Interferensi Gelombang: Konstruktif & Destruktif (dengan Contoh)

Kadang-kadang ketika gelombang merambat melalui suatu medium, ia bertemu dengan gelombang lain, yang juga merambat melalui medium yang sama. Apa yang terjadi ketika gelombang ini bertabrakan? Ternyata gelombang-gelombang itu bergabung dengan cara yang relatif intuitif dan mudah dihitung. Tidak hanya itu, ada juga banyak aplikasi berguna dariinterferensi gelombangbaik di laboratorium maupun dalam kehidupan sehari-hari.

Untuk mengetahui apa yang akan dilakukan kombinasi gelombang ke titik tertentu dalam medium pada titik waktu tertentu, Anda cukup menambahkan apa yang akan mereka lakukan secara independen. Ini disebutprinsip superposisi​.

Misalnya, jika Anda memplot dua gelombang pada grafik yang sama, Anda cukup menambahkan amplitudo masing-masing pada setiap titik untuk menentukan gelombang yang dihasilkan. Kadang-kadang amplitudo yang dihasilkan akan memiliki magnitudo gabungan yang lebih besar pada titik itu, dan kadang-kadang efek gelombang sebagian atau seluruhnya akan membatalkan satu sama lain.

Bayangkan jika kita memiliki gelombang A yang bergerak ke kanan dan gelombang B bergerak ke kiri. Jika kita melihat pada suatu titik tertentu dalam ruang di mana gelombang A memiliki perpindahan ke atas sebesar 2 unit, sedangkan gelombang B memiliki perpindahan ke bawah sebesar 1 unit, gelombang yang dihasilkan akan memiliki perpindahan ke atas sebesar 1 unit: 2 - 1 = 1.

Diinterferensi konstruktif, perpindahan medium harus dalam arah yang sama untuk kedua gelombang. Mereka bergabung bersama untuk membuat satu gelombang dengan amplitudo yang lebih besar daripada kedua gelombang secara individual. Untuk interferensi konstruktif yang sempurna, gelombang harus dalam fase – yang berarti puncak dan lembahnya sejajar dengan sempurna – dan memiliki periode yang sama.

Untukinterferensi destruktif, perpindahan medium untuk satu gelombang berlawanan dengan arah gelombang lainnya. Amplitudo gelombang yang dihasilkan akan lebih kecil dari gelombang dengan amplitudo yang lebih besar.

Untuk interferensi destruktif sempurna, di mana gelombang saling meniadakan untuk menciptakan amplitudo nol, gelombang harus persis di luar fase – artinya puncak yang satu sejajar sempurna dengan lembah yang lain – dan memiliki periode yang samadanamplitudo. (Jika amplitudo tidak sama, gelombang tidak akan meniadakan tepat nol.)

Perhatikan bahwa interferensi destruktif tidak menghentikan gelombang; itu hanya membawa amplitudonya di tempat tertentu menjadi nol. Interferensi adalah apa yang terjadi ketika gelombang melewati satu sama lain - setelah gelombang tidak lagi berinteraksi, mereka kembali ke amplitudo aslinya.

Gelombang dapat dipantulkan dari permukaan dan titik tetap di mana pun medium yang mereka tuju melalui perubahan ke medium yang berbeda.

Jika seutas tali terpaku pada satu sisi, setiap gelombang yang merambat di sepanjang tali yang mengenai titik tetap itu akan memantulkannya "terbalik", atau sebagai versi kebalikan dari gelombang aslinya. Jika seutas tali bebas pada satu sisi, setiap gelombang yang merambat sepanjang tali yang mengenai ujungnya akan dipantulkan dengan sisi kanan ke atas. Jika seutas tali diikat ke tali lain dengan kerapatan berbeda, ketika gelombang mengenai sambungan itu, bagian sambungan itu akan memantul (seolah-olah ujung tali itu tetap) dan sebagian akan berlanjut.

Ketika gelombang dalam air atau udara mengenai suatu permukaan, gelombang tersebut akan memantul dari permukaan tersebut pada sudut yang sama dengan yang menimpanya. Ini disebut sudut datang.

