Fisika Dasar II

FISIKA DASAR II

GETARAN, GELOMBANG DAN BUNYI

Umum

Strukur bangunan yang kokoh tidaklah menjadi jaminan sebuah kekuatan jika berhadapan dengan getaran yang kuat.  Terpaan angin pada bangunan yang tinggi, dan aliran angin yang datang melalui vegetasi di sekitar bangunan juga mempengaruhi tahanan bangunan terhadapnya. Dalam ruangan terkadang pengaruh bunyi dapat membuat rasa tidak nyaman pengguna, sehingga perlulah pengetahuan getaran, gelombang dan bunyi dimiliki seorang perancang strukur bangunan dalam merancang struktur bangunan yang memiliki kenyaman terhadap getaran, angin dan bunyi.

Konsep Dasar Getaran, Gelombang dan Bunyi

Getaran adalah gerak osilasi suatu sistem partikel ketika mendapatkan gangguan (gaya eksternal) mekanik. Hal ini dikarenakan sistem partikel memiliki ikatan yang sangat elastis (seperti pegas), sehingga ketika satu partikel melakukan gerak, maka partikel disekitarnya juga akan melakukan hal yang serupa.

   

 

Gambar 1. Ikatan antar Partikel

Gerak osilasi adalah gerak periodik disekitar titik setimbangnya, gerakan ini dalam kehidupan sehari-hari dapat dilihat pada gerakan bandul jam ataupun gerakkan pegas yang ditarik.

 

 

Gambar 2. Gerak osilasi bandul

Gerakan oslasi secara bersamaan suatu sistem partikel dinamakan getaran. Jika getaran ini dteruskan oleh sistem partikel melalui suatu media, maka rambatan ini dinamakan sebagai gelombang mekanik. Berdasarkan bentuk dari sumber getaran, maka gelombang dapat dibagi menjadi dua, yaitu: (1) gelombang bundar dan (2) gelombang datar (pulsa).

 

Sedangkan berdasarkan gerak perambatan gelombang melalui media, maka gelombang dapat dibagi menjadi: (1) gelombang transversal dan (2) gelombang longitudinal.

Gelombang tranversal adalah: gelombang yang arah rambatannya tegak lurus dengan arah getarannya, contoh: gempa, cahaya. Sedangkan gelombang longitudinal adalah: gelombang yang arah rambatannya sejajar dengan arah getaranya, contoh: bunyi, angin.

 

Gelombang mekanik memiliki tiga karakteristik mekanik, yaitu:

(a)    Ketika gelombang merambat dari satu media ke media lainnya, maka gelombang akan dipantulkan dan diteruskan (dirambatkan),

(b)   Ketika gelombang bertemu dengan gelombang mekanik lainnya, maka gelombang akan mengalami interferensi,

(c)    Ketika gelombang menemui suatu penghalang (celah) maka gelombang akan mengalami difraksi.

 

Gelombang mekanik, selain dapat merambat pada media juga dapat merambatkan energi, semakin jauh jarak tempuh gelombang semakin berkurang energinya, atau energi rambatan berbentuk energi kinetik akan berubah kembali ke bentuk energi potensial. Selain jarak yang dapat mengurangi rambatan energi, media yang sangat rapat juga dapat mengurangi perambatan energi atau yang disebut peredaman gelombang/getaran mekanik.

Gelombang mekanik yang merambat dalam energi yang besar, juga dapat menyebabkan sistem partikel yang berada disekitarnya ikut bergetar atau sering disebut dengan resonansi makanik. Resonansi mekanik ini yang dapat membuat suatu sistem partikel mengalami perubahan keelastisitasannya menuju plastik bahkan patah (fracture), misalnya: gedung-gedung yang terdekat dari sumber gempa akan hancur sedangkan lokasi bangunan yang lebih jauh namun masih cukup kuat energi gempa mengenainya akan mengalami keretakan. Jembatan ataupun gedung pencakar langit yang tidak memiliki kesetimbangan yang cukup akan beresonansi ketika gelombang angin melewatinya sehingga struktur dapat saja mengalami kerusakan (runtuh).

                Rambatan energi gelombang mekanik dari suatu sumber yang bergetar jika dapat didengar oleh manusia, maka rambatan itu disebut dengan bunyi. Sehingga, karakteristik gelombang juga menjadi karakteristik sebuah bunyi.

Penerapan di Keteknikan

Peredaman getaran gempa

Peredaman getaran adalah upaya untuk melemahkan penjalaran energi gelombang dari sebuah getaran dengan menggunakan grounding (penyaluran) getaran. Atau, dalam skala laboratorium, berubahnya ayunan harmonik dari sebuah bandul dalam selang waktu yang singkat ataupun lama. Hambatan dapat berupa: (1) hambatan udara dan (2) gesekan antar partikel di dalam sistem materi yang berosilasi (bergetar).

Dalam keteknikan bangunan, seringkali ditemui penggunaan pegas peredam (seperti shock brake pada otomotif) pada konstruksi bangunan tinggi yang bertujuan untuk melemahkan atau meredam amplitudo dan percepatan gelombang gempa yang melewati lokasi tersebut.

Resonansi getaran dari gelombang tegak

Resonansi adalah: peristiwa ikut bergetarnya suatu materi yang berada dalam frekuensi alamiah dari materi lain yang bergetar dan menjalarkan gelombang tegak. Secara matematis kondisi resonansi dua jenis materi ditentukan dengan:

 

Dimana:

 f adalah frekuensi alamiah dari materi yang mengalami resonansi

                  f_O adalah frekuensi alamiah dari materi yang bergetar.

Dalam keteknikan, kondisi bangunan yang mengalami reosnansi sering disebabkan oleh: (1) alunan angin yang berisolasi di sekitar jembatan gantung dan gedung tinggi, (2) getaran gempa bumi yang meresonansi bangunan-bangunan di sepanjang penjalaran gelombang tegaknya.

                                                                                           

Contoh:

Sebuah jembatan layang dapat beresonansi dalam satu kali osilasi (1/2 λ) ketika menerima getaran gempa pada frekuensi 4 Hz. Untuk mengatasi kendala tersebut, dipasangilah sebuah penahan di pusat gravitasi jembatan. Apakah pemasangan itu menjadi efektif jika getaran gempa yang datang berada antara 5-6 Hz?

Pemasangan penahan tersebut membuat jembatan dapat menahan osilasi (resonansi) sebesar 2 kali ini berarti dapat menerima getaran hingga 2.4 Hz = 8 Hz gempa. Dan, f_jembatan > f_gempa.

(jembatan kan runtuh jika f_jembatan ≈ f_gempa selama reosnansi terjadi).

Materi Lainnya, silahkan Anda download di link berikut: