Bunyi Pindah Medium: Rahasia Lambda
Sumber Getar Adalah Raja
Frekuensi gelombang selalu tetap meski berpindah medium karena nilainya hanya ditentukan oleh sumber aslinya.
Jawabanmu yang membenarkan Opsi B sudah 100% tepat! Ketika sebuah klakson bergetar menghasilkan nada berfrekuensi $500\text{ Hz}$, pelat klakson tersebut bergetar bolak-balik sebanyak $500$ kali setiap satu detik. Setiap kali pelat bergetar, ia mendorong molekul di depannya. Molekul ini kemudian mendorong molekul berikutnya secara berantai. Karena tidak ada getaran yang hilang atau bertambah di perbatasan, ritme getaran yang merambat ke udara maupun masuk ke dalam air akan terus mempertahankan frekuensi asli yang sama, yaitu $500\text{ Hz}$.
Seberkas cahaya dengan frekuensi tertentu dipancarkan dari udara lalu menembus sebuah balok kaca padat yang menyebabkan laju perambatannya melambat. Apakah yang terjadi pada frekuensi gelombang cahaya tersebut di dalam balok kaca?
- Berkurang karena perambatannya melambat di dalam kaca
- Tetap sama seperti saat gelombang berada di udara
- Bertambah karena energinya terakumulasi di dalam balok
- Menjadi nol karena energi getarannya terserap utuh
Jawaban: Tetap sama seperti saat gelombang berada di udara
Frekuensi gelombang hanya ditentukan oleh sumber penggetar aslinya. Ketika seberkas gelombang menembus batas medium lain (misalnya dari udara ke kaca padat), kecepatan dan panjang gelombangnya dapat berubah, tetapi frekuensinya tetap sama persis seperti saat di medium asal.
Prinsip kekekalan frekuensi pada gelombang yang berganti medium penjalaran
Melangkah di Lumpur vs Aspal
Dengan frekuensi yang konstan, kecepatan gelombang yang lebih tinggi disebabkan oleh melebarnya panjang setiap gelombang, bukan karena ia merapat.
Kita lanjutkan analogi pejalan kaki tadi. Jika kamu berjalan di jalan becek berlumpur, kakimu tertahan sehingga jarak total yang ditempuh dalam satu detik menjadi lambat (cepat rambat rendah). Sebaliknya, begitu kamu naik ke jalan aspal mulus yang padat dan kesat, kamu bisa melesat menempuh jarak jauh dalam satu detik (cepat rambat tinggi). Nah, jika ritme ayunan kakimu dikunci tetap sama (misalnya $2$ langkah per detik), bagaimana caramu menempuh jarak yang jauh lebih panjang di aspal tanpa menambah ritme langkah? Satu-satunya cara adalah memperlebar rentangan setiap satu langkah kakimu!
Fenomena inilah yang terjadi pada Opsi C. Di udara, gelombang bunyi merambat lambat ($345\text{ m/s}$), sehingga setiap satu getaran hanya sempat merambat sejauh jarak tertentu sebelum getaran berikutnya muncul. Namun di dalam air, bunyi melesat jauh lebih cepat ($1480\text{ m/s}$). Karena sumber tetap bergetar dengan ritme yang sama ($500\text{ Hz}$), gelombang pertama sudah terlempar jauh ke depan sebelum gelombang berikutnya lahir. Akibatnya, jarak antara dua puncak gelombang atau rapatan (panjang gelombang) justru meregang semakin panjang, bukan memendek. Oleh karena itu, pernyataan pada Opsi C salah.
Membedah Rumus Secara Matematis
Dalam persamaan gelombang yang dibalik, nilai kecepatan yang membesar akan menghasilkan nilai panjang gelombang yang membesar proporsional jika frekuensi bertindak sebagai pembagi tetap.
Persamaan dasar gelombang biasanya dituliskan sebagai $v = \lambda \cdot f$. Namun, untuk mencari tahu apa yang terjadi pada bentuk fisik gelombangnya saat berpindah medium, kita membalik hubungan tersebut menjadi persamaan panjang gelombang:
$$\lambda = \frac{v}{f}$$
Dalam kasus perpindahan medium ini, frekuensi bunyi ($f$) terkunci pada angka $500\text{ Hz}$. Artinya, angka $500$ bertindak sebagai pembagi (penyebut) yang nilainya konstan dan tidak pernah berubah.
Ketika gelombang merambat dari udara ke dalam air, pembilangnya melonjak tinggi dari $v_{\text{udara}} = 345\text{ m/s}$ menjadi $v_{\text{air}} = 1480\text{ m/s}$. Karena pembilang membesar sementara penyebutnya tetap sama ($500$), maka hasil baginya pasti ikut membesar.
Jika kita hitung panjang gelombang di dalam air:
$$\lambda_{\text{air}} = \frac{1480}{500} = 2{,}96\text{ m}$$
Nilai $2{,}96\text{ meter}$ ini jauh melampaui ukuran panjang gelombang di udara. Ini semakin membuktikan bahwa pernyataan Opsi C yang menyebut gelombang di air lebih pendek adalah keliru.