Gelombang yang dipantulkan sering kali dapat mengganggu dirinya sendiri yang dalam keadaan khusus dapat menciptakan jenis gelombang khusus yang dikenal sebagai gelombang berdiri.

Bayangkan sebuah string dengan satu atau kedua ujungnya tetap. Gelombang yang merambat pada tali ini yang mengenai ujung tetap akan dipantulkan dari ujung itu, merambat ke arah yang berlawanan, dan mengganggu gelombang asli yang menciptakannya.

Interferensi ini tidak selalu bersifat konstruktif atau destruktif sempurna kecuali jika panjang string adalah kelipatan setengah dari panjang gelombang gelombang.

[gambar frekuensi berdiri fundamental/harmonik]

Ini menciptakan pola gelombang berdiri: gelombang asli yang keluar mengganggu gelombang pantul saat bergerak ke arah yang berlawanan. Gelombang yang menuju ke arah yang berlawanan saling mengganggu sedemikian rupa sehingga tidak lagi terlihat seperti sedang bergerak; sebagai gantinya, tampak seolah-olah bagian dari string hanya bergerak naik dan turun di tempatnya. Ini terjadi, misalnya, pada senar gitar saat dipetik.

Titik-titik pada tali yang tampak tetap disebutsimpul. Midway antara setiap pasangan node adalah titik pada string yang mencapai amplitudo maksimum; titik-titik ini disebutantinode​.

Itufrekuensi dasar, atauharmonik pertama, dari sebuah string terjadi ketika panjang string adalah setengah dari panjang gelombang gelombang. Gelombang berdiri kemudian terlihat seperti puncak gelombang tunggal yang bergetar naik turun; ia memiliki satu antinode, dan satu node di setiap ujung string.

Gelombang berdiri dengan panjang dawai sama dengan panjang gelombang disebut harmonik kedua; ia memiliki dua antinode dan tiga node, di mana dua node berada di ujung dan satu node di tengah. Harmonik sangat penting untuk bagaimana alat musik menciptakan musik.

Headphone peredam bising bekerja berdasarkan prinsip interferensi destruktif gelombang suara. Mikrofon pada headphone mendeteksi kebisingan tingkat rendah di sekitar Anda, dan kemudian headphone memancarkan gelombang suara ke telinga Anda yang secara merusak mengganggu kebisingan sekitar. Ini membatalkan kebisingan sekitar sepenuhnya, memungkinkan Anda untuk mendengar musik dan podcast Anda jauh lebih jelas di lingkungan yang bising.

Knalpot pada mobil bekerja dengan cara yang sama, meskipun dengan cara yang lebih mekanis. Ukuran ruang dalam knalpot dirancang dengan tepat sedemikian rupa sehingga begitu suara mesin masuk ke knalpot, itu secara destruktif mengganggu suara pantulannya sendiri, membuat mobil lebih senyap.

Cahaya gelombang mikro yang dipancarkan oleh oven microwave Anda juga mengalami gangguan. Ada lokasi di dalam microwave Anda di mana gelombang cahaya yang dipancarkan ke bagian dalam oven mengganggu secara konstruktif dan destruktif, baik memanaskan makanan Anda lebih atau kurang. Inilah sebabnya mengapa sebagian besar oven microwave memiliki pelat berputar di dalamnya: untuk menjaga makanan Anda tidak membeku sepenuhnya di beberapa tempat dan mendidih di tempat lain. (Bukan solusi sempurna, tapi lebih baik daripada makanan tetap diam!)

Interferensi gelombang merupakan pertimbangan yang sangat penting ketika merancang ruang konser dan auditorium. Kamar-kamar ini dapat memiliki "titik mati", di mana suara dari panggung, yang dipantulkan dari permukaan ruangan, secara merusak mengganggu di tempat tertentu di antara penonton. Hal ini dapat dicegah melalui penempatan bahan penyerap suara dan pemantul suara secara hati-hati di dinding dan langit-langit. Beberapa ruang konser akan memiliki speaker yang ditujukan ke tempat-tempat ini untuk memungkinkan penonton yang duduk di sana untuk tetap mendengar dengan baik.

