Fisika Sekolah Dasar dan Menengah Pertama · Grades 1–9

53Bunyi: Penghasilan dan Perambatan

Kamu sudah tahu sejak masa kecil bahwa bunyi lahir di dalam sebuah getaran lalu mati di dalam kehampaan — butiran berasnya menari, belnya di dalam toples terdiam. Yang belum kamu punyai adalah nama pengantar pesannya. Kini kamu memiliki dunia molekul, dan seluruh perjalanan bunyi — dari sehelai dawai gitar sampai ke gendang telingamu, menembus udara, air, atau baja — akhirnya dapat ditonton dari dalam.

53.1 Para pengantar pesan

Definisi 53.1 (Medium)

Medium (bentuk jamaknya media) adalah zat yang dilewati bunyi ketika berjalan: udara, air, kayu, baja — wujud mana pun sanggup melayani, karena semuanya kerumunan molekul. Yang tidak dapat diseberangi bunyi mana pun adalah ketiadaan kerumunan: hampa udara, panggung yang kosong.

Proposisi 53.2 (Bagaimana bunyi berjalan)

Sumber yang bergetar mendorong molekul di sampingnya; molekul itu berdesak pada tetangganya lalu memantul; tetangganya mendorong barisan berikutnya pada gilirannya. Dorongannya — perasan kerumunan yang berjalan — melesat ke luar dari sumbernya ke segala arah, molekul mengestafetkan molekul, walaupun tiap molekul sendiri hanya bergoyang di sekitar tempatnya. Bunyi adalah estafetnya, bukan pelarinya: pesannya berjalan; para pengantar pesannya tinggal di rumah.

Bunyi di dalam udara: dorongan sumbernya berjalan sebagai estafet perasan menembus kerumunan molekulnya — tiap molekul bergoyang di tempatnya, polanya yang melesat terus.

Contoh 53.3 (Toplesnya, akhirnya terjelaskan)

Bel yang termasyhur dibungkam itu kini mengakui mekanismenya. Memompa keluar udaranya menyingkirkan kerumunannya: dinding bel yang bergetar mendorong ketiadaan, tidak terbentuk estafet, dan tidak ada pesan yang menyeberangi kacanya. Belnya tidak pernah berhenti — ia kehilangan para pengantar pesannya. Dan kesunyian besar antariksa langsung menyusul: di antara bintang tidak ada kerumunan yang membawa jeritan.

Contoh 53.4 (Nyaring, lirih, dan kehabisan tenaga)

Dorongan yang lebih keras membuat perasan yang lebih kuat: bunyi yang lebih nyaring. Dan selagi estafetnya menyebar — riak kolam dalam tiga dimensi — tiap perasannya dibagikan atas kulit kerumunan yang kian luas dan kian luas, sehingga melemah menurut jarak: itulah sebabnya teriakan memudar, dan mengapa musik tetangga hanya gumam menembus dua tembok. Tidak satu pun dari hal ini memerlukan hukum baru: fisika kerumunanlah yang membayar segalanya.

Sehelai dawai yang dipetik, dipotret di tengah lagunya: getarannya mengaburkannya menjadi pita yang lebar, paling lebar di tengah, dan diam pada kedua ujungnya yang terpancang.

53.2 Tiap medium mempunyai langkahnya

Proposisi 53.5 (Kelajuan bunyi bergantung pada mediumnya)

Kelajuan estafetnya adalah sifat kerumunannya:

di dalam udara: kira-kira $340\,\mathrm{m}/\mathrm{s}$ ;
di dalam air: kira-kira $1500\,\mathrm{m}/\mathrm{s}$ — empat kali lebih cepat;
di dalam baja: kira-kira $5000\,\mathrm{m}/\mathrm{s}$ — lima belas kali lebih cepat daripada udara.

Polanya: makin rapat molekul sebuah medium bersentuhan, makin cepat mereka mengoperkan dorongannya. Molekul udara yang beterbangan harus menyeberangi celah lebih dahulu untuk mengantar; kerumunan air yang bersentuhan mengestafet dengan sigap; barisan baja yang terkunci mengoper pesannya hampir dari tangan ke tangan.

Tiga kerumunan, tiga langkah: makin rapat persentuhan molekulnya, makin cepat estafetnya.

Contoh 53.6 (Adegan lama, bilangan baru)

Telinga sang perisik pada relnya: estafet bajanya melampaui estafet udaranya dengan faktor lima belas — peringatan relnya tiba jauh sebelum gemuruhnya. Nyanyian paus yang menyeberangi lautan: estafet air yang cepat dan murah hati. Dan suaramu sendiri terdengar aneh pada rekaman sebagiannya karena, ketika berbicara, kamu mendengar dirimu lewat estafet tulang tengkorakmu di samping lewat udara — dua medium, dua versi, dan hanya orang lain yang pernah mendengar versi udara saja.

53.3 Bunyi dengan stopwatch

Metode 53.7 (Mengukur kelajuan bunyi)

Cara yang tertua masih berhasil di lapangan olahraga mana pun:

seorang kawan berdiri sejauh $680\,\mathrm{m}$ yang terukur (dua panjang lapangan dan sedikit lagi — langkahilah atau pakailah garis lapangannya) dengan dua tutup panci;
mereka membenturkan tutupnya di atas kepala: kamu melihat benturannya seketika (perjalanan cahaya sama saja dengan seketika), lalu mulailah stopwatchnya pada kilatan geraknya;
hentikan pada dentang yang tiba: harapkan hampir tepat $2\,\mathrm{s}$ ;
hitunglah: $v = d/t = 680 \div 2 = 340\,\mathrm{m}/\mathrm{s}$ .

Ulangi lalu rata-ratakan — waktu tanggap berserak, sebagaimana diajarkan bab pengukuran yang jujur. Menghitung guruh adalah cara ini yang dijalankan terbalik: dengan mengetahui $v$ , sekon yang sunyi menyerahkan jaraknya kepadamu.

Contoh 53.8 (Gemanya, dihitung)

Sebuah tepukan ke arah sebuah tebing kembali dalam $3\,\mathrm{s}$ . Bunyinya berjalan ke tebingnya lalu kembali: $d_{\text{pulang pergi}} = 340 \times 3 = 1020\,\mathrm{m}$ , sehingga tebingnya berdiri pada separuhnya: $510\,\mathrm{m}$ . Aturan setiap hitungan gema: waktu yang terukur membayar perjalanan pulang perginya — melupakan “lalu kembali” adalah kekeliruan yang klasik, dan menggandakan setiap jawaban secara keliru.

Contoh 53.9 (Sonar, dengan sungguh-sungguh)

Sonar kapal survei berdetak ke bawah; gema dasar lautnya kembali dalam $0.6\,\mathrm{s}$ . Di dalam air, $d = 1500 \times 0.6 = 900\,\mathrm{m}$ pulang pergi: kedalamannya $450\,\mathrm{m}$ . Lumba-lumba dan kelelawar menjalankan hitungan yang sama menurut naluri; kapal mencetaknya pada peta. Perhatikan disiplinnya: mediumlah yang memilih kelajuannya — memberikan angka $340$ milik udara kepada gema bawah air adalah kekeliruan klasik yang kedua pada bab ini.

Catatan 53.10 (Apa yang masih belum berarti “cepat”)

Angka $5000\,\mathrm{m}/\mathrm{s}$ milik baja terdengar gagah — sampai cahaya diingat kembali. Pada badai, perjalanan kilatnya terhitung seketika sementara guruhnya berlari kecil sekilometernya dalam tiga sekon; dan tidak ada medium, baik baja maupun intan, yang membawa bunyi mendekati jarak teriak dari langkah cahaya. Persis secepat apa cahaya berlari — dan bagaimana manusia akhirnya mencatat waktu sesuatu yang menyeberangi ruangan dalam seperseratus juta sekon — adalah cerita tahun depan, dengan sebuah bab tersendiri.

53.4 Latihan

Latihan 53.1 ★

Apa itu medium? Sebutkan tiga, dan satu “bukan medium” yang tidak dapat diseberangi bunyi mana pun.

Solusi

Solusi Latihan 53.1.

Zat yang dilewati bunyi ketika berjalan — udara, air, kayu, baja, kerumunan molekul mana pun. Yang bukan medium: hampa udara.

Latihan 53.2 ★

Pada gambaran estafetnya, apa yang berjalan dari sumbernya ke telinga — dan apa yang dilakukan tiap molekulnya sendiri-sendiri?

Solusi

Solusi Latihan 53.2.

Estafetnyalah yang berjalan: pola perasan yang melesat, yang dioperkan dari barisan ke barisan kerumunannya. Tiap molekul hanya bergoyang di sekitar tempat tinggalnya — pesannya bergerak, pengantar pesannya tinggal.

Latihan 53.3 ★

Jelaskan bel yang dibungkam di dalam toples itu dengan molekul — dan mengapa pertempuran antariksa yang menggelegar di dalam film adalah fisika khayalan.

Solusi

Solusi Latihan 53.3.

Tanpa kerumunan, tanpa estafet: toples yang dipompa kosong itu membiarkan dinding bel yang bergetar mendorong ketiadaan, sehingga tidak terbentuk pesan. Pertempuran antariksa sunyi karena alasan yang sama — ledakan di antara bintang tidak mempunyai kerumunan yang membawa raungannya.

Latihan 53.4 ★

Berikan ketiga kelajuan pada tabel babnya, dan pola yang menghubungkan susunan molekul sebuah medium dengan langkahnya.

Solusi

Solusi Latihan 53.4.

Udara kira-kira $340\,\mathrm{m}/\mathrm{s}$ ; air kira-kira $1500\,\mathrm{m}/\mathrm{s}$ ; baja kira-kira $5000\,\mathrm{m}/\mathrm{s}$ . Makin rapat molekulnya bersentuhan, makin cepat dorongannya dioperkan: terbang, bersentuhan, terkunci.

Latihan 53.5 ★

Mengapa pesan lewat rel milik sang perisik melampaui pesan lewat udara? Kira-kira dengan faktor berapa?

Solusi

Solusi Latihan 53.5.

Barisan baja yang terkunci mengestafet hampir dari tangan ke tangan: kira-kira lima belas kali langkah udaranya, sehingga pesan relnya tiba jauh sebelum gemuruh yang lewat udara.

Latihan 53.6 ★

Pada pengukuran di lapangan itu, mengapa menonton benturan tutupnya sama baiknya dengan pistol pemberangkatan di sumbernya sendiri?

Solusi

Solusi Latihan 53.6.

Perjalanan cahaya menyeberangi lapangan mana pun terhitung seketika di samping perjalanan bunyi: benturan yang terlihat menandai awal yang sejati dengan kecermatan jauh lebih baik daripada yang dapat dipakai tangan pemegang stopwatchnya.

Latihan 53.7 ★

Gema sebuah tepukan dari dinding sebuah gudang kembali dalam $1\,\mathrm{s}$ . Berapa jauh dindingnya? Sebutkan kekeliruan yang akan menjawab $340\,\mathrm{m}$ .

Solusi

Solusi Latihan 53.7.

$340 \times 1 = 340\,\mathrm{m}$ pulang pergi: dindingnya berdiri pada $170\,\mathrm{m}$ . Menjawab $340\,\mathrm{m}$ melupakan bahwa sekonnya membayar perjalanan pergi dan pulang.

Latihan 53.8 ★

Gema sonar sebuah kapal kembali dalam $2\,\mathrm{s}$ . Berapa kedalamannya? Sebutkan kekeliruan yang akan memakai $340\,\mathrm{m}/\mathrm{s}$ .

Solusi

Solusi Latihan 53.8.

Di dalam air: $1500 \times 2 = 3000\,\mathrm{m}$ pulang pergi — kedalamannya $1500\,\mathrm{m}$ . Kekeliruannya: meminjam $340\,\mathrm{m}/\mathrm{s}$ milik udara untuk perjalanan bawah air.

Latihan 53.9 ★★

Kembang api di atas teluk: kamu melihat ledakannya, lalu mendengarnya $2.5\,\mathrm{s}$ kemudian. Berapa jauh peluru kembang apinya? Mengapa perhitungan yang sama tidak berguna untuk menilai jarak sebuah jet yang dapat kamu dengar tetapi tidak dapat kamu lihat?

Solusi

Solusi Latihan 53.9.

$d = 340 \times 2.5 = 850\,\mathrm{m}$ . Kilatan kembang apinya memberi pistol pemberangkatan yang sejati; jet yang tidak terlihat tidak menawarkan apa pun — tidak ada saat pemancaran untuk dijadikan pangkal pencatatan waktu — dan lebih buruk lagi, raungan yang terdengar meninggalkan jetnya beberapa sekon yang lalu: telinganya menunjuk ke tempat jetnya dahulu berada.

Latihan 53.10 ★★

Seorang perenang dengan satu telinga di bawah air mendengar pengeras suara bawah air kolamnya sebelum seorang kawan di tepi kolam mendengarnya lewat udara — padahal kawannya berdiri lebih dekat. Rukunkan dengan tabelnya.

Solusi

Solusi Latihan 53.10.

Telinga yang di bawah air dilayani estafet $1500\,\mathrm{m}/\mathrm{s}$ milik air, telinga di tepi kolam dilayani $340\,\mathrm{m}/\mathrm{s}$ milik udara — dan sebagian besar bunyi pengeras suaranya sama sekali tidak menyeberangi perbatasan permukaannya ke udara. Medium yang lebih cepat, pesan yang pribadi: perenangnya menang walaupun jaraknya.

Latihan 53.11 ★★

Cerita rakyat kereta api yang lama: tempelkan telingamu ke relnya dan kamu mendengar keretanya dua kali. Jelaskan kedua kedatangannya, lalu hitunglah selangnya untuk kereta yang berada $3\,\mathrm{km}$ jauhnya (baja pada $5000\,\mathrm{m}/\mathrm{s}$ , udara pada $340\,\mathrm{m}/\mathrm{s}$ — satu angka di belakang koma sudah cukup).

Solusi

Solusi Latihan 53.11.

Satu pukulan, dua estafet: lewat baja dan lewat udara. Baja: $3000 \div 5000 = 0.6\,\mathrm{s}$ ; udara: $3000 \div 340 \approx 8.8\,\mathrm{s}$ — dentangnya mendahului dentumnya kira-kira $8.2\,\mathrm{s}$ .

Latihan 53.12 ★★★

Rancanglah sebuah pengukuran kelajuan bunyi di dalam air untuk sebuah danau yang tenang, dengan memakai sebuah pengetuk tahan air, sebuah hidrofon (mikrofon bawah air) sejauh $750\,\mathrm{m}$ , dan sebuah perekam yang juga menangkap tepukan pengetuknya yang lewat udara menembus sebuah mikrofon biasa di sampingnya. Jelaskan bagaimana membandingkan kedua waktu kedatangan yang terekam itu menghasilkan kelajuan airnya — lalu hitunglah selang yang diharapkan di antara kedua kedatangannya.

Solusi

Solusi Latihan 53.12.

Satu ketukan mengirim saat yang sama ke dalam kedua mediumnya; pada $750\,\mathrm{m}$ perekamnya menangkap kedatangan lewat air (pada hidrofonnya) dan kedatangan lewat udara (pada mikrofonnya). Waktu yang diharapkan: air $750 \div 1500 = 0.5\,\mathrm{s}$ , udara $750 \div 340 \approx 2.2\,\mathrm{s}$ — selangnya kira-kira $1.7\,\mathrm{s}$ . Jalankan terbalik: dengan $d$ dan kelajuan udaranya diketahui, selang yang terukur memberi waktu kedatangan lewat airnya ( $t_{\text{udara}} - \text{selang}$ ), dan $v = 750 \div 0.5 = 1500\,\mathrm{m}/\mathrm{s}$ — langkah airnya terukur tanpa pernah mencatat waktu ketukan yang sunyi itu sendiri.

53.5 Soal: Survei Ngarai

Soal 53.1

Soal akhir pekan — memetakan ngarai yang sunyi dengan telinga; gema, rel, dan kedalaman sungai; perlengkapan sang juru ukur

Sebuah regu survei memetakan sebuah ngarai terpencil dengan stopwatch, satu unit sonar, dan fisika bab ini. Kelajuannya: udara $340\,\mathrm{m}/\mathrm{s}$ , air $1500\,\mathrm{m}/\mathrm{s}$ , baja $5000\,\mathrm{m}/\mathrm{s}$ .

Bagian I — Lebar menurut gema.

Dari bibir sebelah timur, gema sebuah tepukan dari dinding sebelah barat kembali dalam $4\,\mathrm{s}$ . Berapa lebar ngarainya di sini?
Pada titik yang lebih sempit, gemanya kembali dalam $1.5\,\mathrm{s}$ . Berapa lebarnya?
Seorang juru ukur yang berdiri di antara dua dinding yang sejajar bertepuk sekali lalu mendengar dua gema yang jelas terpisah: sesudah $1\,\mathrm{s}$ dan sesudah $2\,\mathrm{s}$ . Berapa jauh tiap dindingnya, dan berapa lebar ngarainya pada garis ini?
Mengapa kesalahan pengukuran terbesar pada Bagian I datang dari tangan pemegang stopwatchnya, bukan dari rumusnya? (Sebutkan kebijaksanaan aturan pengukuran berulangnya.)

Bagian II — Sungai di bawahnya.

Unit sonarnya, yang diapungkan di sungai, mendetak dasarnya: gemanya dalam $0.2\,\mathrm{s}$ . Berapa kedalaman sungainya?
Unit yang sama yang didetakkan menyamping ke arah sebuah batu besar yang terendam mengembalikan gemanya dalam $0.4\,\mathrm{s}$ . Berapa jarak ke batunya?
Seorang rekan menyarankan penghematan baterai: “berteriaklah dari perahunya lalu catat waktu gema dasarnya dengan telinga.” Berikan dua alasan fisika mengapa ini gagal di tempat sonarnya berhasil. (Pikirkan perbatasan di antara medium, dan apa yang harus dilakukan estafet udara sebuah teriakan pada permukaannya.)
Dasar sungainya turun tajam di tengah alurnya: ramalkan apa yang dilakukan waktu gema sonarnya selagi perahunya hanyut menyeberangi terjunannya.

Bagian III — Rel tambang yang tua. Sebuah rel terbengkalai yang lurus membentang $2\,\mathrm{km}$ di sepanjang dasar ngarainya sampai ke gerbang tambangnya.

