Physics · Buku 4 · Bachelor Year 2

Fisika Universitas — Tahun 2

Fisika Universitas — Tahun 2 · Bachelor Year 2

6Gelombang pada Tali dan Batang: Persamaan d’Alembert

Petiklah senar gitar dan sebuah bentuk berlari sepanjangnya, memantul di jembatannya, kembali, lalu menetap menjadi pola berdiri yang frekuensinya Anda dengar sebagai sebuah nada. Tempelkanlah telinga Anda pada rel kereta dan Anda mendengar keretanya jauh sebelum ia tiba: sebuah mampatan berlari menyusuri bajanya pada lima kilometer tiap sekon. Jilid Tahun ke-1 melukiskan gelombang semacam itu — berjalan, berdiri, tertumpangkan — tanpa mengatakan mengapa ia ada. Bab ini menurunkan persamaan yang mengaturnya, persamaan gelombang d’Alembert, mula-mula bagi gerak transversal sebuah tali, lalu bagi gerak longitudinal sebuah batang yang dibangun, atom demi atom, dari massa dan pegas; bab ini menghitung energi yang diemban sebuah gelombang dan impedansi yang memutuskan apa yang terjadi ketika ia menjumpai perubahan medium.

6.1 Tali yang bergetar

Teorema 6.1 (Persamaan gelombang sebuah tali)

Sebuah tali berapat massa linear μ\mu, yang teregang dengan tegangan TT, membuat simpangan transversal kecil y(x,t)y(x, t) (kemiringan xy1|\partial_xy| \ll 1). Maka

2yt2=c22yx2,c=Tμ,\frac{\partial^2y}{\partial t^2} = c^2\,\frac{\partial^2y}{\partial x^2} , \qquad c = \sqrt{\frac{T}{\mu}} ,

yaitu persamaan d’Alembert, yang penyelesaian umumnya adalah y=f(xct)+g(x+ct)y = f(x - ct) + g(x + ct): tumpangan sebuah bentuk yang berjalan ke kanan dan satu lagi yang berjalan ke kiri dengan kelajuan cc, tanpa berubah bentuk.

Bukti. Kucilkanlah unsur antara xx dan x+ ⁣dxx + \dd x, bermassa μ ⁣dx\mu\,\dd x. Tetangganya menariknya sepanjang garis singgung talinya dengan tegangan TT: secara mendatar TcosθTT\cos\theta \approx T di kedua ujungnya (tak ada gerak mendatar, jadi TT sama di sepanjangnya), secara tegak TsinθTxyT\sin\theta \approx T\partial_xy, yang memberi gaya total T[xy(x+ ⁣dx)xy(x)]=Tx2y ⁣dxT[\partial_xy(x + \dd x) - \partial_xy(x)] = T\,\partial_x^2y\,\dd x. Newton: μ ⁣dxt2y=Tx2y ⁣dx\mu\,\dd x\,\partial_t^2y = T\partial_x^2y\,\dd x. Untuk penyelesaiannya, misalkan u=xctu = x - ct, v=x+ctv = x + ct: persamaannya menjadi uvy=0\partial_u\partial_vy = 0 (aturan rantai), jadi vy\partial_vy hanya bergantung pada vv, dan y=f(u)+g(v)y = f(u) + g(v); sebaliknya sembarang yy semacam itu memenuhinya. Gravitasi, yang diabaikan, sah diabaikan bila TμgLT \gg \mu gL.

Kiri: gaya-gaya pada sebuah unsur tali — kedua tegangannya tidak sejajar ketika talinya melengkung, dan resultannya bersifat transversal. Kanan: sebuah bentuk f(x - ct) berjalan ke kanan dengan c tanpa berubah bentuk.
Kiri: gaya-gaya pada sebuah unsur tali — kedua tegangannya tidak sejajar ketika talinya melengkung, dan resultannya bersifat transversal. Kanan: sebuah bentuk f(xct)f(x - ct) berjalan ke kanan dengan cc tanpa berubah bentuk.

Contoh 6.2 (Gitar, piano, kabel)

Senar E rendah sebuah gitar (μ=5.5g/m\mu = 5.5\,\mathrm{g}/\mathrm{m}, panjang 0.65m0.65\,\mathrm{m}, 82.4Hz82.4\,\mathrm{Hz}) bergetar pada nada dasarnya dengan λ=2L\lambda = 2L: c=2Lf=107m/sc = 2Lf = 107\,\mathrm{m}/\mathrm{s} dan T=μc2=63NT = \mu c^2 = 63\,\mathrm{N}. Dawai A4_4 sebuah piano (baja, 1mm1\,\mathrm{mm}, μ=6.1g/m\mu = 6.1\,\mathrm{g}/\mathrm{m}, 0.38m0.38\,\mathrm{m}, 440Hz440\,\mathrm{Hz}): c=334m/sc = 334\,\mathrm{m}/\mathrm{s}, T=680NT = 680\,\mathrm{N} — dan ada sekitar 230230 dawai dalam sebuah piano, dua puluh ton tegangan pada rangka besi tuangnya. Kabel 1kg/m1\,\mathrm{kg}/\mathrm{m} pada 10kN10\,\mathrm{kN}: 100m/s100\,\mathrm{m}/\mathrm{s}.

6.2 Gelombang berdiri dan ragam getar

Proposisi 6.3 (Ragam sebuah tali yang terikat di kedua ujungnya)

Sebuah tali yang terikat di x=0x = 0 dan x=Lx = L menerima penyelesaian gelombang berdiri sinusoidal (ragam normal)

yn(x,t)=AnsinnπxLcos(ωntφn),fn=ωn2π=nc2L=nf1,n=1,2,3,y_n(x, t) = A_n\sin\frac{n\pi x}{L}\cos(\omega_nt - \varphi_n) , \qquad f_n = \frac{\omega_n}{2\pi} = n\,\frac{c}{2L} = n f_1 , \quad n = 1, 2, 3, \dots

— yaitu nada dasar f1=c/2Lf_1 = c/2L dan harmoniknya. Ragam nn mempunyai n1n - 1 simpul di antara kedua ujungnya. Setiap gerak talinya adalah tumpangan y=nyny = \sum_ny_n, dengan amplitudo dan fasenya ditetapkan oleh bentuk dan kecepatan awalnya (sebuah deret Fourier, sebagaimana ditegakkan jilid matematika tahun ini): campuran harmoniknya adalah warna bunyi nadanya.

Bukti. Carilah y=F(x)cos(ωtφ)y = F(x)\cos(\omega t - \varphi): F+(ω/c)2F=0F'' + (\omega/c)^2F = 0, F(0)=0F(0) = 0 memberi F=Asin(ωx/c)F = A\sin(\omega x/c), dan F(L)=0F(L) = 0 menuntut ωL/c=nπ\omega L/c = n\pi. Setiap ragam juga merupakan jumlah dua gelombang berjalan: sinkxcosωt=12[sin(kxωt)+sin(kx+ωt)]\sin kx\cos\omega t = \tfrac12[\sin(kx - \omega t) + \sin(kx + \omega t)] — gelombangnya dan pantulannya. Kelengkapan sinusnya adalah teorema Fourier.

Kiri: ketiga ragam pertama sebuah tali yang terikat di kedua ujungnya (f_n = nc/2L). Kanan: sebuah tali yang dipetik di tengahnya (segitiga) dan suku-suku pertama deret Fouriernya — hanya harmonik ganjil yang muncul, dengan amplitudo yang turun sebagai 1/n2. Kiri: ketiga ragam pertama sebuah tali yang terikat di kedua ujungnya (f_n = nc/2L). Kanan: sebuah tali yang dipetik di tengahnya (segitiga) dan suku-suku pertama deret Fouriernya — hanya harmonik ganjil yang muncul, dengan amplitudo yang turun sebagai 1/n2.
Kiri: ketiga ragam pertama sebuah tali yang terikat di kedua ujungnya (fn=nc/2Lf_n = nc/2L). Kanan: sebuah tali yang dipetik di tengahnya (segitiga) dan suku-suku pertama deret Fouriernya — hanya harmonik ganjil yang muncul, dengan amplitudo yang turun sebagai 1/n21/n^2.

Contoh 6.4 (Percobaan Melde)

Sebuah tali yang digetarkan di satu ujungnya oleh sebuah vibrator berfrekuensi ff, dengan ujung lainnya melewati katrol menuju massa gantung mm (sehingga T=mgT = mg): sebuah gelombang berdiri yang besar muncul setiap kali ff sama dengan salah satu fn=(n/2L)mg/μf_n = (n/2L) \sqrt{mg/\mu} — resonansi ragam nn. Untuk L=1.2mL = 1.2\,\mathrm{m}, μ=1.0g/m\mu = 1.0\,\mathrm{g}/\mathrm{m} dan f=50Hzf = 50\,\mathrm{Hz}, massa yang memberi n=1,2,3n = 1, 2, 3 perut adalah mn=4L2f2μ/n2g=1.47/n2m_n = 4L^2f^2\mu/n^2g = 1.47/n^2 kg: 1.47kg1.47\,\mathrm{kg}, 367g367\,\mathrm{g}, 163g163\,\mathrm{g}. Menekan senar gitar pada fret kedua belas memisahduakan LL dan melipatduakan f1f_1: oktafnya; menyentuhnya ringan di tengah tanpa menekan mematikan ragam ganjilnya dan menyisakan harmonik kedua — flageoletnya.

6.3 Energi, daya dan impedansi

Proposisi 6.5 (Energi gelombang pada tali)

Sebuah tali mengemban energi tiap satuan panjang dan daya (fluks energi menuju +x+x)

e=12μ(yt)2+12T(yx)2,P=Tyxyt,e = \tfrac12\mu\Bigl(\frac{\partial y}{\partial t}\Bigr)^2 + \tfrac12T\Bigl(\frac{\partial y}{\partial x}\Bigr)^2 , \qquad \mathcal P = -T\,\frac{\partial y}{\partial x}\,\frac{\partial y}{\partial t} ,

yang menuruti neraca lokal te+xP=0\partial_te + \partial_x\mathcal P = 0. Bagi gelombang berjalan y=f(xct)y = f(x - ct), rapat kinetik dan potensialnya sama dan P=Z(ty)2\mathcal P = Z\,(\partial_ty)^2 dengan

Z=Tμ=μc=Tc,Z = \sqrt{T\mu} = \mu c = \frac Tc ,

yaitu impedansi talinya (kg/s\mathrm{kg}/\mathrm{s}): nisbah antara gaya transversal Txy-T\partial_xy yang dikerahkan talinya pada apa yang ada di depannya dan kecepatan transversal ty\partial_ty. Gelombang sinusoidal beramplitudo AA mengemban daya rerata P=12Zω2A2\langle\mathcal P\rangle = \tfrac12Z\omega^2A^2.

Bukti. Suku potensialnya adalah usaha tegangan yang meregangkan unsurnya: panjangnya adalah

 ⁣dx1+(xy)2 ⁣dx(1+12(xy)2),\dd x\sqrt{1 + (\partial_xy)^2} \approx \dd x\bigl(1 + \tfrac12(\partial_xy)^2\bigr) ,

jadi kelebihan panjangnya dikali TT memberi 12T(xy)2 ⁣dx\tfrac12T(\partial_xy)^2\dd x. Daya yang disalurkan menyeberangi xx menuju +x+x adalah gaya transversal yang dikerahkan bagian kirinya pada bagian kanannya, Txy-T\partial_xy, dikali kecepatannya ty\partial_ty. Neracanya:

te=μtyt2y+Txyxty,xP=Tx2yty+Txyxty,\partial_te = \mu\,\partial_ty\,\partial_t^2y + T\,\partial_xy\,\partial_x\partial_ty , \qquad -\partial_x\mathcal P = T\,\partial_x^2y\,\partial_ty + T\,\partial_xy\,\partial_x\partial_ty ,

yang sama menurut persamaan gelombangnya. Bagi f(xct)f(x - ct): xy=ty/c\partial_xy = -\partial_ty/c, jadi P=(T/c)(ty)2\mathcal P = (T/c) (\partial_ty)^2 dan kedua rapatnya sama dengan 12μ(ty)2\tfrac12\mu(\partial_ty)^2.

Proposisi 6.6 (Pemantulan dan penerusan di sebuah sambungan)

Sebuah gelombang beramplitudo AiA_i tiba dari tali berimpedansi Z1Z_1 pada tali berimpedansi Z2Z_2 yang tersambung di x=0x = 0. Kesinambungan simpangan dan gaya transversal di sambungannya memberi koefisien amplitudo

r=ArAi=Z1Z2Z1+Z2,t=AtAi=2Z1Z1+Z2,r = \frac{A_r}{A_i} = \frac{Z_1 - Z_2}{Z_1 + Z_2} , \qquad t = \frac{A_t}{A_i} = \frac{2Z_1}{Z_1 + Z_2} ,

dan bagian energinya R=r2R = r^2, T=4Z1Z2/(Z1+Z2)2\mathcal T = 4Z_1Z_2/(Z_1 + Z_2)^2, dengan R+T=1R + \mathcal T = 1. Ujung tetap (Z2Z_2 \to \infty) memantulkan dengan r=1r = -1 (pulsanya kembali terbalik), ujung bebas (Z2=0Z_2 = 0) dengan r=+1r = +1; impedansi yang sama meneruskan segalanya.

Bukti. Gelombang sinusoidal y1=Aicos(ωtk1x)+Arcos(ωt+k1x)y_1 = A_i\cos(\omega t - k_1x) + A_r\cos(\omega t + k_1x) untuk x<0x < 0, y2=Atcos(ωtk2x)y_2 = A_t\cos(\omega t - k_2x) untuk x>0x > 0, dengan ω\omega yang sama di kedua sisinya. Di x=0x = 0: y1=y2y_1 = y_2 memberi Ai+Ar=AtA_i + A_r = A_t; gayanya Txy-T\partial_xy yang sinambung (sambungan tanpa massa) memberi Z1(AiAr)=Z2AtZ_1(A_i - A_r) = Z_2A_t (dengan memakai T1k1=Z1ωT_1k_1 = Z_1\omega). Selesaikanlah. Energinya: daya rerata 12Zω2A2\tfrac12Z\omega^2A^2.

Sebuah pulsa menjumpai sambungan dengan tali yang lebih berat (Z_2 = 4Z_1): sebagian diteruskan, lebih lambat dan lebih sempit, sebagian dipantulkan terbalik.
Sebuah pulsa menjumpai sambungan dengan tali yang lebih berat (Z2=4Z1Z_2 = 4Z_1): sebagian diteruskan, lebih lambat dan lebih sempit, sebagian dipantulkan terbalik.

6.4 Dari rantai atom ke batang elastik

Proposisi 6.7 (Rantai atom; modulus Young)

Sebuah barisan massa serupa mm yang berjarak aa dan tersambung oleh pegas berkekakuan kk: jika un(t)u_n(t) adalah simpangan massa ke-nn sepanjang barisannya,

mu¨n=k(un+1un)k(unun1)=k(un+12un+un1).m\ddot u_n = k(u_{n+1} - u_n) - k(u_n - u_{n-1}) = k(u_{n+1} - 2u_n + u_{n-1}) .

Ketika simpangannya berubah perlahan dari satu massa ke massa berikutnya (pada panjang gelombang λa\lambda \gg a), un(t)u(x,t)u_n(t) \to u(x, t) dengan un±1un±axu+12a2x2uu_{n\pm1} - u_n \approx \pm a\,\partial_xu + \tfrac12a^2\partial_x^2u, dan rantainya menuruti persamaan d’Alembert

2ut2=c22ux2,c=akm=Eρ,\frac{\partial^2u}{\partial t^2} = c^2\frac{\partial^2u}{\partial x^2} , \qquad c = a\sqrt{\frac km} = \sqrt{\frac{E}{\rho}} ,

dengan ρ=m/a3\rho = m/a^3 massa jenis zat padat yang tersusun atas rantai semacam itu dalam susunan kubus dan E=k/aE = k/a modulus Youngnya: kekakuan sebuah batang berpenampang SS dan sepanjang \ell adalah kS/a2a/=ES/kS/a^2\cdot a/\ell = ES/\ell, yakni hukum Hooke F/S=EΔ/F/S = E\,\Delta\ell/\ell (tegangan σ=Eε\sigma = E\varepsilon).

Bukti. Tiap pegas teregang sebesar selisih simpangan kedua ujungnya. Sisipkanlah uraian Taylornya: mt2u=ka2x2um\partial_t^2u = ka^2\partial_x^2u. Sebuah kubus bersisi aa tiap atom memberi ρ=m/a3\rho = m/a^3; batang berpenampang SS memuat S/a2S/a^2 rantai sejajar yang berisi /a\ell/a pegas terseri, dengan kekakuan total (S/a2)(ka/)=(k/a)S/(S/a^2)(ka/\ell) = (k/a)S/\ell.

Proposisi 6.8 (Gelombang longitudinal dalam sebuah batang)

Langsung pada kontinumnya: sebuah unsur batang antara xx dan x+ ⁣dxx + \dd x, yang tersimpangkan sebesar u(x,t)u(x, t), teregang sebesar ε=xu\varepsilon = \partial_xu dan tertarik oleh tegangan σ=Exu\sigma = E\partial_xu pada tiap mukanya; Newton memberi ρt2u=Ex2u\rho\,\partial_t^2u = E\,\partial_x^2u: gelombang longitudinal (mampatan) berjalan dengan c=E/ρc = \sqrt{E/\rho}5100m/s5100\,\mathrm{m}/\mathrm{s} dalam baja (E=200GPaE = 200\,\mathrm{GPa}), 5000m/s5000\,\mathrm{m}/\mathrm{s} dalam aluminium, 3700m/s3700\,\mathrm{m}/\mathrm{s} dalam granit, 3500m/s3500\,\mathrm{m}/\mathrm{s} dalam kayu searah seratnya. Impedansinya adalah Z=ρc=EρZ = \rho c = \sqrt{E\rho} tiap satuan luas, dan rumus sambungan yang sama berlaku — itulah cara ultrasonik menemukan retakan pada sebuah rel.

Bukti. Gaya total pada unsurnya: S[σ(x+ ⁣dx)σ(x)]=SEx2u ⁣dxS[\sigma(x + \dd x) - \sigma(x)] = SE\partial_x^2u\,\dd x; massanya ρS ⁣dx\rho S\dd x.

Kiri: rantai massa dan pegas — tiap massa merasakan kedua pegas di sekitarnya, dan limit kontinumnya adalah persamaan gelombang dengan c = a√k/m. Kanan: sebuah unsur batang elastik yang ditarik tegangan pada kedua mukanya.
Kiri: rantai massa dan pegas — tiap massa merasakan kedua pegas di sekitarnya, dan limit kontinumnya adalah persamaan gelombang dengan c=ak/mc = a\sqrt{k/m}. Kanan: sebuah unsur batang elastik yang ditarik tegangan pada kedua mukanya.

Catatan 6.9 (Apa yang diketahui rantainya dan tidak diketahui batangnya)

Mencari un=Acos(ωtkna)u_n = A\cos(\omega t - kna) dalam persamaan rantai yang eksak memberi ω=2k/msin(ka/2)\omega = 2\sqrt{k/m}\,|\sin(ka/2)|: untuk ka1ka \ll 1 ini adalah ω=ck\omega = ck, yaitu persamaan gelombang tanpa dispersi, tetapi ketika panjang gelombangnya mendekati 2a2a frekuensinya jenuh pada 2k/m2\sqrt{k/m} dan kecepatan fase serta kecepatan grupnya berbeda — hubungan dispersi pertama dalam jilid ini, yang menjadi pokok Bab 8. Untuk a=0.25nma = 0.25\,\mathrm{nm} dan c=5km/sc = 5\,\mathrm{km}/\mathrm{s} ambang atasnya terletak di ωmax=2c/a=4×1013rad/s\omega_{\max} = 2c/a = 4 \times 10^{13}\,\mathrm{rad}/\mathrm{s} (6THz6\,\mathrm{THz}): zat padatnya tak dapat bergetar lebih cepat daripada yang diizinkan pegas atomnya.

6.5 Latihan

Latihan 6.1

Senar A sebuah gitar (110Hz110\,\mathrm{Hz}, L=65cmL = 65\,\mathrm{cm}, μ=3.0g/m\mu = 3.0\,\mathrm{g}/\mathrm{m}): tentukanlah kelajuan gelombangnya, tegangannya, panjang gelombang nada dasarnya pada senarnya dan panjang gelombang bunyinya di udara; frekuensinya ketika senarnya ditekan pada fret kelima (LL berkurang dengan faktor 25/122^{-5/12}).

