Pipa Terbuka & Tertutup (Fisika): Perbedaan, Resonansi & Persamaan

Fisika gelombang mencakup beragam fenomena, dari gelombang sehari-hari seperti air, cahaya, suara dan bahkan di tingkat subatomik, di mana gelombang menggambarkan perilaku partikel seperti elektron. Semua gelombang ini menunjukkan sifat yang sama dan memiliki karakteristik kunci yang sama yang menggambarkan bentuk dan perilakunya.

Salah satu sifat gelombang yang paling menarik adalah kemampuannya untuk membentuk “gelombang berdiri”. Mempelajari konsep itu dalam istilah gelombang suara yang sudah dikenal akan membantu Anda memahami pengoperasian banyak alat musik, serta meletakkan beberapa dasar penting ketika Anda belajar tentang orbit elektron dalam kuantum mekanika.

Suara adalah gelombang longitudinal, yang berarti gelombang bervariasi dalam arah yang sama dengan perjalanannya. Untuk suara, variasi ini datang dalam bentuk serangkaian kompresi (daerah dengan kepadatan yang meningkat) dan penghalusan (daerah dengan kepadatan menurun) dalam media yang dilaluinya, seperti udara atau padatan obyek.

Fakta bahwa gelombang suara bersifat longitudinal berarti bahwa kompresi dan refraksi mengenai gendang telinga Anda satu demi satu, bukan beberapa "panjang gelombang" yang mengenainya pada saat yang bersamaan. Cahaya, sebaliknya, adalah gelombang transversal, sehingga bentuk gelombangnya tegak lurus terhadap arah perjalanannya.

Gelombang suara diciptakan oleh osilasi, baik itu dari pita suara Anda, dawai yang bergetar dari a gitar (atau bagian lain dari alat musik yang berosilasi), garpu tala atau setumpuk piring menabrak lantai. Semua sumber ini menciptakan kompresi dan penghalusan yang sesuai di udara di sekitarnya, dan ini bergerak sebagai suara (tergantung pada intensitas gelombang tekanan).

Osilasi ini perlu merambat melalui semacam medium karena jika tidak, tidak akan ada apa pun untuk menciptakan daerah kompresi dan penghalusan, sehingga suara hanya merambat pada kecepatan yang terbatas. Kecepatan suara di udara (pada 20 derajat Celcius) adalah sekitar 344 m/s, tetapi sebenarnya merambat dengan kecepatan laju lebih cepat dalam cairan dan padatan, dengan kecepatan 1.483 m/s dalam air (pada 20 C) dan 4.512 m/s dalam baja.

Getaran dan osilasi cenderung memiliki apa yang dapat dianggap sebagai frekuensi alami, atau frekuensi resonansi. Dalam sistem mekanik, resonansi adalah nama untuk penguatan suara atau getaran lain yang terjadi ketika Anda menerapkan gaya periodik pada frekuensi resonansi objek.

Pada dasarnya, dengan menerapkan gaya dalam waktu dengan frekuensi alami di mana sebuah objek bergetar atau berosilasi, Anda dapat memperkuat atau memperpanjang gerakan – pikirkan tentang mendorong seorang anak pada ayunan dan mengatur waktu dorongan Anda dengan gerakan yang ada ayunan.

Frekuensi resonansi untuk suara pada dasarnya sama. Demonstrasi klasik dengan garpu tala menunjukkan konsep dengan jelas: Dua garpu tala identik dipasang pada kotak suara (yang pada dasarnya memperkuat suara dengan cara yang sama seperti kotak suara gitar akustik untuk osilasi senar gitar), dan salah satunya dipukul dengan karet martil. Ini membuat udara di sekitarnya bergetar, dan Anda dapat mendengar nada yang dihasilkan oleh frekuensi alami garpu.

Tetapi jika Anda menghentikan garpu yang Anda pukul agar tidak bergetar, Anda masih akan mendengar suara yang sama, hanya datang dari garpu lain. Karena kedua garpu memiliki frekuensi resonansi yang sama, gerak udara yang disebabkan oleh getaran udara yang disebabkan oleh garpu pertama sebenarnya membuat garpu kedua juga bergetar.

Frekuensi resonansi spesifik untuk setiap objek tertentu bergantung pada sifat-sifatnya – misalnya, untuk seutas tali, ia bergantung pada tegangan, massa, dan panjangnya.

SEBUAH pola gelombang berdiri adalah ketika gelombang berosilasi tetapi tidak tampak bergerak. Hal ini sebenarnya disebabkan oleh superposisi dari dua gelombang atau lebih, merambat dalam arah yang berbeda tetapi masing-masing memiliki frekuensi yang sama.

Karena frekuensinya sama, puncak-puncak gelombangnya berjajar sempurna, dan ada yang konstruktif interferensi – dengan kata lain, dua gelombang ditambahkan bersama-sama dan menghasilkan gangguan yang lebih besar daripada keduanya dengan dirinya sendiri. Interferensi konstruktif ini bergantian dengan interferensi destruktif – di mana kedua gelombang saling meniadakan – untuk menghasilkan pola gelombang berdiri.

Jika suara dengan frekuensi tertentu dibuat di dekat pipa yang diisi dengan udara, gelombang suara berdiri dapat dibuat di dalam pipa. Ini menghasilkan resonansi, yang memperkuat suara yang dihasilkan oleh gelombang asli. Fenomena ini mendasari cara kerja banyak alat musik.

Untuk pipa terbuka (yaitu, pipa dengan ujung terbuka di setiap sisi), gelombang berdiri dapat terbentuk jika panjang gelombang suara memungkinkan adanya antinode di kedua ujungnya. SEBUAH simpul adalah titik pada gelombang berdiri yang tidak terjadi gerak sehingga tetap pada posisi istirahatnya, sedangkan antinode adalah titik yang paling banyak geraknya (kebalikan dari simpul).

Pola gelombang berdiri frekuensi terendah akan memiliki antinode di setiap ujung pipa yang terbuka, dengan satu node di tengah. Frekuensi di mana ini terjadi disebut frekuensi dasar atau harmonik pertama.

Panjang gelombang yang terkait dengan frekuensi dasar ini adalah 2_L_, di mana panjang, L, mengacu pada panjang pipa. Gelombang berdiri dapat dibuat pada frekuensi yang lebih tinggi daripada frekuensi dasar, dan masing-masing menambahkan simpul ekstra pada gerakan. Misalnya, harmonik kedua adalah gelombang berdiri dengan dua simpul, harmonik ketiga memiliki tiga simpul dan seterusnya.

Dimana frekuensi dasarnya adalah f₁, frekuensi harmonik ke-n diberikan oleh _f_tidak = nf₁, dan panjang gelombangnya adalah 2_L_ / tidak, dimana L lagi mengacu pada panjang pipa.

Pipa tertutup adalah pipa di mana salah satu ujungnya terbuka dan ujung lainnya tertutup, dan seperti pipa terbuka, pipa ini dapat membentuk gelombang berdiri dengan suara dengan frekuensi yang sesuai. Dalam hal ini, akan ada gelombang berdiri setiap kali panjang gelombang memungkinkan sebuah antinode pada ujung pipa yang terbuka dan sebuah node pada ujung yang tertutup.

Untuk pipa tertutup, pola gelombang berdiri frekuensi terendah (frekuensi dasar atau harmonik pertama) hanya akan memiliki satu node dan satu antinode. Untuk pipa tertutup dengan panjang L, gelombang berdiri fundamental dihasilkan ketika panjang gelombang 4_L_.

Sekali lagi, mungkin ada gelombang berdiri yang dihasilkan pada frekuensi yang lebih tinggi daripada frekuensi dasar, dan ini disebut harmonik. Namun, hanya harmonik ganjil yang mungkin terjadi dengan pipa tertutup, tetapi masing-masing masih menghasilkan jumlah simpul dan antinode yang sama. frekuensi dari harmonik ke-n adalah _f_tidak = nf₁, dimana f₁ adalah frekuensi dasar dan tidak hanya bisa ganjil. Panjang gelombang dari harmonik ke-n adalah 4_L / tidak, lagi-lagi mengingat itu tidak harus bilangan bulat ganjil.

Aplikasi paling terkenal dari konsep yang telah Anda pelajari adalah alat musik, terutama alat musik tiup kayu seperti klarinet, seruling, dan saksofon. Seruling adalah contoh instrumen pipa terbuka, sehingga menghasilkan gelombang berdiri dan resonansi ketika ada antinode di kedua ujungnya.

Klarinet dan saksofon adalah contoh instrumen pipa tertutup, yang menghasilkan resonansi ketika ada simpul di ujung yang tertutup (walaupun tidak sepenuhnya tertutup karena corong, gelombang suara masih memantulkan seolah-olah) dan antinode terbuka akhir.

Tentu saja, lubang pada instrumen dunia nyata sedikit memperumit masalah. Namun, untuk sedikit menyederhanakan situasi, "panjang efektif" pipa dapat dihitung berdasarkan posisi lubang atau kunci pertama yang terbuka. Akhirnya, getaran awal yang mengarah ke resonansi dihasilkan oleh buluh yang bergetar atau oleh bibir musisi terhadap corong.