sehingga secara umum dapat dirumuskan sebagai :
dan Dari data di atas dapat disimpulkan bahwa : f o : f 1 : f 2 : f 3 : . . . = 1 : 2 : 3 : 4 : . . .
Ungkapan tersebut dinamakan Hukum Bernoulli ke I, yaitu : Frekwensi nada-nada yang dihasilkan oleh pipa organa terbuka berbanding sebagai bilangan asli.
2. Pipa Organa Tertutup Apabila pada ujung atas pipa organa tertutup, maka dinamakan pipa organa tertutup, sehingga gelombang longitudinal stasioner yang terjadi pada bagian ujung tertutup merupakan simpul dan pada bagian ujung terbuka terjadi perut.
Gambar 4. Pola Gelombang yang dihasilkan pada Pipa Organa Tertutup
Pada (a) memberikan nada dasar dengan frekwensi f o. Pada panjang kolom udara L terjadi 1/4 gelombang, karena hanya terdapat 1 simpul dan 1 perut. Jadi : L=
o;
o
= 4L
f 0 . l0 = f 0. 4L = v
f 0 = 4
Pada pola ( b ) memberikan nada atas pertama dengan Frekwensi f 1. Sepanjang kolom udara pipa organa tertutup terjadi 2 simpul dan 2 perut, sehingga panjang pipa = panjang gelombang. Jadi : L=
1
atau 1=
L
f 1 . l1 = f 1 .
L=v
f 1 =
Pada pola ( c ) memberikan nada atas kedua dengan dengan frekwensi f 2 pada panjang kolom udara pipa organa tertutup terjadi 3 simpul dan 3 perut, sehinga panjang pipa = panjang gelombang. Jadi : L=
l2
atau l2=
L
f 2 . l2 = f 2 .
L=v
f 2 =
Pada nada atas ke-n terdapat ( n+1 ) simpul dan ( n+1 ) perut. Secara umum dirumuskan : dan
Dari keterangan di atas dapat disimpulkan : f o : f 1 : f 2 : f 3 : .. . = 1 : 3 : 5 : 7 :. . .
Ungkapan ini dinamakan Hukum Bernoulli ke II : Frekwensi nada pipa organa tertutup berbanding sebagai bilangan-bilangan ganjil.
5
B. Resonansi pada berbagai alat musik 1. Gamelan Gamelan terdiri dari kotak resonansi yang diatasnya terdapat lempenganlempengan yang berfungsi sebagai getaran jika dipukul. Apabila lempeng logam gamelan dipukul, getarannya menyebabkan udara yang ada di bawahnya ikut bergetar atau beresonansi sehingga nada yang lebih tinggi.
Gambar 5. Gamelan
2. Gendang Gendang merupakan alat musik yang menggunakan selaput tipis. Di bagian bawah diberi lubang agar udara didalamnya bebas bergetar. Apabila gendang dipukul, selaput tipisnya bergetar dan udara di dalamnya beresonansi. Alat musik yang menggunakan selaput tipis selain gendang adalah rebana.
3. Seruling Apabila seruling ditiup, kolom udara didalamnya akan beresonansi. Alat musik yang mempunyai prinsip yang sama dengan seruling adalah terompet, clarinet, trombone, dan sakxofon. Perbadaan antara alat musik tiup yang satu dengan yang lain terletak pada cara mengubah panjang kolom udara pada pipa.
Gambar 6. Seruling
4. Gitar Apabila senar gitar dipetik, getaran senar menyebabkan udara di dalam kota gitar beresonansi. Alat musik yang mempunyai prinsip sama dengan gitar adalah biola.
6
C. Kerugian akibat resonansi Resonansi sangat menguntungkan karena dapat memperkuat bunyi aslinya sehhingga banyaka lat musik yang dibuat dengan memanfaatkan efek resonansi, tetapi dibalik semua itu terdapat beberapa kerugian yang diakibatkan oleh adanya resonansi. Antara lain : 1. Amplitudo resonansi yang besar yang dihasilkan dari sumber getar, misalnya getaran mesin pabrik dan kereta api dapat meruntuhkan bangunan. 2. Bunyi ledakan bom dapat memecahkan kaca walaupun kaca tidak terkena ledakan langsung.
Gambar 7. Runtuhnya Jembatan Gantung di Selat Tacoma AS 3. Runtuhnya jembatan gantung di selat Ta coma di Washington AS pada tanggal 1 juli 1940 hanya empet bulan setelah peresmian. Jembatan tersebut ditiup angin sehingga menimbulkan getaran, karena getaran menimbulkan resonansi pada jembatan akhirnya jembatan bergoyang dan patah.
Efek Doppler Saat sebuah mobil Ambulance atau patroli bergerak mendekati kita sambil membunyikan sirine tersebut semakin tinggi. Kemudian jika sirine masih berbunyi saat ambulance lewat dan menjauhi kita, nada bunyi sirine yang terdengar akan semakin rendah (sampai akhirnya hilang) Dari ilustrasi diatas, kita bisa menyimpulkan bahwa bila sumber bunyi (dalam hal ini adalah mobil ambulance atau patroli polisi) dan pengamat atau pendengar bergerak relatif satu sama lain (menjauhi atau mendekati) maka frekuensi yang dipancarkan oleh sumber.
Gambar 8.Christian Johann Doppler 7
Bila sumber bunyi dan pengamat bergerak saling mendekati, maka frekuensi yang ditangkap pengamat (fp) akan lebih besar dari frekuensi sumber bunyi (fs), dan sebaliknya bila sumber dan pengamat bergerak saling menjauhi, maka frekuensi yang ditangkap pengamat lebih kecil dari frekuensi sumber bunyi. Peristiwa yang pertama kali diamati dan dijelaskan oleh Christian Johann Doppler pada tahun 1842 yang kemudian dikenal sebagai Efek Doppler ini dapat digambarkan sebagai berikut.
Gambar 9. Sumber Bunyi Mendekati Pengamat (Kanan) dan Menjauhi Pendengar (Kiri) Persamaan yang melukiskan efek doppler adalah sebagai berikut :
± = ( ) ± fp = Frekuensi gelombang bunyi yang ditangkap oleh pengamat fs = Frekuensi gelombang bunyi yang dipancarkan pendengar v = Cepat rambat atau kelajuan gelombang bunyi di medium udara vp = Kelajuan pengamat vs = Kelajuan sumber bunyi Ketentuan vp (+) jika pendengar mendekati sumber (-) jika pendengar menjauhi sumber (0) jika pengar diam
vs (+) Jika sumber mendekati pendengar (-) jika sumber menjauhi pendengar (0) jika sumber diam
Walaupun pertama kali ditemukan dalam gelombang suara, Efek Doppler ternyata berlaku pada semua jenis gelombang termasuk gelombang (dan gelombang elektromaknetik lainnya). Efek Doppler untuk gelombang cahaya biasanya digambarkan dalam kaitan dengan warna daripada dengan frekuensi. 8
Contoh Soal (Contoh Soal Resonansi) 1. Suatu pipa organa memiliki panjang 50 cm (cepat rambat bunyi di udara 350 m/s). Tentukan frekuensi nada dasar dan nada atas pertama jika pipa tersebut: a. Terbuka kedua ujungnya b. Tertutup salah satu ujungnya Jawab: L = 50 cm = 0,5 m ; v = 350 m/s a. Organa Terbuka
=
350
= 350 2 2(0,5) 1 = 2 = 2(350) = 700 b. Organa Tertutup =
=
350
=
= 175 4 4(, 5) 1 = 3 = 3(175) = 525
2. Sebuah tabung tertutup menghasilkan frekuensi nada dasar 512 Hz. Jika ujung tertutup dibuka, tentukan nada dasar yang dihasilkan oleh resonansi di dalamnya! Jawab:
1 = 4 = , 2 2 , = 2, = 2(512) = 1024 ,
3. Suatu pipa organa tertutup sedang bergetar pada nada atas pertamanya. Pipa tersebut beresonansi bersama-sama pipa organa terbuka yang bergetar pada nada atas ketiganya. Tentukan perbandingan panjang pipa organa tertutup dan pipa organa terbuka! Jawab:
3 = 41 4 3, 23
1,
1, 3,
=
3 8 9
(Contoh Soal Efek Doppler) 1. Sebuah kereta api bergerak mendekati stasiun dengan kecepatan sebesar 20 m/s. Peluit kereta api yang memiliki frekuensi 2000 Hz dibunyikan. Bila cepat rambat bunyi diudara 340 m/s, tentukan frekuensi yang didengar orang yang berada didalam stasiun! Jawab; Dilihat dari gerakannya, kita peroleh data: vp = 0 karena pengamat sedang diam vs bertanda negatif karena arah geraknya berlawanan dengan arah dari P-S / mendekati pendengar maka rumusnya kita tulis:
2. Pada suatu jalan bebas hambatan, kecepatan maksimum kendaraan yang diperkenanlan 100 km/jam. Polisi mencurigai sebuah kendaraan yang memiliki kecepatan melampui batas kecepatan maksimum yang diperkenankan pada jalan bebas hambatan tersebut. Diketahui mobil polisi dalam keadaan diam v p = 0, kecepatan bunyi di udara v=340 m/s, frekuensi sumber bunyi f s = 2,2 kHz, dan frekuensi pantulan bunyi yang terdeteksi oleh polisi f p = 2,4 kHz. Apakah polisi tersebut berhak memberikan peringatan kepada sopir kendaraan tersebut? Jawab :
=
m/s = 30,9 m/s = 111,2 km/jam.