Solusi

Solusi Latihan 6.1.

c=2Lf=143m/sc = 2Lf = 143\,\mathrm{m}/\mathrm{s}; T=μc2=61NT = \mu c^2 = 61\,\mathrm{N}; λ=2L=1.3m\lambda = 2L = 1.3\,\mathrm{m} pada senarnya, 340/110=3.1m340/110 = 3.1\,\mathrm{m} di udara; fret kelima: 110×25/12=147Hz110 \times 2^{5/12} = 147\,\mathrm{Hz}.

Latihan 6.2

Kelajuan gelombang longitudinal dalam baja (E=200GPaE = 200\,\mathrm{GPa}, ρ=7800kg/m3\rho = 7800\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}), aluminium (70GPa70\,\mathrm{GPa}, 2700kg/m32700\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}) dan timbal (16GPa16\,\mathrm{GPa}, 11300kg/m311\,300\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}). Waktu bagi bunyi untuk menempuh 1.0km1.0\,\mathrm{km} sepanjang rel dan lewat udara (340m/s340\,\mathrm{m}/\mathrm{s}); apa yang didengar seorang pendengar yang menempelkan telinganya pada rel.

Solusi

Solusi Latihan 6.2.

E/ρ\sqrt{E/\rho}: baja 5.1km/s5.1\,\mathrm{km}/\mathrm{s}, aluminium 5.1km/s5.1\,\mathrm{km}/\mathrm{s}, timbal 1.2km/s1.2\,\mathrm{km}/\mathrm{s}. 1km1\,\mathrm{km}: 0.20s0.20\,\mathrm{s} dalam relnya, 2.9s2.9\,\mathrm{s} di udara — dua bunyi, relnya lebih dulu, terpisah 2.7s2.7\,\mathrm{s}.

Latihan 6.3

Sebuah tali bernada dasar 200Hz200\,\mathrm{Hz}: frekuensi dan jumlah simpul ragam 2, 3, 4; kedudukan simpul ragam 3; frekuensi nada dasarnya jika tegangannya dilipatduakan, jika panjangnya dipisahduakan, jika talinya diganti dengan tali tiga kali lebih berat tiap meter.

Solusi

Solusi Latihan 6.3.

400400, 600600, 800800 Hz dengan 11, 22, 33 simpul dalam; simpul ragam 3 di L/3L/3 dan 2L/32L/3. T×2T \times 2: 2002=283Hz200\sqrt2 = 283\,\mathrm{Hz}; L/2L/2: 400Hz400\,\mathrm{Hz}; μ×3\mu \times 3: 200/3=115Hz200/\sqrt3 = 115\,\mathrm{Hz}.

Latihan 6.4

Sebuah tambang 12m12\,\mathrm{m} (μ=0.20kg/m\mu = 0.20\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}) ditarik dengan 45N45\,\mathrm{N}; satu ujungnya diikatkan ke dinding. Sebuah pulsa dikirim dari ujung lainnya. Tentukanlah kelajuannya; waktu untuk mencapai dinding dan kembali; bentuk pulsa yang kembali; hal yang sama jika ujung jauhnya diikat pada cincin ringan yang meluncur bebas pada sebuah tiang.

Solusi

Solusi Latihan 6.4.

c=45/0.2=15m/sc = \sqrt{45/0.2} = 15\,\mathrm{m}/\mathrm{s}; 24m24\,\mathrm{m} dalam 1.6s1.6\,\mathrm{s}; pulsanya kembali terbalik (r=1r = -1); dengan cincin bebasnya, tegak (r=+1r = +1).

Latihan 6.5 ★★

Sebuah dawai piano bagi 440Hz440\,\mathrm{Hz}: baja (ρ=7800kg/m3\rho = 7800\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}), berdiameter 1.0mm1.0\,\mathrm{mm}, panjang berbunyi 38cm38\,\mathrm{cm}. (a) μ\mu, kelajuan gelombangnya, tegangannya. (b) Tegangan tarik dalam kawatnya; bandingkanlah dengan kekuatan kawat piano, sekitar 2GPa2\,\mathrm{GPa}. (c) Nada yang sama dengan kawat 0.5mm0.5\,\mathrm{mm}: tegangan tali dan tegangan tariknya. (d) Mengapa dawai bas dililit tembaga alih-alih dibuat lebih panjang atau lebih tebal?

Solusi

Solusi Latihan 6.5.

(a) μ=ρπd2/4=6.1g/m\mu = \rho\pi d^2/4 = 6.1\,\mathrm{g}/\mathrm{m}; c=2Lf=334m/sc = 2Lf = 334\,\mathrm{m}/\mathrm{s}; T=μc2=690NT = \mu c^2 = 690\,\mathrm{N}. (b) σ=T/A=ρc2=0.87GPa\sigma = T/A = \rho c^2 = 0.87\,\mathrm{GPa}, marginnya 2.32.3. (c) T/4=170NT/4 = 170\,\mathrm{N}, tegangan tarik yang sama (ia hanya bergantung pada ρc2\rho c^2). (d) Dawai panjang tak muat dalam kotaknya; kawat polos yang tebal terlalu kaku (sangat tidak harmonik) dan sukar dilengkungkan di atas jembatannya; lilitan tembaga menambah massa tanpa kekakuan.

Latihan 6.6 ★★

Melde. Sebuah tali 1.5m1.5\,\mathrm{m} (μ=2.0g/m\mu = 2.0\,\mathrm{g}/\mathrm{m}) digetarkan pada 60Hz60\,\mathrm{Hz}; tegangannya ditetapkan sebuah massa gantung. (a) Massa yang memberi 11, 22, 33 dan 44 perut. (b) Dengan 0.50kg0.50\,\mathrm{kg}: adakah resonansi? Ragam terdekatnya. (c) Ujung yang digetarkan itu sebenarnya simpul atau perut? (d) Mengapa perutnya tumbuh begitu besar saat resonansi, dan apa yang membatasinya?

Solusi

Solusi Latihan 6.6.

(a) mn=4L2f2μ/n2g=6.6/n2m_n = 4L^2f^2\mu/n^2g = 6.6/n^2 kg: 6.66.6, 1.651.65, 0.730.73, 0.41kg0.41\,\mathrm{kg}. (b) n2=13.2n^2 = 13.2, n=3.6n = 3.6: tak ada resonansi, di antara ragam 3 dan 4 (yang terdekat: 4, 0.41kg0.41\,\mathrm{kg}). (c) Praktisnya sebuah simpul: amplitudo penggetarnya amat kecil dibandingkan perutnya. (d) Energi disuapkan sefase pada tiap periodenya lalu menumpuk; peredaman (udara, gesekan dalam, kebocoran lewat katrolnya) membatasi amplitudonya.

Latihan 6.7 ★★

Sebuah gelombang y=Acos(ωtkx)y = A\cos(\omega t - kx) dengan A=2.0mmA = 2.0\,\mathrm{mm}, f=100Hzf = 100\,\mathrm{Hz} berjalan pada sebuah tali (T=100NT = 100\,\mathrm{N}, μ=10g/m\mu = 10\,\mathrm{g}/\mathrm{m}). Tentukanlah kelajuannya, kk, panjang gelombangnya; kecepatan dan percepatan transversal maksimum sebuah titik; kemiringan maksimumnya; impedansinya; daya rerata yang diembannya; energi yang termuat dalam satu panjang gelombang.