Sebuah pukulan palu pada relnya di gerbangnya: hitunglah kedua waktu kedatangannya di ujung para juru ukurnya — lewat baja, dan lewat udara.
Regunya mendengar dentang rel dan dentum udara yang terpisah oleh selang itu. Jelaskan bagaimana selangnya saja dapat mengukur jarak ke gerbangnya seandainya $2\,\mathrm{km}$ -nya tidak diketahui (gambarkan penalarannya; perhitungannya adalah hadiah Bagian III bagi yang bersemangat).
Kabut memenuhi ngarainya semalaman — tidak berguna bagi lampu dan cermin. Saluran pengukuran yang mana di antara ketiganya (bunyi udara, bunyi air, bunyi rel) yang paling sedikit diganggu kabut, dan mengapa?
Tulislah buku harian juru ukurnya: tiga kalimat — aturan pulang perginya, aturan medium-memilih-kelajuannya, dan alat tunggal yang mana (mata atau telinga) yang memulai setiap pencatatan waktu di ngarainya, dan mengapa ia boleh dipercaya sebagai “seketika”.

Solusi

Solusi Soal 53.1.

1. $340 \times 4 = 1360\,\mathrm{m}$ pulang pergi: lebarnya $680\,\mathrm{m}$ . 2. $340 \times 1.5 = 510$ ; separuhnya: $255\,\mathrm{m}$ . 3. Dinding pertama: $340 \times 1 \div 2 = 170\,\mathrm{m}$ ; yang kedua: $340 \times 2 \div 2 = 340\,\mathrm{m}$ ; ngarainya membentang $170 + 340 = 510\,\mathrm{m}$ di sepanjang garis itu. 4. Rumusnya persis; tangannya tidak: memulai dan menghentikan oleh manusia berserak sepersepuluhan sekon — puluhan meter pada $340\,\mathrm{m}/\mathrm{s}$ . Karena itu aturan lamanya: ulangi, perhatikan bacaannya berdesak, laporkan desakannya. 5. $1500 \times 0.2 = 300\,\mathrm{m}$ pulang pergi: kedalamannya $150\,\mathrm{m}$ . 6. $1500 \times 0.4 \div 2 = 300\,\mathrm{m}$ . 7. Pada perbatasan udara–air sebagian besar teriakan dibalikkan — sedikit yang masuk ke sungainya, dan gema dasar yang lemah itu harus menyeberangi perbatasannya lagi untuk mencapai telinga di udara: hampir tidak ada yang selamat. Dan bahkan kalau gemanya diterima pun, perjalanan pulang pergi sepersepuluhan sekon mengalahkan pencatatan waktu dengan telinga mana pun. 8. Waktu gemanya memanjang mendadak selagi perahunya menyeberangi terjunannya — dasar yang lebih dalam, perjalanan pulang pergi yang lebih panjang: sonarnya menggambar tebing bawah airnya. 9. Baja: $2000 \div 5000 = 0.4\,\mathrm{s}$ ; udara: $2000 \div 340 \approx 5.9\,\mathrm{s}$ . 10. Kedua estafetnya mulai bersama, sehingga selangnya bertumbuh sebanding dengan jaraknya: tiap kilometer menambahkan kelambatan tambahan yang tetap pada estafet yang lambat terhadap yang cepat. Ukurlah selangnya, bagilah dengan selisih tiap kilometernya, dan jaraknya pun jatuh keluar — satu pukulan palu, tanpa perlu stopwatch di ujung yang jauh. 11. Bunyi relnya: kabut adalah kerumunan tetesan yang menghamburkan cahaya tanpa harapan tetapi nyaris tidak mengganggu estafet yang terkunci di dalam baja pejal (bunyi udaranya pun selamat melewati kabut dengan baik — tetapi pesan relnya yang paling bersih dan paling cepat di antara ketiganya). 12. Misalnya: “Setiap gema membayar perjalanan pulang perginya: paruhlah sebelum memercayainya. Setiap medium menetapkan langkahnya sendiri: pilihlah kelajuannya bersama kerumunannya, jangan pernah menurut kebiasaan. Dan setiap pencatatan waktu di ngarai ini dimulai dengan mata — perjalanan cahaya terhitung seketika di sini, dan itulah sebabnya melihat palunya jatuh boleh berlaku sebagai pistol pemberangkatannya.”

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Medium

Lihat semua 393 istilah di glosarium