Jadi, polisi berhak memberikan peringatan kepada sopir kendaraan tersebut karena kecepatannya melampui batas kecepatan yang diperkenankan.
10
Latihan Soal (Latihan Soal Resonansi) 1. Dalam suatu pipa organa tertutup yang panjangnya L terdapat 4 simpul dan 4 perut. Jika laju bunyi adalah v, maka frekuensi nada yang dihasilkan pipa tersebut sesuai dengan … 2. Di dalam suatu pipa organa yang panjangnya L terdapat 2 simpul dan 3 perut. Jika laju bunyi adalah v, maka jenis pipa organa dan frekuensi nada yang dihasilkannya adalah 3. Jika sebuah pipa organa terbuka ditiup hingga timbul nada atas kedua, maka terjadi 4. Pipa organa terbuka yang panjangnya 30 cm saat ditiup menghasilkan nada atas kedua. Panjang gelombang yang dihasilkan
(Latihan Soal Efek Doppler)
1. Mobil C dengan kecepatan 30 m/s mendekati kereta T yang sedang membunyikan peluit dengan frekuensi 1065 Hz. Jika kereta sedang bergerak dengan kecepatan 15 m/s searah dengan mobil, hitung frekuensi nada yang didengar oleh pengemudi mobil! 2. Dua buah mobil berpapasan satu sama lain dalam arah berlawanan. Kelajuan masingmasing mobil 14 m/s dan cepat rambat bunyi di udara 334 m/s. Salah satu mobil membunyikan klakson dengan frekuensi 640 Hz. Hitung frekuensi yang didengar dalam mobil lainnya sebelum dan sesudah keduanya berpapasan!
11
DAFTAR PUSTAKA http://www.google.co.id/imgres?q=%27gamelan%27&hl=id&biw=1024&bih=604&gbv=2&t bm=isch&tbnid=0Df709hcFarnEM:&imgrefurl=http://ruanasagita.blogspot.com/2011/06/asal -kata-gamelan.html&docid=Dd4MFy8lX4RwaM&imgurl=http://1.bp.blogspot.com/6WvOUfNKyq4/Teup_TF659I/AAAAAAAAACM/2E6AjnBVGJ4/s1600/Gamelan.jpg&w= 1024&h=685&ei=68hVT_jwKIrRrQfjjKGGBw&zoom=1&iact=hc&vpx=424&vpy=180&du r=2117&hovh=184&hovw=275&tx=158&ty=108&sig=107668985616264351798&page=1& tbnh=114&tbnw=159&start=0&ndsp=15&ved=1t:429,r:2,s:0 http://www.google.co.id/imgres?q=%27Jembatan+Gantung+selat+ta+coma%27&hl=id&gbv =2&biw=1024&bih=604&tbm=isch&tbnid=boNaY8VoqztbsM:&imgrefurl=http://forum.deti k.com/runtuhnya-jembatan-gantung-pic-vidt314299.html&docid=z4hcJ_iErPzG1M&imgurl=http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/5 /5c/TacomaNarrowsBridgeCollapse_in_color.jpg&w=400&h=267&ei=V8xVT4rIGYOyrAeE 8J3_Bg&zoom=1&iact=hc&vpx=600&vpy=12&dur=1004&hovh=112&hovw=158&tx=130 &ty=92&sig=107668985616264351798&page=1&tbnh=112&tbnw=158&start=0&ndsp=15 &ved=1t:429,r:8,s:0 http://basicsphysics.blogspot.com/2009/08/bunyi.html http://fisikon.com/kelas3/index.php?limitstart=50 http://blog.uad.ac.id/wenyseptiani/2011/12/04/efek-doppler/ Luluk ayuning dyah P, Msi Gelombang dan bunyi untuk guru SD Pusat Pengembngan dan Pemberdayaan Pendidik dan Tenaga Kependidikan Ilmu Pengetahuan Alam (PPPPTKIPA) untuk PROGRAM BERMTU
12