Solusi

Solusi Latihan 6.7.

c=100m/sc = 100\,\mathrm{m}/\mathrm{s}, k=6.3rad/mk = 6.3\,\mathrm{rad}/\mathrm{m}, λ=1.0m\lambda = 1.0\,\mathrm{m}; vmax=ωA=1.3m/sv_{\max} = \omega A = 1.3\,\mathrm{m}/\mathrm{s}, amax=ω2A=790m/s2a_{\max} = \omega^2A = 790\,\mathrm{m}/\mathrm{s}^{2}; kemiringannya kA=0.013kA = 0.013; Z=Tμ=1.0kg/sZ = \sqrt{T\mu} = 1.0\,\mathrm{kg}/\mathrm{s}; P=12Zω2A2=0.79W\langle\mathcal P\rangle = \tfrac12Z\omega^2A^2 = 0.79\,\mathrm{W}; tiap panjang gelombang P/f=7.9mJ\mathcal P/f = 7.9\,\mathrm{mJ}.

Latihan 6.8 ★★

Sebuah tali μ1=2.0g/m\mu_1 = 2.0\,\mathrm{g}/\mathrm{m} diikatkan pada tali μ2=8.0g/m\mu_2 = 8.0\,\mathrm{g}/\mathrm{m}, keduanya di bawah 20N20\,\mathrm{N}. (a) Kelajuan dan impedansinya. (b) Koefisien pemantulan dan penerusan amplitudo bagi gelombang yang datang dari tali ringannya; dari tali beratnya. (c) Bagian energinya dalam kedua halnya; periksalah bahwa jumlahnya satu. (d) Sebuah pulsa setinggi 1cm1\,\mathrm{cm} dan selebar 10cm10\,\mathrm{cm} tiba dari tali ringannya: tinggi dan lebar pulsa yang diteruskan dan yang dipantulkan.

Solusi

Solusi Latihan 6.8.

(a) c1=100m/sc_1 = 100\,\mathrm{m}/\mathrm{s}, c2=50m/sc_2 = 50\,\mathrm{m}/\mathrm{s}; Z1=0.20kg/sZ_1 = 0.20\,\mathrm{kg}/\mathrm{s}, Z2=0.40kg/sZ_2 = 0.40\,\mathrm{kg}/\mathrm{s}. (b) Dari tali ringannya: r=1/3r = -1/3, t=2/3t = 2/3; dari tali beratnya: r=+1/3r = +1/3, t=4/3t = 4/3. (c) R=1/9R = 1/9, T=4×0.08/0.36=8/9\mathcal T = 4 \times 0.08/0.36 = 8/9 dalam kedua halnya. (d) Yang diteruskan: setinggi 0.67cm0.67\,\mathrm{cm}, selebar 5cm5\,\mathrm{cm} (durasi sama, kelajuan separuhnya); yang dipantulkan: 0.33cm-0.33\,\mathrm{cm}, 10cm10\,\mathrm{cm}.

Latihan 6.9 ★★

Sebuah kawat baja 2.0m2.0\,\mathrm{m} berdiameter 1.0mm1.0\,\mathrm{mm} memanjang 1.0mm1.0\,\mathrm{mm} di bawah 80N80\,\mathrm{N}. (a) Modulus Young. (b) Kelajuan gelombang longitudinal. (c) Frekuensi dasar getaran longitudinal kawatnya ketika ia dijepit di kedua ujungnya, dan frekuensi getaran transversalnya di bawah tegangan itu; mengapa keduanya begitu berbeda? (d) Kekakuan kk dan massa mm sebuah “atom” dalam model rantainya, untuk a=0.25nma = 0.25\,\mathrm{nm}.

Solusi

Solusi Latihan 6.9.

(a) E=F/AΔ=80×2/(7.85×107×103)=2.0×1011PaE = F\ell/A\Delta\ell = 80 \times 2/(7.85 \times 10^{-7} \times 10^{-3}) = 2.0 \times 10^{11}\,\mathrm{Pa}. (b) c=5.1km/sc = 5.1\,\mathrm{km}/\mathrm{s}. (c) Longitudinal: c/2=1.3kHzc/2\ell = 1.3\,\mathrm{kHz}; transversal: T/μ=114m/s\sqrt{T/\mu} = 114\,\mathrm{m}/\mathrm{s}, f=29Hzf = 29\,\mathrm{Hz} — tegangannya menegangkan kawatnya sampai 100MPa100\,\mathrm{MPa}, 5×1045 \times 10^{-4} dari EE, jadi kelajuan transversalnya 5×104\sqrt{5 \times 10^{-4}} kali kelajuan longitudinalnya. (d) k=Ea=50N/mk = Ea = 50\,\mathrm{N}/\mathrm{m}; m=ρa3=1.2×1025kgm = \rho a^3 = 1.2 \times 10^{-25}\,\mathrm{kg} (sekitar 7070 satuan massa atom).

Latihan 6.10 ★★★

Tali yang dipetik. Sebuah tali yang terikat di 00 dan LL ditarik ke samping di x=L/2x = L/2 sampai ketinggian hh (bentuk segitiga) lalu dilepaskan dari keadaan diam. (a) Tuliskanlah penyelesaiannya sebagai nbnsin(nπx/L)cos(ωnt)\sum_nb_n\sin(n\pi x/L)\cos(\omega_nt) lalu tunjukkanlah bahwa bn=8hn2π2sinnπ2b_n = \dfrac{8h}{n^2\pi^2}\sin\dfrac{n\pi}2. (b) Harmonik mana yang lenyap dan mengapa? (c) Energi ragam nn (En=14μLωn2bn2E_n = \tfrac14\mu L\omega_n^2b_n^2); bagian energi total yang ada pada nada dasarnya. (d) Talinya dipetik di L/5L/5 sebagai gantinya: harmonik mana yang lenyap? Mengapa seorang pemain gitar memetik dekat jembatannya untuk bunyi yang lebih cerah?

Solusi

Solusi Latihan 6.10.

(a) bn=2L0Ly(x,0)sin(nπx/L) ⁣dxb_n = \frac2L\int_0^Ly(x, 0)\sin(n\pi x/L)\dd x dengan segitiganya y=2hx/Ly = 2hx/L pada [0,L/2][0, L/2] (dan simetrik): integralkanlah secara parsial, bn=8hsin(nπ/2)/n2π2b_n = 8h\sin(n\pi/2) /n^2\pi^2. (b) nn genap lenyap: titik tengahnya, yang menjadi simpul setiap ragam genap, adalah titik yang ditarik. (c) En=14μLωn2bn2n2/n4=1/n2E_n = \tfrac14\mu L\omega_n^2b_n^2 \propto n^2/n^4 = 1/n^2 (nn ganjil): nada dasarnya memperoleh 1/ganjiln2=8/π2=81%1/\sum_{\text{ganjil}}n^{-2} = 8/\pi^2 = 81\%. (d) bnsin(nπ/5)/n2b_n \propto \sin(n\pi/5)/n^2: n=5,10,n = 5, 10, \dots lenyap. Dekat jembatannya faktor sin(nπx0/L)\sin(n\pi x_0/L) kecil bagi ragam rendahnya dan terus tumbuh bagi ragam yang lebih tinggi: harmonik tinggi menjadi relatif lebih banyak, bunyinya lebih cerah.

Latihan 6.11 ★★★

Dispersi rantainya. (a) Sisipkanlah un=Acos(ωtkna)u_n = A\cos(\omega t - kna) dalam persamaan rantainya lalu turunkanlah ω(k)=2ω0sin(ka/2)\omega(k) = 2\omega_0|\sin(ka/2)|, ω0=k/m\omega_0 = \sqrt{k/m}. (b) Kecepatan fase ω/k\omega/k dan kecepatan grup  ⁣dω/ ⁣dk\dd\omega/\dd k; limit bersamanya untuk ka0ka \to 0; nilainya pada ka=πka = \pi. (c) Seperti apa rupa gelombangnya pada ka=πka = \pi? Mengapa tak ada gelombang yang panjang gelombangnya lebih pendek daripada 2a2a? (d) Untuk baja (c=5.1km/sc = 5.1\,\mathrm{km}/\mathrm{s}, a=0.25nma = 0.25\,\mathrm{nm}): ω0\omega_0, frekuensi maksimumnya, dan panjang gelombang ultrasonik 1MHz1\,\mathrm{MHz} — berdispersikah ia?

Solusi

Solusi Latihan 6.11.

(a) mω2=k(2coska2)=4ksin2(ka/2)-m\omega^2 = k(2\cos ka - 2) = -4k\sin^2(ka/2). (b) vφ=2ω0sin(ka/2)/kv_\varphi = 2\omega_0\sin(ka/2) /k, vg=ω0acos(ka/2)v_g = \omega_0a\cos(ka/2); keduanya ω0a=c\to \omega_0a = c ketika ka0ka \to 0; pada ka=πka = \pi: vφ=2c/πv_\varphi = 2c/\pi, vg=0v_g = 0. (c) Tetangganya bergerak berlawanan fase: sebuah gelombang berdiri yang tak mengangkut apa pun; kk di luar π/a\pi/a memberi himpunan simpangan yang sama dengan suatu k=k2π/ak' = k - 2\pi/a — tak ada gelombang baru. (d) ω0=c/a=2.0×1013rad/s\omega_0 = c/a = 2.0 \times 10^{13}\,\mathrm{rad}/\mathrm{s}, fmax=ω0/π=6.5THzf_{\max} = \omega_0/\pi = 6.5\,\mathrm{THz}; 1MHz1\,\mathrm{MHz}: λ=5.1mm=2×107a\lambda = 5.1\,\mathrm{mm} = 2 \times 10^7a, ka3×107ka \sim 3 \times 10^{-7}: sama sekali tanpa dispersi.

Latihan 6.12 ★★★

Tambang tergantung, cambuk yang meletup. (a) Sebuah tambang serbasama sepanjang LL tergantung dari langit-langit: tegangannya pada ketinggian xx di atas ujung bebasnya; kelajuan gelombang setempat c(x)c(x). (b) Waktu bagi sebuah pulsa untuk menempuh dari bawah ke atas; angkanya untuk L=10mL = 10\,\mathrm{m}; mengapa bentuk pulsanya berubah. (c) Sebuah cambuk meruncing, dengan μ\mu yang mengecil menuju ujungnya, pada tegangan yang (hampir) tetap selama sabetannya: bagaimana kelajuannya berubah sepanjangnya? (d) Dengan menerima bahwa energi pulsanya kekal dan durasinya tetap, tunjukkanlah bahwa amplitudo kecepatan transversalnya tumbuh sebagai μ1/4\mu^{-1/4}, lalu perkirakanlah kelajuan ujung sebuah cambuk yang μ\mu-nya turun dengan faktor 10410^4 dari gagang ke ujungnya jika tangannya memberi 10m/s10\,\mathrm{m}/\mathrm{s}. (Letupannya adalah ledakan sonik.)

Solusi

Solusi Latihan 6.12.

(a) T(x)=μgxT(x) = \mu gx, c=gxc = \sqrt{gx}. (b) t=0L ⁣dx/gx=2L/g=2.0st = \int_0^L\dd x/\sqrt{gx} = 2\sqrt{L/g} = 2.0\,\mathrm{s}; bagian atas sebuah pulsa bergerak lebih cepat daripada bagian bawahnya: ia memanjang. (c) c=T/μc = \sqrt{T/\mu} tumbuh menuju ujungnya. (d) Energinya Pτ=ZV2τ=TμV2τ\approx \mathcal P\tau = ZV^2\tau = \sqrt{T\mu}V^2\tau tetap: Vμ1/4V \propto \mu^{-1/4}; faktor 10410^4 dalam μ\mu memberi ×10\times10: 100m/s100\,\mathrm{m}/\mathrm{s} — cambuk sungguhan memperoleh sisanya dari simpal yang terurai, yang memusatkan energinya lebih jauh, dan ujungnya melampaui kelajuan bunyi.

Di dalam sebuah piano besar: sekitar dua ratus dawai baja dengan panjang dan tebal bertingkat, masing-masing dilaras oleh tegangannya ke nada dasar c/2L; dawai basnya dililit tembaga demi massanya.
Di dalam sebuah piano besar: sekitar dua ratus dawai baja dengan panjang dan tebal bertingkat, masing-masing dilaras oleh tegangannya ke nada dasar c/2Lc/2L; dawai basnya dililit tembaga demi massanya.

6.6 Soal: Piano, dari palu sampai papan resonansi

Soal 6.1

Soal akhir pekan — sebuah dawai piano yang dibongkar: tegangan dan kekakuannya, pukulan palunya dan harmonik yang dibuatnya, jembatan yang membocorkan energinya ke papan resonansi, dan sebuah rel yang mengemban persamaan yang sama

Bagian I — Dawainya. Dawai A4_4 sebuah piano (440Hz440\,\mathrm{Hz}): baja, E=200GPaE = 200\,\mathrm{GPa}, ρ=7800kg/m3\rho = 7800\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}, diameter d=1.0mmd = 1.0\,\mathrm{mm}, panjang berbunyi L=38cmL = 38\,\mathrm{cm}. Setiap nada di atas basnya mempunyai tiga dawai semacam itu; pianonya mempunyai 230230 dawai.

  1. Rapat massa linear, kelajuan gelombang dan tegangan dawainya.
  2. Tegangan tarik dalam kawatnya; kawatnya putus pada 2.0GPa2.0\,\mathrm{GPa}: margin keselamatannya, dan mengapa putaran terakhir sang penala adalah yang berbahaya.
  3. Perkirakanlah tegangan total pada rangkanya, dengan mengambil semua dawainya pada tegangan yang sama.
  4. Dawai terendahnya (A0_0, 27.5Hz27.5\,\mathrm{Hz}) sepanjang 1.9m1.9\,\mathrm{m}; seandainya ia kawat baja polos pada tegangan yang sama, μ\mu berapa dan diameter berapa yang dituntutnya? Ia sesungguhnya inti baja yang dililit tembaga: jelaskanlah.
  5. Ragam dawai A4_4: frekuensi delapan harmonik pertamanya; mana yang terletak pada selang yang selaras dengan nada dasarnya (oktaf, kuint, kuart, terts besar) dan mana yang tidak?
  6. Dawainya bergetar pada nada dasarnya dengan amplitudo 0.50mm0.50\,\mathrm{mm} di perutnya: energi yang tersimpan (energi sebuah ragam adalah 14μLω2A2\tfrac14\mu L\omega^2A^2).
  7. Tuliskanlah nada dasarnya sebagai jumlah dua gelombang berjalan; berikanlah amplitudonya dan daya rerata yang diemban masing-masing.

Bagian II — Palunya. Palunya memukul dawainya di x0=L/8x_0 = L/8, memberinya, pada t=0t = 0, sebuah kecepatan v0v_0 pada penggal pendek selebar ww di sekitar x0x_0 tanpa simpangan.

  1. Tuliskanlah penyelesaian umumnya y=nBnsin(nπx/L)sin(ωnt)y = \sum_nB_n\sin(n\pi x/L)\sin(\omega_nt) lalu tunjukkanlah, dengan memakai keortogonalan sinusnya, bahwa Bn=2Lωn0Ly˙(x,0)sinnπxL ⁣dxB_n = \dfrac{2}{L\omega_n}\int_0^L\dot y(x, 0)\sin\dfrac{n\pi x}L\,\dd x.
  2. Untuk pukulan sempit (wL/nw \ll L/n), tunjukkanlah Bn2v0wLωnsinnπx0LB_n \approx \dfrac{2v_0w} {L\omega_n}\sin\dfrac{n\pi x_0}{L}.
  3. Harmonik mana yang lenyap untuk x0=L/8x_0 = L/8? Mengapa pembuat piano memukul dekat L/7L/7 sampai L/8L/8 (lihatlah pertanyaan 5)?
  4. Lukiskanlah geraknya dalam gambaran gelombang berjalan: apa yang berangkat dari titik yang dipukul, apa yang terjadi di kedua ujungnya, dan sesudah waktu berapa keadaan awalnya berulang.
  5. Dawai sungguhan sedikit kaku: ragamnya adalah fn=nf11+Bn2f_n = nf_1 \sqrt{1 + Bn^2} dengan B=π3Ed4/(64TL2)B = \pi^3Ed^4/(64TL^2) (diterima tanpa bukti). Hitunglah BB dan penajaman harmonik kedelapannya, dalam persen dan dalam sen (1sen1\,\mathrm{sen} = nisbah frekuensi 21/12002^{1/1200}).
  6. Mengapa penala piano “meregangkan” oktafnya (melaras nada tinggi sedikit lebih tajam)?

Bagian III — Jembatan dan papan resonansi. Dawainya melintasi sebuah jembatan yang dilekatkan pada papan resonansi; papan resonansinya berperilaku, di jembatannya, seperti tali berimpedansi Zb=2000kg/sZ_b = 2000\,\mathrm{kg}/\mathrm{s}.

  1. Impedansi ZsZ_s dawainya; koefisien pemantulan amplitudo di jembatannya.
  2. Bagian energi gelombangnya yang diteruskan ke papan resonansi pada setiap pemantulan.
  3. Jumlah pemantulan tiap sekon di jembatannya; simpulkanlah tetapan waktu peluruhan energinya dan waktu bagi bunyinya untuk turun 60dB60\,\mathrm{dB} (faktor 10610^6 dalam energi).
  4. Daya yang bocor ke papan resonansinya tepat sesudah pukulan pertanyaan 6; bandingkanlah dengan daya percakapan yang tenang, sekitar 1×105W1 \times 10^{-5}\,\mathrm{W} bunyi.
  5. Mengapa sebuah dawai sendirian hampir tak terdengar, dan apa yang dilakukan papan resonansinya terhadap itu? (Pikirkanlah impedansi udara, ρc400kgm2s1\rho c \approx 400\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-2}\,\mathrm{s}^{-1}, yang dilihat lewat permukaan kecil dibandingkan permukaan besar.)
  6. Dengan peredamnya terangkat, dawai A3_3 (220Hz220\,\mathrm{Hz}) mulai berbunyi ketika A4_4 dimainkan: mengapa?
  7. Seorang pembuat piano menginginkan bunyi yang bertahan lebih lama: haruskah ZbZ_b dinaikkan atau diturunkan, dan apa yang hilang?

Bagian IV — Rel. Sebuah rel baja (E=200GPaE = 200\,\mathrm{GPa}, ρ=7800kg/m3\rho = 7800\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}, penampang 70cm270\,\mathrm{cm}^{2}).

  1. Kelajuan gelombang mampatan; waktu bagi bunyi sebuah kereta untuk menempuh 5km5\,\mathrm{km} sepanjang rel dan lewat udara.
  2. Sebuah pukulan palu mengirimkan pulsa mampatan menyusuri penggal rel 25m25\,\mathrm{m} yang berujung bebas: waktu bagi gemanya; gemanya berupa mampatan atau peregangan?
  3. Sebuah pemeriksa ultrasonik 2MHz2\,\mathrm{MHz} mencari retakan: panjang gelombangnya dalam baja; koefisien pemantulan amplitudo pada retakan baja–udara (impedansi udara 400kgm2s1400\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-2}\,\mathrm{s}^{-1}); mengapa retakan tipis terlihat begitu jelas.
  4. Gempa bumi: dalam batuan, gelombang mampatan (P) berjalan dengan 6.0km/s6.0\,\mathrm{km}/\mathrm{s} dan gelombang geser (S) dengan 3.5km/s3.5\,\mathrm{km}/\mathrm{s}. Sebuah stasiun mencatat gelombang S 20s20\,\mathrm{s} sesudah gelombang P: jarak ke sumbernya.
  5. Dalam satu tabel, kumpulkanlah kelima kelajuan gelombang soal ini (tali, rel, batuan P, batuan S, udara) beserta kekakuan dan kelembaman yang menetapkan masing-masingnya.
Solusi

Solusi Soal 6.1.

1. μ=ρπd2/4=6.1g/m\mu = \rho\pi d^2/4 = 6.1\,\mathrm{g}/\mathrm{m}; c=2Lf=334m/sc = 2Lf = 334\,\mathrm{m}/\mathrm{s}; T=μc2=685NT = \mu c^2 = 685\,\mathrm{N}.

2. σ=ρc2=0.87GPa\sigma = \rho c^2 = 0.87\,\mathrm{GPa}: marginnya 2.32.3. Tf2T \propto f^2: satu semiton lebih tinggi menambah 12%12\%, satu oktaf terlalu tinggi melipatempatkannya, 3.5GPa3.5\,\mathrm{GPa} — ia putus.

3. 230×685160kN230 \times 685 \approx 160\,\mathrm{kN}, enam belas ton.