Sama seperti gelombang lainnya, gelombang cahaya dapat saling berinterferensi dan dapat membelokkan, atau menekuk, di sekitar penghalang atau celah. Gelombang difraksi lebih ketika bukaan lebih dekat ukurannya dengan panjang gelombang gelombang. Difraksi ini menyebabkan pola interferensi – daerah di mana gelombang bertambah dan daerah di mana gelombang saling meniadakan.

Mari kita ambil contoh cahaya yang melalui celah horizontal tunggal. Jika Anda membayangkan garis lurus dari pusat celah ke dinding, di mana garis itu menyentuh dinding seharusnya menjadi titik terang interferensi konstruktif.

Kita dapat memodelkan cahaya yang melewati celah sebagai garis dari beberapa sumber titik yang semuanya memancar keluar. Cahaya dari sumber di kiri dan kanan celah akan menempuh jarak yang sama untuk mencapai titik tertentu di dinding, dan akan sefasa dan berinterferensi konstruktif. Titik berikutnya di sebelah kiri dan titik berikutnya di sebelah kanan juga akan berinterferensi secara konstruktif, dan seterusnya, menciptakan maksimum terang di tengah.

Titik pertama di mana interferensi destruktif akan terjadi dapat ditentukan sebagai berikut: Bayangkan cahayanya datang dari titik di ujung kiri celah (titik A) dan titik yang datang dari tengah (titik B). Jika perbedaan jalur dari masing-masing sumber ke dinding berbeda sebesar 1/2λ, 3/2λ dan seterusnya, maka mereka akan berinterferensi secara destruktif.

Jika kita mengambil titik berikutnya di sebelah kiri dan titik berikutnya di sebelah kanan tengah, perbedaan panjang jalur antara dua titik sumber ini dan dua yang pertama kira-kira sama, jadi mereka juga akan merusak mengganggu.

Pola ini berulang untuk semua pasangan titik yang tersisa, artinya jika cahaya datang dari titik A dan titik B berinterferensi pada suatu titik tertentu pada dinding, maka semua cahaya yang masuk melalui celah mengalami interferensi pada titik tersebut tempat yang sama.

Pola difraksi yang sedikit berbeda juga dapat diperoleh dengan melewatkan cahaya melalui dua celah kecil yang dipisahkan oleh jarak a dalam eksperimen celah ganda. Di sini kita melihat interferensi konstruktif (titik terang) di dinding kapan saja perbedaan panjang lintasan antara cahaya yang datang dari dua celah adalah kelipatan dari panjang gelombang .

Para ilmuwan menggunakan interferensi gelombang setiap hari untuk membuat penemuan menarik, menggunakan interferometer. Interferometer adalah instrumen ilmiah yang menggunakan interferensi gelombang cahaya untuk melakukan pengukuran dan eksperimen.

Sebuah interferometer dasar mengambil sinar laser dan membaginya menjadi dua sinar. Satu balok akan melakukan hal yang sangat berbeda atau melakukan hal yang berbeda, tergantung pada pertanyaan yang coba dijawab oleh para ilmuwan. Balok kemudian akan digabungkan kembali, tetapi pengalaman berbeda yang mereka miliki akan mengubahnya. Para ilmuwan dapat melihat interferensi dari dua sinar laser yang sekarang berbeda untuk menyelidiki pertanyaan ilmiah, seperti sifat gelombang gravitasi.

Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) adalah interferometer raksasa yang mengirimkan sinar laser terpisah sejauh 2,5 mil (4 km) dan bolak-balik.

Balok split berada pada sudut yang tepat, jadi jika gelombang gravitasi melewati interferometer, itu akan mempengaruhi setiap balok secara berbeda. Ini berarti bahwa mereka akan saling mengganggu ketika mereka digabungkan kembali, dan pola interferensi memberi tahu fisikawan tentang apa yang menyebabkan gelombang gravitasi. Begitulah cara LIGO mendeteksi gelombang gravitasi dari lubang hitam yang bertabrakan, sebuah penemuan yang memenangkan Hadiah Nobel pada tahun 2017.