4. c=2Lf=105m/sc = 2Lf = 105\,\mathrm{m}/\mathrm{s}; pada 685N685\,\mathrm{N}: μ=T/c2=63g/m\mu = T/c^2 = 63\,\mathrm{g}/\mathrm{m}, yakni sebatang baja 3.2mm3.2\,\mathrm{mm} — jauh terlalu kaku untuk bergetar secara harmonik atau untuk dilengkungkan di atas jembatannya; inti tipis yang dililit tembaga memberi massanya tanpa kekakuannya.

5. 440440, 880880, 13201320, 17601760, 22002200, 26402640, 30803080, 3520Hz3520\,\mathrm{Hz}: 22, 44, 88 adalah oktaf; 33, 66 sebuah kuint di atas satu oktaf; 55 sebuah terts besar murni di atas dua oktaf; 77 (3080/1760=1.753080/1760 = 1.75) adalah septim minor yang rendah — sumbang.

6. E=14μLω2A2=0.25×6.1×103×0.38×(2π×440)2×(5×104)2=1.1mJE = \tfrac14\mu L\omega^2A^2 = 0.25 \times 6.1 \times 10^{-3} \times 0.38 \times (2\pi \times 440)^2 \times (5 \times 10^{-4})^2 = 1.1\,\mathrm{mJ}.

7. Asinkxcosωt=12A[sin(kxωt)+sin(kx+ωt)]A\sin kx\cos\omega t = \tfrac12A[\sin(kx - \omega t) + \sin(kx + \omega t)]: dua gelombang beramplitudo 0.25mm0.25\,\mathrm{mm}; Z=μc=2.0kg/sZ = \mu c = 2.0\,\mathrm{kg}/\mathrm{s}; masing-masing mengemban 12Zω2(A/2)2=0.49W\tfrac12Z\omega^2(A/2)^2 = 0.49\,\mathrm{W}.

8. y˙(x,0)=nBnωnsin(nπx/L)\dot y(x, 0) = \sum_nB_n\omega_n\sin(n\pi x/L); kalikanlah dengan sin(mπx/L)\sin(m\pi x/L) lalu integralkanlah, dengan memakai 0Lsinsin=L2δmn\int_0^L\sin\sin = \tfrac L2\delta_{mn}.

9. Integrannya adalah v0sin(nπx/L)v_0\sin(n\pi x/L) pada lebar ww di sekitar x0x_0, tempat sinusnya hampir tetap.

10. sin(nπ/8)=0\sin(n\pi/8) = 0 untuk n=8,16,n = 8, 16, \dots; dan karena Bn/B1=sin(nπ/8)/(nsin(π/8))B_n/B_1 = \sin(n\pi/8)/(n\sin(\pi/8)), harmonik ketujuhnya menyusut menjadi 1/71/7 harmonik pertamanya sementara 22 sampai 66 yang selaras tetap 0.90.9 sampai 0.30.3: septim sumbangnya dijinakkan.

11. Dua pulsa kecepatan berangkat dari titik yang dipukul ke arah berlawanan, memantul terbalik di kedua ujungnya, berpapasan lalu bergabung kembali; keadaan awalnya berulang sesudah 2L/c=1/f1=2.3ms2L/c = 1/f_1 = 2.3\,\mathrm{ms}.

12. B=π3×2×1011×1012/(64×685×0.144)=9.8×104B = \pi^3 \times 2 \times 10^{11} \times 10^{-12}/(64 \times 685 \times 0.144) = 9.8 \times 10^{-4}; 1+64B=1.031\sqrt{1 + 64B} = 1.031: +3.1%+3.1\%, 1200log2(1.031)=531200\log_2(1.031) = 53 sen.

13. Harmonik sebuah nada rendah lebih tajam daripada kelipatan eksaknya; agar berimpit dengan nada dasar nada yang lebih tinggi (dan menghindari layangan), nada tingginya dilaras sedikit lebih tajam.

14. Zs=μc=2.0kg/sZ_s = \mu c = 2.0\,\mathrm{kg}/\mathrm{s}; r=(22000)/2002=0.998r = (2 - 2000)/2002 = -0.998.

15. 1r24Zs/Zb=4×1031 - r^2 \approx 4Z_s/Z_b = 4 \times 10^{-3}.

16. c/2L=440c/2L = 440 pemantulan tiap sekon: laju peluruhannya 440×4×103=1.8s1440 \times 4 \times 10^{-3} = 1.8\,\mathrm{s}^{-1}, τ=0.56s\tau = 0.56\,\mathrm{s}; ln106/1.8=7.7s\ln10^6/1.8 = 7.7\,\mathrm{s} bagi 60dB60\,\mathrm{dB}.

17. 1.1mJ×1.8s1=2mW1.1\,\text{mJ} \times 1.8\,\text{s}^{-1} = 2\,\mathrm{mW} — dua ratus kali percakapan yang tenang; itulah yang Anda dengar.

18. Kawat 1mm1\,\mathrm{mm} hampir tak mendorong udara: udaranya menyelinap mengelilinginya dan daya pancarannya dapat diabaikan. Papan resonansinya mengambil energi dawainya lewat jembatannya lalu menggerakkan udara pada satu meter persegi: sebuah penyesuaian impedansi lewat luas.

19. 440Hz440\,\mathrm{Hz} adalah harmonik kedua A3_3: jembatannya menggetarkan dawai itu pada salah satu ragamnya — resonansi simpatetik.

20. Naikkanlah ZbZ_b: energi yang bocor tiap pemantulan berkurang, nadanya bertahan lebih lama — dan lebih lirih.

21. c=5.1km/sc = 5.1\,\mathrm{km}/\mathrm{s}: 1.0s1.0\,\mathrm{s} dalam relnya, 15s15\,\mathrm{s} di udara.

22. 50/5064=10ms50/5064 = 10\,\mathrm{ms}; tegangannya harus lenyap di ujung bebas: sebuah mampatan kembali sebagai peregangan.

23. λ=2.5mm\lambda = 2.5\,\mathrm{mm}; Zbaja=ρc=4×107kgm2s1Z_{\text{baja}} = \rho c = 4 \times 10^{7}\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-2}\,\mathrm{s}^{-1} melawan 400400: r1r \approx -1, pemantulan total: retakan terbuka mana pun, betapapun tipis, mengembalikan gema.

24. Δt=d(1/3.51/6)=d×0.119s/km\Delta t = d(1/3.5 - 1/6) = d \times 0.119\,\mathrm{s}/\mathrm{km}: d=170kmd = 170\,\mathrm{km}.

25. Tali 334m/s334\,\mathrm{m}/\mathrm{s} (TT, μ\mu); rel 5.1km/s5.1\,\mathrm{km}/\mathrm{s} (EE, ρ\rho); batuan P 6km/s6\,\mathrm{km}/\mathrm{s} (modulus mampatan, ρ\rho); batuan S 3.5km/s3.5\,\mathrm{km}/\mathrm{s} (modulus geser, ρ\rho); udara 340m/s340\,\mathrm{m}/\mathrm{s} (γP\gamma P, ρ\rho — bab berikutnya).